სონოკატალიზი – ულტრაბგერითი დახმარებით კატალიზი
ულტრაბგერითი გავლენას ახდენს კატალიზატორის რეაქტიულობაზე კატალიზის დროს გაძლიერებული მასის გადაცემის და ენერგიის შეყვანის გზით. ჰეტეროგენული კატალიზის დროს, სადაც კატალიზატორი რეაქტიული ნივთიერებებისგან განსხვავებულ ფაზაშია, ულტრაბგერითი დისპერსია ზრდის რეაგენტებისთვის ხელმისაწვდომ ზედაპირს.
სონოკატალიზის ფონი
კატალიზი არის პროცესი, რომელშიც ა გაძლიერებულია ქიმიური რეაქცია (ან შემცირდა) კატალიზატორის საშუალებით. მრავალი ქიმიური ნივთიერების წარმოება მოიცავს კატალიზს. რეაქციის სიჩქარეზე გავლენა დამოკიდებულია რეაგენტების კონტაქტის სიხშირეზე სიჩქარის განმსაზღვრელ საფეხურზე. ზოგადად, კატალიზატორები ზრდის რეაქციის სიჩქარეს და ამცირებს აქტივაციის ენერგიას რეაქციის პროდუქტის ალტერნატიული რეაქციის გზის მიწოდებით. ამისთვის კატალიზატორები რეაგირებენ ერთ ან მეტ რეაგენტთან, რათა წარმოქმნან შუალედური ნივთიერებები, რომლებიც შემდგომში იძლევა საბოლოო პროდუქტს. ეს უკანასკნელი ნაბიჯი ახდენს კატალიზატორის რეგენერაციას. მიერ აქტივაციის ენერგიის შემცირება, მეტ მოლეკულურ შეჯახებას აქვს ენერგია, რომელიც საჭიროა გარდამავალი მდგომარეობის მისაღწევად. ზოგიერთ შემთხვევაში კატალიზატორები გამოიყენება ქიმიური რეაქციის შერჩევითობის შესაცვლელად.
The დიაგრამა მარჯვნივ ასახავს კატალიზატორის ეფექტს ქიმიურ რეაქციაში X+Y Z-ის წარმოქმნით. კატალიზატორი უზრუნველყოფს ალტერნატიულ გზას (მწვანე) დაბალი აქტივაციის ენერგიის Ea-ით.
ეფექტი ულტრაბგერითი
აკუსტიკური ტალღის სიგრძე სითხეებში მერყეობს დაახ. 110-დან 0.15 მმ-მდე 18 kHz-დან 10MHz-მდე სიხშირეებისთვის. ეს მნიშვნელოვნად აღემატება მოლეკულურ ზომებს. ამ მიზეზით, არ არსებობს აკუსტიკური ველის პირდაპირი შეერთება ქიმიური სახეობის მოლეკულებთან. ეფექტი ულტრაბგერითი არის დიდი ხარისხით შედეგი ულტრაბგერითი კავიტაცია სითხეებში. ამიტომ, ულტრაბგერითი დახმარებით კატალიზისთვის საჭიროა მინიმუმ ერთი რეაგენტი თხევად ფაზაში. ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს ჰეტეროგენულ და ერთგვაროვან კატალიზს მრავალი თვალსაზრისით. ინდივიდუალური ეფექტები შეიძლება დაწინაურდეს ან შემცირდეს ულტრაბგერითი ამპლიტუდის და სითხის წნევის ადაპტაციით.
ულტრაბგერითი დისპერსირება და ემულგირება
ქიმიური რეაქციები, რომელშიც შედის რეაგენტები და ერთზე მეტი ფაზის კატალიზატორი (ჰეტეროგენული კატალიზი) შემოიფარგლება ფაზის საზღვრით, რადგან ეს არის ერთადერთი ადგილი, სადაც არის რეაგენტი და კატალიზატორი. რეაგენტებისა და კატალიზატორის ერთმანეთის ზემოქმედება არის ა ძირითადი ფაქტორი მრავალი მრავალფაზიანი ქიმიური რეაქციისთვის. ამ მიზეზით, ფაზის საზღვრის სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი გავლენას ახდენს რეაქციის ქიმიურ სიჩქარეზე.
ულტრაბგერითი არის ძალიან ეფექტური საშუალება მყარი ნივთიერებების დისპერსია და ამისთვის სითხეების ემულსიფიკაცია. ნაწილაკების/წვეთების ზომის შემცირებით, ფაზის საზღვრის მთლიანი ზედაპირის ფართობი ერთდროულად იზრდება. მარცხნივ სურათზე ნაჩვენებია კორელაცია ნაწილაკების ზომასა და ზედაპირის ფართობს შორის სფერული ნაწილაკების ან წვეთების შემთხვევაში (დააწკაპუნეთ უფრო დიდი სანახავად!). როგორც ფაზის სასაზღვრო ზედაპირი იზრდება, ასევე იზრდება ქიმიური რეაქციის სიჩქარე. მრავალი მასალისთვის ულტრაბგერითი კავიტაციის დროს შესაძლებელია ნაწილაკების და წვეთების წარმოქმნა ძალიან კარგი ზომა – ხშირად მნიშვნელოვნად ქვემოთ 100 ნანომეტრზე. თუ დისპერსია ან ემულსია ხდება დროებით მაინც სტაბილური, გამოიყენება ულტრაბგერითი შეიძლება საჭირო გახდეს მხოლოდ საწყის ეტაპზე ქიმიური რეაქციის შესახებ. ინლაინ ულტრაბგერითი რეაქტორი რეაგენტებისა და კატალიზატორის თავდაპირველი შერევისთვის შეიძლება წარმოქმნას მცირე ზომის ნაწილაკები/წვეთები ძალიან მოკლე დროში და მაღალი დინების სიჩქარით. მისი გამოყენება შესაძლებელია ძალიან ბლანტიან მედიაზეც კი.
მასობრივი ტრანსფერი
როდესაც რეაგენტები რეაგირებენ ფაზის საზღვარზე, ქიმიური რეაქციის პროდუქტები გროვდება საკონტაქტო ზედაპირზე. ეს ბლოკავს სხვა რეაგენტის მოლეკულებს ურთიერთქმედებაში ამ ფაზის საზღვარზე. მექანიკური ათვლის ძალები, რომლებიც გამოწვეულია კავიტაციური ნაკადებით და აკუსტიკური ნაკადით, იწვევს ტურბულენტურ ნაკადს და მასალის ტრანსპორტირებას ნაწილაკების ან წვეთოვანი ზედაპირებიდან. წვეთების შემთხვევაში, მაღალმა ცვლამ შეიძლება გამოიწვიოს შერწყმა და შემდგომში ახალი წვეთების წარმოქმნა. დროთა განმავლობაში ქიმიური რეაქციის პროგრესირებასთან ერთად, შეიძლება საჭირო გახდეს განმეორებითი სონიკაცია, მაგ. ორეტაპიანი ან რეცირკულაცია. მაქსიმალურად გაზარდოს რეაგენტების ექსპოზიცია.
ენერგიის შეყვანა
ულტრაბგერითი კავიტაცია უნიკალური გზაა ენერგიის ჩადება ქიმიურ რეაქციებში. მაღალი სიჩქარის თხევადი ჭავლების კომბინაცია, მაღალი წნევა (>1000ატმ) და მაღალი ტემპერატურა (>5000K), გათბობისა და გაგრილების უზარმაზარი ტარიფები (>109კს-1) ხდება ლოკალურად კონცენტრირებული კავიტაციური ბუშტების იმპლოზიური შეკუმშვის დროს. კენეტ სასლიკი ამბობს: “კავიტაცია არის ხმის დიფუზური ენერგიის ქიმიურად გამოსაყენებელ ფორმაში კონცენტრირების არაჩვეულებრივი მეთოდი.”
რეაქტიულობის გაზრდა
კავიტაციური ეროზია ნაწილაკების ზედაპირებზე წარმოქმნის არაპასივირებულ, ძლიერ რეაქტიულ ზედაპირებს. ხანმოკლე მაღალი ტემპერატურა და წნევა ხელს უწყობს მოლეკულური დაშლა და რეაქტიულობის გაზრდა მრავალი ქიმიური სახეობის. ულტრაბგერითი დასხივება შეიძლება გამოყენებულ იქნას კატალიზატორების მოსამზადებლად, მაგ. წვრილი ზომის ნაწილაკების აგრეგატების დასამზადებლად. ეს აწარმოებს ამორფულ კატალიზატორებს მაღალი სპეციფიკური ზედაპირის ნაწილაკები ფართობი. ამ აგრეგატის სტრუქტურის გამო, ასეთი კატალიზატორები შეიძლება გამოიყოს რეაქციის პროდუქტებისგან (ანუ ფილტრაციით).
ულტრაბგერითი წმენდა
ხშირად კატალიზი მოიცავს არასასურველ ქვეპროდუქტებს, დაბინძურებას ან მინარევებს რეაგენტებში. ამან შეიძლება გამოიწვიოს დეგრადაცია და დაბინძურება მყარი კატალიზატორების ზედაპირზე. დაბინძურება ამცირებს კატალიზატორის ღია ზედაპირს და შესაბამისად ამცირებს მის ეფექტურობას. მისი მოცილება არ არის საჭირო არც პროცესის დროს, არც გადამუშავების ინტერვალებში სხვა ქიმიკატების გამოყენებით. ულტრაბგერითი არის ეფექტური საშუალება გაასუფთავეთ კატალიზატორები ან დაეხმარეთ კატალიზატორის გადამუშავების პროცესს. ულტრაბგერითი გაწმენდა ალბათ ყველაზე გავრცელებული და ცნობილი გამოყენებაა ულტრაბგერითი. კავიტაციური თხევადი ჭავლების შეჯახება და დარტყმითი ტალღები 10-მდე4ატმ-ს შეუძლია შექმნას ლოკალიზებული ათვლის ძალები, ეროზია და ზედაპირის ორმოები. წვრილი ზომის ნაწილაკებისთვის, მაღალი სიჩქარით ნაწილაკთაშორისი შეჯახება იწვევს ზედაპირის ეროზიას და თანაბრად სახეხი და დაფქვა. ამ შეჯახებამ შეიძლება გამოიწვიოს ადგილობრივი გარდამავალი ზემოქმედების ტემპერატურა დაახლ. 3000 ათასი. სუსლიკმა აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი ეფექტურობა აშორებს ზედაპირის ოქსიდის საფარებს. ასეთი პასიური ფენების მოცილება მკვეთრად აუმჯობესებს რეაქციის სიჩქარეს სხვადასხვა რეაქციების დროს (სუსლიკი 2008 წელი). ულტრაბგერითი საშუალებების გამოყენება ხელს უწყობს მყარი დისპერსიული კატალიზატორის დაბინძურების პრობლემის შემცირებას კატალიზის დროს და ხელს უწყობს გაწმენდას კატალიზატორის გადამუშავების პროცესში.
ულტრაბგერითი კატალიზის მაგალითები
არსებობს მრავალი მაგალითი ულტრაბგერითი დახმარებით კატალიზებისთვის და ჰეტეროგენული კატალიზატორების ულტრაბგერითი მომზადებისთვის. ჩვენ გირჩევთ, სონოკატალიზი სტატია კენეტ სასლიკის მიერ ყოვლისმომცველი შესავლისთვის. Hielscher აწვდის ულტრაბგერით რეაქტორებს კატალიზატორების ან კატალიზის მოსამზადებლად, 
როგორიცაა კატალიზური ტრანსესტერიფიკაცია მეთილეტერების წარმოებისთვის (ანუ ცხიმოვანი მეთილესტერი = ბიოდიზელი).
ულტრაბგერითი მოწყობილობა სონოკატალიზისთვის
Hielscher აწარმოებს ულტრაბგერით მოწყობილობებს გამოსაყენებლად ნებისმიერი მასშტაბი და ა მრავალფეროვანი პროცესები. Ეს მოიცავს ლაბორატორიული სონიკა პატარა ფლაკონებში ასევე სამრეწველო რეაქტორები და ნაკადის უჯრედები. პირველადი პროცესის ტესტირებისთვის ლაბორატორიულ მასშტაბში UP400S (400 ვატი) არის ძალიან შესაფერისი. ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ჯგუფური პროცესებისთვის, ასევე შიდა სონიკაციისთვის. პროცესის ტესტირებისა და ოპტიმიზაციისთვის მასშტაბის გაზრდამდე, ჩვენ გირჩევთ გამოიყენოთ UIP1000hd (1000 ვატი), რადგან ეს ერთეული ძალიან ადაპტირებადია და შედეგები შეიძლება მასშტაბური იყოს ხაზოვანი ნებისმიერ უფრო დიდ სიმძლავრემდე. სრულმასშტაბიანი წარმოებისთვის ჩვენ გთავაზობთ ულტრაბგერით მოწყობილობებს მდე 10 კვტ და 16 კვტ ულტრაბგერითი ძალა. რამდენიმე ასეთი ერთეულის კლასტერები უზრუნველყოფს ძალიან მაღალ დამუშავების შესაძლებლობებს.
მოხარული ვიქნებით, რომ მხარი დავუჭიროთ თქვენი პროცესის ტესტირებას, ოპტიმიზაციას და მასშტაბებს. დაელაპარაკე შესაბამისი აღჭურვილობის შესახებ ან ეწვიეთ ჩვენს პროცესების ლაბორატორიას.
ლიტერატურა სონოკატალიზისა და ულტრაბგერითი დახმარებით კატალიზის შესახებ
სუსლიკი, კს; დიდენკო, ი. Fang, MM; ჰიონი, თ. კოლბეკი, კჯ; მაკნამარა, მსოფლიო ბანკი III; მდლელენი, მმ; Wong, M. (1999): აკუსტიკური კავიტაცია და მისი ქიმიური შედეგები, ფილ. ტრანს. როი. სოც. A, 1999, 357, 335-353.
სუსლიკი, კს; Skrabalak, SE (2008): “სონოკატალიზი” In Handbook of Heterogeneous Catalysis, ტ. 4; ერტლ, გ. კნზინგერი, ჰ. შთ, ფ. Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, გვ. 2006-2017 წ.