Sonication을 통한 개선된 Fischer-Tropsch 촉매
초음파를 이용한 Fischer-Tropsch 촉매의 합성 개선 : 촉매 입자의 초음파 처리는 여러 가지 목적으로 사용됩니다. 초음파 합성은 높은 촉매 활성을 갖는 변형되거나 기능화된 나노 입자를 생성하는 데 도움이 됩니다. 소모되고 중독된 촉매는 초음파 표면 처리로 쉽고 빠르게 회수할 수 있으며, 이는 촉매에서 불활성화 오염을 제거합니다. 마지막으로, 초음파 응집 및 분산은 촉매 입자의 균일한 단일 분산 분포를 초래하여 최적의 촉매 변환을 위한 높은 활성 입자 표면과 물질 전달을 보장합니다.
피셔-트롭쉬 공정을 위한 초음파 촉매 준비의 장점
초음파 처리는 주로 촉매 형태와 활성 부위 분포에 대한 미세 제어를 유도하는 능력으로 인해 피셔-트롭쉬 촉매 합성에 상당한 이점을 제공합니다. 초음파에 의해 생성된 고에너지 캐비테이션은 빠른 혼합과 전구체 물질의 효과적인 응집 제거를 보장하여 입자 크기 분포가 매우 균일하고 표면적이 증가합니다. 이렇게 균질성이 향상되면 활성 성분이 더 많이 분산되어 접근 가능한 반응 부위의 수를 최대화하는 데 중요합니다. 또한, 제어된 혼합 동역학은 종종 매우 안정적이고 다공성 구조를 형성하여 가혹한 반응 조건에서 촉매의 촉매 성능, 선택성 및 장기적인 안정성을 향상시킵니다.
소닉 에이터 UIP1500hdT 피셔-트롭쉬 촉매의 초음파 화학 합성을 위한 플로우셀을 이용한
촉매에 대한 초음파 효과
고출력 초음파는 화학 반응에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 잘 알려져 있습니다. 강렬한 초음파가 액체 매체에 도입되면 음향 캐비테이션이 생성됩니다. 초음파 캐비테이션은 최대 5,000K의 매우 높은 온도, 약 2,000atm의 압력 및 최대 280m/s 속도의 액체 제트로 국부적으로 극한 조건을 생성합니다. 음향 캐비테이션 현상과 화학 과정에 미치는 영향은 sonochemistry라는 용어로 알려져 있습니다.
초음파의 일반적인 응용 분야는 이질적인 촉매의 준비입니다 : 초음파 캐비테이션 힘은 캐비테이션 침식이 부동태화되지 않은 매우 반응성이 높은 표면을 생성함에 따라 촉매의 표면적을 활성화합니다. 또한, 질량 전달은 난류 액체 흐름에 의해 크게 개선됩니다. 음향 캐비테이션으로 인한 높은 입자 충돌은 분말 입자의 표면 산화물 코팅을 제거하여 촉매 표면의 재활성화를 초래합니다.
팔라듐 도핑 촉매의 합성 초음파 처리기 UIP1000hdT 사용
연구 및 이미지: ©프레콥 외, 2020
Fischer-Tropsch 촉매의 초음파 제조
Fischer-Tropsch 공정에는 일산화탄소와 수소의 혼합물을 액체 탄화수소로 변환하는 여러 화학 반응이 포함됩니다. Fischer-Tropsch 합성을 위해 다양한 촉매를 사용할 수 있지만 가장 자주 사용되는 것은 전이 금속 코발트, 철 및 루테늄입니다. 고온 Fischer-Tropsch 합성은 철 촉매로 작동됩니다.
Fischer-Tropsch 촉매는 황 함유 화합물에 의한 촉매 중독에 취약하기 때문에 초음파 재활성화는 완전한 촉매 활성과 선택성을 유지하는 데 매우 중요합니다.
- 침전 또는 결정화
- (나노-) 크기와 모양이 잘 제어된 입자
- 수정되고 기능화된 표면 속성
- 도핑된 입자 또는 코어-쉘 입자의 합성
- 메조다공성 구조화
Core-Shell 촉매의 초음파 합성
코어-쉘 나노 구조는 나노 입자를 분리하고 촉매 반응 중 이동 및 유착을 방지하는 외부 쉘로 캡슐화되고 보호되는 나노 입자입니다
Pirola et al. (2010)은 활성 금속의 부하가 높은 실리카 지원 철 기반 Fischer-Tropsch 촉매를 제조했습니다. 그들의 연구에서 실리카 지지체의 초음파 보조 함침은 금속 증착을 개선하고 촉매 활성을 증가시키는 것으로 나타났습니다. Fischer-Tropsch 합성의 결과는 초음파로 제조 된 촉매가 특히 아르곤 분위기에서 초음파 함침을 수행 할 때 가장 효율적인 것으로 나타났습니다.
UIP2000hdT 님 – 2kW의 강력한 음파 발생기 를 사용하여 촉매제를 준비합니다.
초음파 촉매 재활성화
초음파 입자 표면 처리는 사용한 촉매와 불활성화된 촉매를 재생 및 재활성화하는 빠르고 간편한 방법입니다. 촉매의 재생성을 통해 재 활성화 및 재사용이 가능하므로 경제적이고 환경 친화적인 공정 단계입니다.
초음파 입자 처리는 촉매 입자에서 비활성화된 부동화 층, 오염 및 불순물을 제거하여 촉매 반응을 위한 부위를 차단합니다. 사용한 촉매 슬러리를 초음파 처리하면 촉매 입자 표면이 제트 세척되어 촉매 활성 부위에서 침전물이 제거됩니다. 초음파 처리 후 촉매 활성은 신선한 촉매와 동일한 효과로 회복됩니다. 또한 초음파 처리는 응집체를 파괴하고 단일 분산 입자의 균일하고 균일 한 분포를 제공하여 입자 표면적을 증가시켜 활성 촉매 부위를 증가시킵니다. 따라서 초음파 촉매 회수는 활성 표면적이 높은 재생 촉매의 수율을 높여 질량 전달을 개선합니다.
초음파 촉매 재생은 광물 및 금속 입자, (메조) 다공성 입자 및 나노 복합 재료에 대해 작동합니다.
Read more about ultrasonic regeneration of spent catalysts!
피셔-트롭쉬 촉매의 초음파 화학 합성을 위한 고성능 소닉레이터
Hielscher 초음파 처리기는 견고한 설계, 정밀성 및 확장성으로 인해 촉매 합성 분야에서 선호도가 높으며 일반 초음파 처리 장비에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 이 장치는 정밀하게 제어 가능한 고강도 초음파 에너지를 제공하며, 이는 전구체 물질의 균일한 분산을 달성하고 촉매 입자의 정밀한 핵 형성 및 성장을 촉진하는 데 매우 중요합니다. 정교한 제어 시스템을 통해 연구자들은 출력 및 펄스 지속 시간과 같은 파라미터를 정확하게 조절할 수 있어 재료 과학에서 중요한 요소인 재현 가능한 실험 결과를 보장할 수 있습니다. 또한 Hielscher 초음파 처리기는 내구성이 뛰어나고 소규모 실험실 배치부터 파일럿 플랜트 운영에 이르기까지 다양한 규모를 처리할 수 있어 유망한 촉매 배합을 벤치 규모 연구에서 산업 응용 분야로 효율적으로 전환할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 독일의 엔지니어링 및 제조 표준은 Hielscher 초음파 장비가 과부하 상태에서 연중무휴 24시간 안정적으로 작동할 수 있도록 보장합니다.
아래 표는 초음파 발생기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
문의! / 저희에게 물어보세요!
알아 둘 만한 가치가 있는 사실
피셔-트롭쉬 반응이란 무엇인가요?
피셔-트롭쉬 반응은 일산화탄소와 수소의 혼합물인 합성 가스를 알칸, 알켄, 왁스 및 액체 연료와 같은 탄화수소로 전환하는 촉매 화학 공정입니다. 석탄, 천연가스, 바이오매스 또는 CO₂ 유래 합성 가스로부터 합성 연료와 화학 물질을 생산하는 중요한 경로입니다.
피셔-트롭쉬 촉매란 무엇인가요?
피셔-트롭쉬 촉매는 일산화탄소와 수소의 수소화 및 탄화수소로의 연쇄 전환을 촉진하는 고체 촉매 물질입니다. 가장 널리 사용되는 활성 금속은 철, 코발트, 루테늄이며 표면적, 안정성 및 선택성을 향상시키기 위해 알루미나, 실리카, 티타니아 또는 탄소와 같은 물질에 지지되는 경우가 많습니다.
피셔-트롭쉬 반응은 어떤 산업에서 사용되나요?
피셔-트롭쉬 반응은 합성 연료 산업, 석유화학 산업, 가스-액체 생산, 석탄-액체 생산, 바이오매스-액체 생산, 떠오르는 전력-액체 및 탄소 포집 활용 부문에서 사용됩니다. 특히 디젤, 제트 연료, 윤활유, 왁스, 올레핀 및 기타 탄화수소 공급 원료 생산과 관련이 있습니다.
피셔-트롭쉬 촉매의 응용 분야는 무엇인가요?
Fischer-Tropsch 합성은 합성 가스 (CO와 H의 혼합물)에서 연료 및 화학 물질의 생산에 적용되는 촉매 공정의 범주입니다.2)일 수 있습니다.
천연 가스, 석탄 또는 바이오매스에서 파생된 Fischer-Tropsch 공정에서 파생된 전이 금속 함유 촉매는 석탄, 천연 가스, 바이오매스 및 폐기물과 같은 다양한 탄소 함유 자원에서 파생될 수 있는 매우 기본적인 출발 물질인 수소 및 일산화탄소로부터 탄화수소를 생성하는 데 사용됩니다.
문헌 / 참고문헌
- Prekob, Á., Muránszky, G., Kocserha, I. et al. (2020): Sonochemical Deposition of Palladium Nanoparticles Onto the Surface of N-Doped Carbon Nanotubes: A Simplified One-Step Catalyst Production Method. Catalysis Letters 150, 2020. 505–513.
- Hajdu Viktória; Prekob Ádám; Muránszky Gábor; Kocserha István; Kónya Zoltán; Fiser Béla; Viskolcz Béla; Vanyorek László (2020): Catalytic activity of maghemite supported palladium catalyst in nitrobenzene hydrogenation. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 2020.
- Pirola, C.; Bianchi, C.L.; Di Michele, A.; Diodati, P.; Boffito, D.; Ragaini, V. (2010): Ultrasound and microwave assisted synthesis of high loading Fe-supported Fischer–Tropsch catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Vol.17/3, 2010, 610-616.
- Suslick, K.S.; Hyeon, T.; Fang, M.; Cichowlas, A. A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering A204, 1995, 186-192.
