초음파는 향상된 질량 전달 및 에너지 입력에 의해 촉매 동안 촉매 반응성에 영향을 미칩니다. 촉매가 반응물과 다른 단계에있는 이기종 촉매에서 초음파 분산은 반응물질에 사용할 수있는 표면적을 증가시킵니다.

소노카탈리시스의 배경

촉매는 화학 반응이 증가합니다. 촉매에 의해 (또는 감소) 많은 화학 물질의 생산은 촉매를 포함합니다. 반응 속도에 미치는 영향은 속도 결정 단계에서 반응물의 접촉 빈도에 따라 달라집니다. 일반적으로, 촉매는 반응 생성물에게 대체 반응 경로를 제공함으로써 반응 속도를 증가시키고 활성화 에너지를 낮춥니까? 이를 위해 촉매는 하나 이상의 반응물과 반응하여 최종 생성물인 중간체를 형성한다. 후자의 단계는 촉매를 재생성한다. 의해 활성화 에너지 낮추기더 많은 분자 충돌은 전이 상태에 도달하는 데 필요한 에너지를 가지고 있습니다. 일부 경우에 촉매는 화학 반응의 선택성을 변경하여 사용된다.

그만큼 다이어그램 오른쪽은 Z를 생산하는 화학 반응 X+Y에서 촉매의 효과를 보여줍니다. 촉매는 더 낮은 활성화 에너지 Ea를 가진 대체 통로(녹색)를 제공한다.

초음파의 효과

액체의 음향 파장범위는 약 110~0.15mm이며, 18kHz와 10MHz 사이의 주파수에 대해서. 이것은 분자 치수보다 현저히 높은 수치입니다. 이러한 이유로, 화학 종의 분자와 음향 필드의 직접 결합이 없습니다. 초음파의 효과는 큰 정도의 결과 초음파 캐비테이션 액체에. 따라서 초음파 보조 촉매는 액체 상에 하나 이상의 시약이 필요합니다. 초음파는 이기종 및 균질 한 촉매에 기여합니다. 여러 가지 면에서. 개별 효과는 초음파 진폭 및 액체 압력을 조정하여 촉진되거나 감소 될 수 있습니다.

초음파 분산 및 유화

시약및 1상 이상의 촉매(이질성 촉매)를 포함하는 화학 반응은 촉매뿐만 아니라 시약이 존재하는 유일한 장소이기 때문에 위상 경계로 제한됩니다. 시약과 촉매의 노출은 서로 많은 다상 화학 반응의 핵심 요소. 이러한 이유로, 상 경계의 특정 표면적은 반응의 화학적 속도에 영향을 미칩니다.

초음파는 초음파에 대한 매우 효과적인 수단이다 고체의 분산 그리고 액체의 유화. 파티클/액적 크기를 줄임으로써 위상 경계의 총 표면적이 동시에 증가합니다. 왼쪽의 그래픽은 구형 입자 또는 액적의 경우 파티클 크기와 표면 적 사이의 상관 관계를 보여 줍니다(더 크게 보려면 클릭하십시오!). 위상 경계 표면이 증가함에 따라 화학 반응 속도도 증가합니다. 많은 재료의 경우 초음파 캐비테이션은 입자와 물방울을 만들 수 있습니다. 아주 미세한 크기 – 종종 100 나노미터 이하의 경우. 분산액 또는 에멀젼이 적어도 일시적으로 안정되면, 초음파는 초기 단계에서만 필요할 수 있습니다. 화학 반응의. 시약과 촉매의 초기 혼합을위한 인라인 초음파 반응기는 매우 짧은 시간과 높은 유량으로 미세 한 크기의 입자 / 방울을 생성 할 수 있습니다. 점성이 높은 매체에도 적용할 수 있습니다.

대량 전송

시약이 상 경계에서 반응하면 화학 반응의 제품이 접촉 표면에 축적됩니다. 이것은 이 상 경계에서 상호 작용에서 그밖 시약 분자를 차단합니다. 캐비테이션 제트 스트림과 음향 스트리밍으로 인한 기계적 전단 력은 입자 또는 액적 표면에서 입자 또는 액적 표면으로 난류 흐름과 재료 수송을 초래합니다. 물방울의 경우, 높은 전단은 새로운 물방울의 결합 및 후속 형성으로 이어질 수 있습니다. 화학 반응이 시간이 지남에 따라 진행됨에 따라, 반복 된 초음파 처리, 예를 들어 2 단계 또는 재순환, 시약의 노출을 최대화.

에너지 입력

초음파 캐비테이션은 화학 반응에 에너지를 넣습니다.. 고속 액체 제트, 고압의 조합 (>1000atm) 및 고온 (>5000K), 엄청난 가열 및 냉각 속도 (>(10)⁹Ks^-1)은 캐비테이션 기포의 파열 압축 중에 국소적으로 농축됩니다. 케네스 서슬릭 말한다: “캐비테이션은 소리의 확산 에너지를 화학적으로 사용할 수 있는 형태로 집중하는 특별한 방법입니다.”

반응성 증가

입자 표면의 캐비테이션 침식 통과되지 않은 반응성이 높은 표면생성. 수명이 짧은 고온 및 압력은 분자 분해 및 반응성 증가 많은 화학 종의. 초음파 조사는 촉매의 준비에 사용될 수있다, 예를 들어 미세 크기의 입자의 응집체를 생산하는. 이것은 비정질 촉매를 생성합니다. 높은 특정 표면의 입자 영역. 이러한 골재 구조로 인해, 이러한 촉매는 반응 제품(즉, 여과에 의해)으로부터 분리될 수 있다.

초음파 세척

종종 촉매는 시약의 원치 않는 부산물, 오염 또는 불순물을 포함합니다. 이것은 고체 촉매의 표면에 저하 및 파울로 이어질 수 있습니다. 파울링은 노출된 촉매 표면을 감소시키고 따라서 효율성을 감소시킵니다. 공정 중에 또는 다른 공정 화학 물질을 사용하여 재활용 간격으로 제거할 필요가 없습니다. 초음파는 효과적인 수단입니다. 촉매를 세척하거나 촉매 재활용 공정을 지원. 초음파 세척은 아마도 초음파의 가장 일반적이고 알려진 응용 프로그램입니다. 최대 10의 캐비테이션 액체 제트 및 충격파의 충돌⁴ATM은 지역화된 전단력, 침식 및 표면 피팅을 만들 수 있습니다. 미세 한 크기의 입자의 경우, 고속 입자 간 충돌은 표면 침식으로 이어질 심지어 연삭 및 밀링. 이러한 충돌로 인해 약 3000K의 국소 과도 충격 온도가 발생할 수 있습니다. Suslick는 초음파를 효과적으로 입증했습니다. 표면 산화물 코팅 제거. 이러한 패시베이팅 코팅을 제거하면 다양한 반응에 대한 반응 속도가 크게 향상됩니다(수슬릭 2008). 초음파의 응용 프로그램은 촉매 동안 고체 분산 촉매의 오염 문제를 낮추는 데 도움이 촉매 재활용 과정에서 청소에 기여한다.

초음파 촉매의 예

초음파 보조 촉매및 이질성 촉매의 초음파 준비에 대한 많은 예가 있습니다. 우리는 추천합니다. 소뇌 촉매 작용 기사 케네스 수슬릭 포괄적인 소개를 위해. Hielscher는 촉매 또는 촉매 의 준비를위한 초음파 반응기를 공급하고, 와 같은 메틸스터 생산을 위한 촉매 성 트랜스에스테르화 (즉, 지방 메틸스터 = 바이오 디젤).

초음파 촉매용 초음파 장비

Hielscher는 초음파 장치를 제조하여 모든 규모 그리고 다양한 공정. 여기에는 다음이 포함됩니다. 실험실 초음파 처리 작은 바이알뿐만 아니라 산업용 반응기 및 유동 셀. 실험실 스케일의 초기 공정 테스트의 경우 UP400S (400 와트) 매우 적합합니다. 그것은 배치 공정뿐만 아니라 인라인 초음파 처리에 사용할 수 있습니다. 확장하기 전에 공정 테스트 및 최적화를 위해 UIP1000hd (1000 와트)이 장치는 매우 적응력이 뛰어나고 결과가 더 큰 용량으로 선형으로 조정됩니다. 본격적인 생산을 위해 우리는 최대 초음파 장치를 제공합니다. 10kW 과 16kW 초음파 전원. 이러한 여러 단위의 클러스터는 매우 높은 처리 용량을 제공합니다.

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소노카탈리해와 초음파 보조 촉매에 관한 문헌

Suslick, K. S.; Didenko, Y.; 팡, M. M.; 현, T.; Kolbeck, K. J.; 맥 나 마라, W. B. III; Mdleleni, M. M.; 웡, M. (1999 년): 음향 현상과 그 화학 결과에서: 필 운송으로이. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, KS; Skrabalak, SE (2008) : “소뇌 촉매 작용” 이기종 촉매의 수첩에서, 권 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; 슈트, 에프; 위트캄프, 제이, 에드; 와일리-VCH: 와인하임, 2008년, pp. 2006-2017.