초음파촉매 작용 – 초음파 보조 촉매 작용

초음파는 향상된 질량 전달 및 에너지 입력에 의해 촉매 작용 중 촉매 반응성에 영향을 미칩니다. 촉매가 반응물과 다른 상에있는 이종 촉매 작용에서 초음파 분산은 반응물이 사용할 수있는 표면적을 증가시킵니다.

Sonocatalysis의 배경

촉매 작용은 a의 속도가 화학 반응이 증가한다 (또는 감소) 촉매에 의해. 많은 화학 물질의 생산에는 촉매 작용이 포함됩니다. 반응 속도에 대한 영향은 속도 결정 단계에서 반응물의 접촉 빈도에 따라 달라집니다. 일반적으로 촉매는 반응 생성물에 대한 대체 반응 경로를 제공함으로써 반응 속도를 증가시키고 활성화 에너지를 낮춥니다. 이를 위해 촉매는 하나 이상의 반응물과 반응하여 중간체를 형성하고 이후에 최종 생성물을 생성합니다. 후자의 단계는 촉매를 재생합니다. 곁에 활성화 에너지를 낮추는 방법, 더 많은 분자 충돌은 전이 상태에 도달하는 데 필요한 에너지를 갖습니다. 어떤 경우에는 촉매가 사용되어 화학 반응의 선택성을 변경합니다.

이 다이어그램 오른쪽은 화학 반응 X+Y에서 촉매가 Z를 생성하는 효과를 보여줍니다. 촉매는 활성화 에너지 Ea가 낮은 대체 경로(녹색)를 제공합니다.

초음파의 효과

액체의 음향 파장 범위는 18kHz에서 10MHz 사이의 주파수에 대해 약 110에서 0.15mm입니다. 이것은 분자 치수보다 훨씬 높습니다. 이러한 이유로 음각과 화학 종의 분자와의 직접적인 결합은 없습니다. 초음파의 효과는 대체로 다음과 같은 결과입니다. 초음파 캐비테이션 액체에서. 따라서 초음파 보조 촉매 작용은 적어도 하나의 시약이 액체 상태여야 합니다. 초음파는 이종 및 균질 촉매 작용에 기여합니다 여러모로. 개별 효과는 초음파 진폭과 액체 압력을 조정하여 촉진하거나 줄일 수 있습니다.

초음파 분산 및 유화

시약과 하나 이상의 상 촉매(이종 촉매)를 포함하는 화학 반응은 시약과 촉매가 존재하는 유일한 장소이기 때문에 상 경계로 제한됩니다. 시약과 촉매의 서로에 대한 노출은 다음과 같습니다. 많은 다상 화학 반응의 핵심 요소. 이러한 이유로, 상 경계의 비표면적은 화학적 반응 속도에 영향을 미칩니다.

초음파는 매우 효과적인 수단입니다. 고체의 분산 그리고 에 대한 액체의 유화. 입자/액적 크기를 줄이면 위상 경계의 전체 표면적도 동시에 증가합니다. 왼쪽 그래픽은 구형 입자 또는 액적(클릭하면 더 크게 볼 수 있습니다!). 위상 경계면이 증가함에 따라 화학 반응 속도도 증가합니다. 많은 재료의 경우 초음파 캐비테이션은 입자와 물방울을 만들 수 있습니다. 아주 미세한 크기 – 종종 100나노미터보다 훨씬 낮습니다.. 분산 또는 에멀젼이 적어도 일시적으로 안정되면, 초음파는 초기 단계에서만 필요할 수 있습니다 화학 반응의. 시약과 촉매의 초기 혼합을 위한 인라인 초음파 반응기는 매우 짧은 시간과 높은 유속으로 미세한 크기의 입자/액적을 생성할 수 있습니다. 점도가 높은 매체에도 적용할 수 있습니다.

대량 전송

시약이 상 경계에서 반응하면 화학 반응의 생성물이 접촉면에 축적됩니다. 이것은 다른 시약 분자가 이 상 경계에서 상호 작용하는 것을 차단합니다. 캐비테이션 제트 기류 및 음향 스트리밍으로 인한 기계적 전단력은 입자 또는 액적 표면에서 난류 및 재료 운반을 초래합니다. 액적의 경우, 높은 전단력으로 인해 유착이 발생하고 그에 따라 새로운 액적이 형성될 수 있습니다. 화학 반응이 시간이 지남에 따라 진행됨에 따라 반복적 인 초음파 처리, 예 : 2 단계 또는 재순환이 필요할 수 있습니다. 시약의 노출을 최대화합니다..

에너지 입력

초음파 캐비테이션은 독특한 방법입니다. 화학 반응에 에너지를 투입하다. 고속 액체 제트, 고압(>1000atm) 및 고온(>5000K), 엄청난 가열 및 냉각 속도(>10⁹Ks 님^-1)는 캐비테이션 기포의 내파 압축 중에 국부적으로 집중되어 발생합니다. 케네스 서슬릭 말한다: “캐비테이션은 소리의 확산 에너지를 화학적으로 사용 가능한 형태로 집중시키는 특별한 방법입니다.”

반응성 증가

입자 표면의 캐비테이션 침식(Cavitational erosion) 부동태화되지 않은 고반응성 표면 생성. 단기간의 고온과 압력은 다음과 같은 원인에 기여합니다. 분자 분해 및 반응성 증가 많은 화학 종의. 초음파 조사는 예를 들어 미세한 입자의 응집체를 생산하기 위해 촉매의 제조에 사용할 수 있습니다. 비정질 촉매을(를) 만들어냄 높은 비표면의 입자 지역. 이러한 응집체 구조로 인해 이러한 촉매는 반응 생성물로부터 분리될 수 있습니다(즉, 여과에 의해).

초음파 세척

종종 촉매 작용에는 시약의 원치 않는 부산물, 오염 또는 불순물이 포함됩니다. 이는 고체 촉매의 표면에서 성능 저하 및 오염을 유발할 수 있습니다. 오염은 노출된 촉매 표면을 감소시켜 효율성을 감소시킵니다. 공정 중 또는 다른 공정 화학 물질을 사용하는 재활용 간격에 제거할 필요가 없습니다. 초음파는 효과적인 수단입니다. 촉매를 청소하거나 촉매 재활용 프로세스를 지원합니다.. 초음파 세척은 아마도 초음파의 가장 일반적이고 알려진 응용 분야 일 것입니다. 캐비테이션 액체 제트의 충돌과 최대 10의 충격파⁴ATM은 국부적인 전단력, 침식 및 표면 공식을 생성할 수 있습니다. 미세한 크기의 입자의 경우, 고속 입자 간 충돌은 표면 침식을 유발하고 연삭 및 밀링. 이러한 충돌은 약 3000K의 국부적인 과도 충격 온도를 유발할 수 있습니다. Suslick는 그 초음파를 효과적으로 입증했습니다. 표면 산화물 코팅 제거. 이러한 부동태화 코팅을 제거하면 다양한 반응(Suslick 2008). 초음파의 적용은 촉매 작용 중 고체 분산 촉매의 오염 문제를 낮추는 데 도움이 되며 촉매 재활용 공정 중 세척에 기여합니다.

초음파 촉매 작용의 예

초음파 보조 촉매 작용 및 이종 촉매의 초음파 제조에 대한 수많은 예가 있습니다. 권장 사항 초음파촉매 작용 작성자: Kenneth Suslick 포괄적인 소개를 위해. Hielscher는 촉매 또는 촉매 제조를위한 초음파 반응기를 공급하며, 와 같은 메틸에스테르 생산을 위한 촉매 에스테르 교환(즉, 지방 메틸에스테르 = 바이오디젤).

Sonocatalysis를 위한 초음파 장비

Hielscher는 다음에서 사용할 수있는 초음파 장치를 제조합니다. 모든 규모 그리고 다양한 프로세스. 여기에는 다음이 포함됩니다 실험실 초음파 처리 작은 바이알뿐만 아니라 산업용 반응기 및 플로우 셀. 실험실 규모에서 초기 공정 테스트의 경우 UP400S(400와트) 매우 적합합니다. 배치 프로세스뿐만 아니라 인라인 초음파 처리에도 사용할 수 있습니다. 스케일 업 전에 프로세스 테스트 및 최적화를 위해 다음을 사용하는 것이 좋습니다. UIP1000hd (1000 와트), 이 단위는 매우 적응력이 뛰어나고 결과는 더 큰 용량으로 선형으로 확장됩니다. 본격적인 생산을 위해 우리는 최대 초음파 장치를 제공합니다. 10kW 그리고 16kW 초음파 전력. 이러한 여러 장치의 클러스터는 매우 높은 처리 용량을 제공합니다.

프로세스 테스트, 최적화 및 확장을 지원하게 되어 기쁩니다. 상담하기 적합한 장비에 대해 또는 공정 연구소 방문하기.

Sonocatalysis 및 Ultrasonically Assisted Catalysis에 관한 문헌

서슬릭, K. S.; 디덴코, Y.; 팡, M. M.; 현, T.; 콜벡, K. J.; 맥나마라, W. B. III; 므들레레니, M. M.; 웡, M. (1999) : 음향 캐비테이션과 그 화학적 결과, in: Phil. Trans. Roy. 사회. A, 1999년, 357, 335-353.

서슬릭, K. S.; Skrabalak, SE (2008) : “초음파촉매 작용” Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; 에르틀, G.; 크칭거, H.; 슈트, F.; Weitkamp, J., 편집; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.