Verbessert Fischer-Tropsch-Katalysatoren duerch Ultraschallbehandlung

Verbessert Synthes vu Fischer-Tropsch-Katalysatore mat Ultraschall: D’Ultraschallbehandlung vu Katalysatorpartikele gëtt fir verschidden Zwecker agesat. D’Ultraschallsynthes hëlleft, modifizéiert oder funktionaliséiert Nanopartikelen hierzestellen, déi eng héich katalytesch Aktivitéit hunn. Verbrauchte a vergëfte Katalysatore kënnen duerch eng Ultraschallbehandlung vun der Uewerfläch, déi inaktivéierend Beläg vum Katalysator ewechhëlt, einfach a séier regeneréiert ginn. Schlussendlech féieren d’Desagglomeratioun an d’Dispersioun duerch Ultraschall zu enger gläichméisseger, monodisperser Verdeelung vun de Katalysatorpartikelen, fir eng grouss aktiv Partikeluewerfläch an e gudde Stofftransport fir eng optimal katalytesch Ëmsetzung ze garantéieren.

Virdeeler vun der Ultraschallpreparatioun vu Katalysatore fir Fischer-Tropsch-Prozesser

D’Ultraschallbehandlung bitt bedeitend Virdeeler bei der Synthes vu Fischer-Tropsch-Katalysatoren, virun allem well se eng präzis Kontroll iwwer d’Morphologie vum Katalysator an d’Verdeelung vun den aktiven Zentren erméiglecht. Déi energieräich Kavitatioun, déi duerch Ultraschallwellen entsteet, garantéiert eng séier Vermëschung an eng effektiv Desagglomeratioun vun de Virleefermaterialien, wat zu enger ganz gläichméisseger Partikelgréissteverdeelung an enger méi grousser Uewerfläch féiert. Dës verbessert Homogenitéit féiert zu enger méi feiner Verdeelung vun den aktive Komponenten, wat entscheedend ass, fir d’Zuel vun den zougängleche Reaktiounszentren ze maximéieren. Ausserdeem féiert déi kontrolléiert Mëschkinetik dacks zur Bildung vu ganz stabilen a poréise Strukturen, wouduerch d’katalytesch Leeschtung, d’Selektivitéit an d’Laangzäitstabilitéit vum Katalysator ënner haarde Reaktiounsbedéngunge verbessert ginn.

Auswierkunge vun Ultraschall op Katalysatoren

Héichleeschtungsultraschall ass fir säi positiven Afloss op chemesch Reaktioune bekannt. Wann intensiv Ultraschallwellen an e flëssegt Medium ageleet ginn, entsteet akustesch Kavitatioun. Ultraschallkavitatioun erzeugt lokal extrem Bedéngunge mat ganz héijen Temperature vu bis zu 5.000K, Drécker vun ongeféier 2.000atm a Flëssegkeetsstrale mat Vitessë vu bis zu 280m/s. D’Phenomeen vun der akustescher Kavitatioun a seng Auswierkungen op chemesch Prozesser sinn ënner dem Begrëff Sonochemie bekannt.
Eng heefeg Uwendung vun Ultraschall ass d’Preparatioun vun heterogene Katalysatoren: D’Kräfte vun der Ultraschallkavitatioun aktivéieren d’Uewerfläch vum Katalysator, well d’Kavitatiounserosioun net passivéiert, héichreaktiv Uewerflächen erzeugt. Ausserdeem gëtt de Stofftransport duerch déi turbulent Flëssegkeetsstréimung däitlech verbessert. Déi staark Partikelkollisiounen, déi duerch akustesch Kavitatioun verursaacht ginn, huelen Oxidschichte vun der Uewerfläch vu Pudderpartikelen ewech, wat zur Reaktivéierung vun der Katalysatoruewerfläch féiert.

Ultraschallsynthes vun engem mat Palladium dotéierte Katalysator. Den Ultraschallapparat UIP1000hdT gëtt benotzt, fir Palladiumionen zu Pd-Nanopartikelen ze reduzéieren an dës op der Uewerfläch vu mat Stéckstoff dotéierte Kuelestoffnanoréiercher (N-BCNT) ofzescheeden.

Synthes vun engem mat Palladium dotéierte Katalysator mam Ultraschallapparat UIP1000hdT
Etüd a Bild: ©Prekob et al., 2020

Ultraschallpreparatioun vu Fischer-Tropsch-Katalysatoren

De Fischer-Tropsch-Prozess ëmfaasst verschidde chemesch Reaktiounen, déi eng Mëschung aus Kuelemonoxid a Waasserstoff a flësseg Kuelewaasserstoffer ëmwandelen. Fir d’Fischer-Tropsch-Synthes kënne verschidde Katalysatoren agesat ginn, mee am heefegste ginn d’Iwwergangsmetaller Kobalt, Eisen a Ruthenium benotzt. D’Fischer-Tropsch-Synthes bei héijen Temperature gëtt mat engem Eisekatalysator duerchgefouert.
Well Fischer-Tropsch-Katalysatoren ufälleg fir eng Katalysatorvergëftung duerch schwiefelhalteg Verbindunge sinn, ass d’Reaktivéierung duerch Ultraschall vu grousser Bedeitung, fir déi voll katalytesch Aktivitéit a Selektivitéit ze erhalen.

Virdeeler vun der Ultraschallsynthes vu Katalysatoren

Ausfällung oder Kristalliséierung
(Nano-)Partikele mat gutt kontrolléierter Gréisst a Form
Modifizéiert a funktionaliséiert Uewerflächeneegenschaften
Synthes vun dotéierten oder Kär-Schuel-Partikelen
Mesoporéis Strukturéierung

Ultraschallsynthes vu Kär-Schuel-Katalysatoren

Kär-Schuel-Nanostrukture si Nanopartikelen, déi vun enger baussenzeger Schuel ëmgi a geschützt sinn, déi d’Nanopartikelen isoléiert an hir Migratioun a Koaleszenz wärend de katalytesche Reaktioune verhënnert

Pirola et al. (2010) hunn eisenbaséiert Fischer-Tropsch-Katalysatoren op engem Siliciumdioxidträger mat enger héijer Beluedung mat aktivem Metall hiergestallt. Hir Etüd weist, datt d’ultraschallënnerstëtzt Imprägnéierung vum Siliciumdioxidträger d’Metallofscheedung verbessert an d’Aktivitéit vum Katalysator erhéicht. D’Resultater vun der Fischer-Tropsch-Synthes hunn déi duerch Ultraschallbehandlung hiergestallte Katalysatoren als déi effizientst ausgewisen, besonnesch wann d’Ultraschallimprägnéierung an enger Argonatmosphär duerchgefouert gëtt.

An dësem Video ass en Hielscher Ultraschallhomogenisator UP200St mat 200 Watt an enger 7mm Sonotrod un engem Standardglasuschloss um Buedem vun engem Glasreakter montéiert. D'Montage kann horizontal, vertikal oder an all aner Richtung erfollegen. Verschidden Ultraschallsonde kënnen un engem Reakterbehälter montéiert ginn – zum Beispill op ënnerschiddlechen Héichten. Dacks gëtt eng Installatioun vun der Säit oder vun ënnen bevorzugt, well se bei variéierende Flëssegkeetsniveaue besser funktionéiert. D'Ultraschallagitatioun kann mat konventionelle Rührwierker vun uewe kombinéiert ginn.

Reaktivéierung vu Katalysatoren duerch Ultraschall

D’Ultraschallbehandlung vu Partikeluewerflächen ass eng séier an einfach Method, fir verbrauchten a passivéiert Katalysatoren ze regeneréieren an ze reaktivéieren. D’Regeneréierbarkeet vum Katalysator erméiglecht seng Reaktivéierung a säi Widderasaz an ass domat e wirtschaftlechen an ëmweltfrëndleche Prozessschrëtt.
D’Ultraschallbehandlung vu Partikelen hëlt inaktivéierend Passivéierungsschichten, Beläg a Veronrengegunge vum Katalysatorpartikel ewech, déi Zentre fir d’katalytesch Reaktioun blockéieren. D’Ultraschallbehandlung vun enger Suspensioun vu verbrauchtem Katalysator féiert dozou, datt d’Uewerfläch vun de Katalysatorpartikelen duerch Flëssegkeetsstrale gewäsch gëtt, wouduerch Oflagerunge vum katalytesch aktiven Zentrum ewechgeholl ginn. No der Ultraschallbehandlung gëtt d’Aktivitéit vum Katalysator op déiselwecht Wierksamkeet wéi bei engem frësche Katalysator zeréckbruecht. Ausserdeem brécht d’Ultraschallbehandlung Agglomerater op a suergt fir eng homogen, gläichméisseg Verdeelung vu monodisperse Partikelen, wat d’Partikeluewerfläch an domat de katalytesch aktive Beräich vergréissert. Dofir liwwert d’Regeneréierung vu Katalysatoren duerch Ultraschall regeneréiert Katalysatore mat enger grousser aktiver Uewerfläch fir e verbesserte Stofftransport.
D’Regeneréierung vu Katalysatoren duerch Ultraschall funktionéiert fir Mineral- a Metallpartikelen, (meso-)poréis Partikelen an Nanokompositten.
Liest méi iwwer d’Regeneréierung vu verbrauchte Katalysatoren duerch Ultraschall!

Héichleeschtungsultraschallapparater fir d’sonochemesch Synthes vu Fischer-Tropsch-Katalysatoren

Hielscher Ultraschallapparater si bei der Katalysatorsynthes wéinst hirer robuster Bauweis, hirer Prezisioun an hirer Skaléierbarkeet ganz beléift a bidden däitlech Virdeeler géintiwwer allgemengen Ultraschallapparater. Dës Apparater liwwere präzis kontrolléierbar Ultraschallenergie mat héijer Intensitéit, wat entscheedend ass, fir eng gläichméisseg Dispersioun vu Virleefermaterialien z’erreechen an eng präzis Keimbildung an e präzise Wuesstum vu Katalysatorpartikelen ze erméiglechen. Déi sophistikéiert Steierungssystemer erméiglechen de Fuerscher, Parametere wéi d’Ofgabeleeschtung an d’Impulsdauer genee ze reegelen, a garantéieren esou reproduzéierbar Versuchsresultater – en entscheedende Faktor an der Materialwëssenschaft. Ausserdeem sinn Hielscher Ultraschallapparater fir hir Haltbarkeet an hir Fäegkeet bekannt, verschidde Moossstief ze bewältegen, vu klenge Laborchargë bis zum Betrib vu Pilotanlagen. Doduerch erméiglechen si den effizienten Iwwergang vu villverspriechende Katalysatorformuléierungen aus der Fuerschung am Labormoossstaf an d’industriell Uwendung. Däitsch Ingenieurs- a Fabrikatiounsstandarde garantéieren, datt Hielscher Ultraschallapparater zouverlässeg am 24/7-Betrib ënner héijer Belaaschtung bedriwwe kënne ginn.

Déi follgend Tabell gëtt Iech en Unhaltspunkt fir déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:

Chargevolumen	Duerchfloss	Recommandéiert Apparater
1 bis 500mL	10 bis 200mL/min	UP100H
10 bis 2000mL	20 bis 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 bis 20L	0,2 bis 4L/min	UIP2000hdT
10 bis 100L	2 bis 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 bis 100L/min	UIP16000
n.a.	méi héich	Verbund vun UIP16000

Kontaktéiert eis! / Stellt eis Är Froen!

Wëssenswäertes

Wat ass d’Fischer-Tropsch-Reaktioun?

D’Fischer-Tropsch-Reaktioun ass e katalytesche chemesche Prozess, deen Synthesegas, eng Mëschung aus Kuelemonoxid a Waasserstoff, a Kuelewaasserstoffer wéi Alkaner, Alkener, Wuessen a flësseg Brennstoffer ëmwandelt. Si ass e wichtege Wee fir d’Produktioun vu syntheetesche Brennstoffer a Chemikalien aus Kuel, Äerdgas, Biomass oder Synthesegas, dat aus CO₂ gewonnen ass.

Wat ass e Fischer-Tropsch-Katalysator?

E Fischer-Tropsch-Katalysator ass e feste katalytesche Material, dat d’Hydrogenéierung an d’Ëmsetzung vu Kuelemonoxid mat Waasserstoff zu Kuelewaasserstoffer duerch Kettewuesstum fërdert. Déi am meeschte benotzten aktiv Metaller sinn Eisen, Kobalt a Ruthenium, déi dacks op Trägermaterialie wéi Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid oder Kuelestoff opgedroe sinn, fir d’Uewerfläch, d’Stabilitéit an d’Selektivitéit ze verbesseren.

Wéi eng Industrien notze Fischer-Tropsch-Reaktiounen?

Fischer-Tropsch-Reaktioune ginn an der Industrie fir syntheetesch Brennstoffer, an der petrochemescher Industrie, bei der Produktioun vu flëssege Produkter aus Gas, Kuel a Biomass an an den opkommende Secteure fir d’Produktioun vu flëssege Produkter mat Stroum a fir d’Ofscheedung an d’Notzung vu Kuelendioxid agesat. Si si besonnesch relevant fir d’Produktioun vun Diesel, Fligerbrennstoff, Schmiermëttelen, Wuessen, Olefinen an anere Kuelewaasserstoffgrondstoffer.

Wat sinn d’Uwendunge vu Fischer-Tropsch-Katalysatoren?

D’Fischer–Tropsch-Synthes ass eng Kategorie vu katalytesche Prozesser, déi bei der Produktioun vu Brennstoffer a Chemikalien aus Synthesegas (Mëschung aus CO an H₂), dat aus Äerdgas, Kuel oder Biomass gewonne ka ginn, agesat ginn. Beim Fischer-Tropsch-Prozess gëtt e Katalysator, deen en Iwwergangsmetall enthält, benotzt, fir Kuelewaasserstoffer aus de ganz einfache Grondstoffer Waasserstoff a Kuelemonoxid hierzestellen, déi aus verschiddene kuelestoffhaltege Ressourcen ewéi Kuel, Äerdgas, Biomass a souguer Offall gewonne kënne ginn.

Literatur / Referenzen

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.