sonokatalyse – Ultraschall Assistéiert Katalyse

Ultrasonication beaflosst d'Katalysatorreaktivitéit während der Katalyse duerch verstäerkte Massentransfer an Energieinput. Bei heterogener Katalyse, wou de Katalysator an enger anerer Phase wéi d'Reaktanten ass, erhéicht d'Ultraschalldispersioun d'Uewerfläch, déi fir d'Reaktanten verfügbar ass.

Hannergrond vun Sonocatalysis

Katalyse ass Prozess an deem den Taux vun engem chemesch Reaktioun erhéicht (oder verréngert) mat Hëllef vun engem Katalysator. D'Produktioun vu ville Chemikalien implizéiert Katalyse. Den Afloss op d'Reaktiounsquote hänkt vun der Frequenz vum Kontakt vun de Reaktanten am Taux-bestëmmende Schrëtt of. Allgemeng erhéijen Katalysatoren d'Reaktiounsquote a senken d'Aktivéierungsenergie andeems en alternativen Reaktiounswee zum Reaktiounsprodukt ubitt. Dofir reagéieren d'Katalysatoren mat engem oder méi Reaktanten fir Zwëscheprodukter ze bilden déi duerno d'Endprodukt ginn. De leschte Schrëtt regeneréiert de Katalysator. Vun Senkung vun der Aktivéierungsenergie, méi molekulare Kollisiounen hunn d'Energie déi néideg ass fir den Iwwergangszoustand z'erreechen. An e puer Fäll ginn Katalysatoren benotzt änneren d'Selektivitéit vun enger chemescher Reaktioun.

Déi diagramm riets illustréiert den Effekt vun engem Katalysator an enger chemescher Reaktioun X+Y fir Z ze produzéieren. De Katalysator bitt en alternativen Wee (gréng) mat enger méi niddereger Aktivéierungsenergie Ea.

Effekter vun Ultrasonication

Akustesch Wellelängt a Flëssegkeete variéiere vun ca. 110 bis 0,15 mm fir Frequenzen tëscht 18kHz an 10MHz. Dëst ass wesentlech iwwer molekulare Dimensiounen. Aus dësem Grond gëtt et keng direkt Kopplung vum akustesche Feld mat Molekülle vun enger chemescher Aart. D'Effekter vun der Ultraschall sinn zu engem grousse Grad e Resultat vun der Ultraschall Kavitatioun a Flëssegkeeten. Dofir erfuerdert d'Ultraschall assistéiert Katalyse op d'mannst ee Reagens fir an der flësseger Phase ze sinn. Ultrasonication dréit zur heterogener an homogener Katalyse bäi op vill Manéiere. Individuell Effekter kënne gefördert oder reduzéiert ginn, d'Ultraschallamplitude a Flëssegkeetsdrock unzepassen.

Ultraschall Dispergéierung an Emulsifikatioun

Chemesch Reaktiounen mat Reagenzen an engem Katalysator vu méi wéi enger Phase (heterogen Katalysis) si limitéiert op d'Phasegrenz well dëst déi eenzeg Plaz ass, wou de Reagens wéi och de Katalysator präsent sinn. D'Beliichtung vun de Reagenzen a vum Katalysator uneneen ass a Schlësselfaktor fir vill Multi-Phase chemesch Reaktiounen. Aus dësem Grond gëtt déi spezifesch Uewerfläch vun der Phasegrenz beaflosst fir de chemeschen Taux vun der Reaktioun.

Ultrasonication ass e ganz efficace Mëttel fir de Dispersioun vu Feststoffer a fir Emulgatioun vu Flëssegkeeten. Duerch d'Reduktioun vun der Partikel/Drëpsgréisst vergréissert d'Gesamtfläch vun der Phasegrenz zur selwechter Zäit. D'Grafik lénks weist d'Korrelatioun tëscht Partikelgréisst an Uewerfläch am Fall vu kugelfërmeg Partikelen oder Tropfen (Klickt fir méi grouss Vue!). Wéi d'Phasegrenzfläch eropgeet, erhéicht och d'chemesch Reaktiounsquote. Fir vill Material kann Ultraschall Kavitatioun Partikelen an Drëpsen aus maachen ganz fein Gréisst – dacks däitlech ënner 100 Nanometer. Wann d'Dispersioun oder d'Emulsioun op d'mannst temporär stabil gëtt, gëtt d'Applikatioun vun Ultraschall kann nëmmen an enger éischter Phas erfuerderlech sinn vun der chemescher Reaktioun. En Inline Ultraschallreaktor fir d'initial Vermëschung vun de Reagenzen an de Katalysator kann a ganz kuerzer Zäit a bei héije Flowraten feingréisst Partikel / Drëpsen generéieren. Et kann souguer op héichviskos Medien applizéiert ginn.

Mass-Transfer

Emulsioun Wann d'Reagenser op enger Phasegrenz reagéieren, accumuléieren d'Produkter vun der chemescher Reaktioun op der Kontaktfläch. Dëst blockéiert aner Reagensmoleküle fir op dëser Phasegrenz ze interagéieren. Mechanesch Schéierkraaft verursaacht duerch kavitational Jetstroum an akustesch Streaming resultéieren zu turbulente Flux a Materialtransport vun an op Partikel oder Tropfenoberflächen. Am Fall vun Drëpsen kann déi héich Schéier zu der Koaleszenz a spéider Bildung vun neien Drëpsen féieren. Wéi déi chemesch Reaktioun mat der Zäit weidergeet, kann eng widderholl Sonikatioun, zB Zweestuf oder Rezirkulatioun, erfuerderlech sinn maximal Belaaschtung vun de Reagens.

Energie Input

Ultraschall Kavitatioun ass en eenzegaartege Wee fir Energie a chemesche Reaktiounen setzen. Eng Kombinatioun vun Héichgeschwindegkeet Flëssegkeetstralen, Héichdrock (>1000atm) an héich Temperaturen (>5000K), enorm Heiz- a Killraten (>10⁹Ks^-1) stattfannen lokal konzentréiert während der implosiver Kompressioun vu Kavitatiounsblasen. Kenneth Suslick seet: “Kavitatioun ass eng aussergewéinlech Method fir déi diffus Energie vum Toun an eng chemesch benotzbar Form ze konzentréieren.”

Erhéijung vun der Reaktivitéit

Kavitational Erosioun op Partikeloberflächen generéiert onpassivéiert, héich reaktiv Flächen. Kuerzlieweg héich Temperaturen an Drock droen dozou bäi molekulare Zersetzung a erhéicht d'Reaktivitéit vu ville chemeschen Arten. Ultrasonic Bestrahlung kann an der Virbereedung vu Katalysatoren benotzt ginn, zB fir Aggregate vu feingréissten Partikelen ze produzéieren. Dëst produzéiert amorph Katalysatoren Deelchen vun héich spezifesch Uewerfläch Beräich. Duerch dës aggregéiert Struktur kënnen esou Katalysatoren vun de Reaktiounsprodukter getrennt ginn (dh duerch Filtratioun).

Ultraschallreinigung

Oft Katalyse implizéiert onerwënscht Nebenprodukter, Kontaminatiounen oder Gëftstoffer an de Reagens. Dëst kann zu Degradatioun a Fouling op der Uewerfläch vu festen Katalysatoren féieren. Fouling reduzéiert d'exponéiert Katalysatorfläch a reduzéiert dofir seng Effizienz. Et brauch net weder wärend dem Prozess oder a Recyclingsintervaller mat anere Prozesschemikalien geläscht ze ginn. Ultrasonication ass en effektiv Mëttel fir propper Katalysatoren oder hëllefen de Katalysator Recycling Prozess. Ultraschallreinigung ass wahrscheinlech déi allgemengst a bekanntst Uwendung vun Ultraschall. Den Impingement vu kavitationalen Flëssegjets a Schockwellen vu bis zu 10⁴atm kann lokaliséiert Schéierkräften, Erosioun an Uewerflächepitting kreéieren. Fir fein Gréisst Partikel, Héichgeschwindegkeet Inter-Partikel Kollisiounen féieren zu Uewerflächerosioun a souguer Schleifen a Fräsen. Dës Kollisiounen kënnen lokal transient Impakttemperaturen vun ca. 3000K. De Suslick huet bewisen, datt Ultraschall effektiv läscht Uewerflächoxidbeschichtungen. D'Ewechhuele vu sou passivéierende Beschichtungen verbessert dramatesch Reaktiounsraten fir eng grouss Varietéit vu Reaktiounen (Suslick 2008). D'Uwendung vun Ultraschall hëlleft de Foulingproblem vun engem festen dispergéierten Katalysator während der Katalyse ze senken an dréit zur Botzen während dem Katalysator-Recyclingprozess bäi.

Beispiller vun Ultrasonic Catalysis

Et gi vill Beispiller fir ultraschall assistéiert Katalyse a fir d'Ultraschallpräparatioun vun heterogenen Katalysatoren. Mir recommandéieren der sonokatalyse Artikel vum Kenneth Suslick fir eng ëmfaassend Aféierung. Hielscher liwwert Ultraschallreaktoren fir d'Virbereedung vu Katalysatoren oder Katalyse, Biodiesel Pompel wéi de katalytesch Transesterifikatioun fir d'Produktioun vu Methylester (dh Fettmethylester = Biodiesel).

Ultraschall Ausrüstung fir Sonocatalysis

Hielscher fabrizéiert Ultraschallgeräter fir de Gebrauch bei all Skala a fir a Villfalt vu Prozesser. Dëst beinhalt Labo sonication a klenge Fläschen souwéi industrielle Reaktoren a Stroumzellen. Fir initial Prozess Test am Labo Skala der UP400S (400 Watt) ass ganz gëeegent. Et kann fir Batchprozesser wéi och fir Inline-Sonicatioun benotzt ginn. Fir Prozess Testen an Optimisatioun virum Skala up, Mir recommandéieren de UIP1000hd (1000 Watt), well dës Eenheeten ganz adaptéierbar sinn a Resultater kënne linear op all méi grouss Kapazitéit skaléiert ginn. Fir voll Skala Produktioun bidden mir Ultraschall Apparater vun bis zu 10 kW an an 16 kW ultrasonic Muecht. Cluster vu verschiddenen esou Unitéiten bidden ganz héich Veraarbechtungskapazitéiten.

Mir freeën eis Är Prozesstesten, Optimiséierung a Skala ze ënnerstëtzen. Schwätzt mat eis iwwer gëeegent Equipement oder besicht eise Prozesslaboratoire.