Sonoatalyse – Ultraschall assistéiert Catalysis

Ultrasonikatioun befaasst d'Reaktioun vum Katalysator während der Katalyse duerch eng verstäerkte Massendransfer an energiewendung. An enger heterogener Katalyse, wou de Katalysator an enger anerer Phase gëtt, ass d'Ultraschalldispersioun déi Fläche fir d'Reaktant.

Hannergrond vun der Sonocatalysis

D'Katalyse ass Prozedur, an deem d'Zilsetzung vu chemesch Reaktioun vergréissert (oder verréngert) duerch e Katalysator. D'Produktioun vu ville Chemikalien beaflosst d'Katalyse. Den Afloss op den Reaktionsgeschwindegkeet hänkt vun der Frequenz vum Kontakt vun de Reaktanten am der zielscheidegerweis Schrëtt. Am Allgemengen erhéijen d'Katalysatoren d'Reaktiounsquote an d'Aktivatiounsenergie nidderloossen, andeems en alternativ Reaktiounswee am Reaktiounsprodukt gëtt. Dofir reagéieren d'Katalysatoren mat enger oder méi Reaktanten ze reagéieren fir Zwëscher ze bilden, déi duerno d'Finale ginn. Dee leschte Schrëtt regeneréiert de Katalysator. By Erhéijung vun der Aktivatiounsenergie, méi molekulare Kollisiounen hunn d'Energie fir den Iwwergangsstaat erreecht. A ville Fäll ginn Katalysatoren benotzt benotzt d'Selektivitéit vun enger chemescher Reaktioun.

De Diagram an der rietser illustréiert den Effekt vun engem Katalysator an enger chemescher Reaktioun X + Y fir Z produzéieren. De Katalysator bidd en alternativen Weeër (gréng) mat enger niddereg Aktivéierung Energie Ea.

Effeten vun Ultraschall

Akustesch Wellelängt a Flëssegkeeten variéiere vun ongeféier. 110 bis 0,15mm fir Frequenzen tëscht 18kHz an 10MHz. Dëst ass däitlech iwwer molekulär Dimensiounen. Aus dësem Grond gëtt et keng direkt Kupplung vum Akustikfeld mat Molekülle vun enger chemescher Aart. D'Effekter vun Ultrasonicatioun sinn zu engem groussen Deel e Resultat vun der Ultraschall Kavitation Flëssegkeeten. Dofir erfëllt d'Ultraschall assistéierte Katalyse op d'mannst een Reagens an enger flësseger Phase. Ultraschung tréit bei heterogener a homogener Katalyse bei op ville Weeër. Individuell Effekter kënnen agefouert ginn oder reduzéiert ginn d'Ultraschall Amplitude a Flüssegendruck.

Ultrascholle Dispersioun an Emulsifizéierung

Chemesch Reaktiounen involvéiert Reagenzente an e Katalysator vu méi wéi enger Phas (heterogen Katalyse) si limitéiert op der Phasegrenz, well dëst ass déi eenzeg Plaz, wou de Reagens wéi och de Katalysator präsent sinn. D'Beliichtung vun de Reagensen a vum Katalysator uneneen ass e Schlësselfaktor fir vill méiphasesch chemesch Reaktiounen. Aus deem Grond sinn d'spezifesch Uewerfläch vun der Phase Grenze staark fir de chemesche Reaktiounskampf.

Ultrasonikatioun ass e ganz efficace Moyene fir de Dispersioun vu Feststoff an fir de Emulsioun vu FlëssegkeeferAn. Duerch d'Reduzéierung vun der Partikel / Tropfgréisst erhéicht d'total Uewerfläch vun der Phasegrenz zur selwechter Zäit. D'Grafik no lénks weist d'Korrelatioun tëscht Partikelgréisst an Uewerflächefall am Fall vu Kugelpartikelen oder Tropfen (Klickt fir méi grouss Sicht!). Wann d'Phasegrenz Uewerfläch eropgeet gëtt och déi chemesch Reaktiounsquote gemaach. Fir vill Material kann Ultrasonic Kavitatioun Partikelen a Tropfen aus maachen ganz fein Gréisst – dacks ënnerschreidend ënnert 100 Nanometer. Wann d'Dispersioun oder Emulsioun op d'mannst temporär stabil ass, ass d'Applikatioun D'Ultrasioun kann nëmme wa se an enger Ufangsphase néideg sinn vun der chemescher Reaktioun. En Inline-Ultraschallreaktor fir d'éischt Vermëschung vun den Reagentien an de Katalysator kënnen e puer kleng Feingrouss-Partikel / Tropfäletchen a Kuerzzäit a bei groussem Ofdreiwungssektor generéieren. Si kënne souguer mat héich viskose Medien applizéiert ginn.

Mass-Transfer

Wann d'Reagen op enger Phasegrenz reagéieren, sammelen d'Produkter vun der chemescher Reaktioun op der Kontaktfläch. Dëst blockéiert aner Reagenmoleküle, déi op dëser Phasgrenz interagéieren. Mechanesch Schiefkräfte verursaacht duerch cavitational Jetstreamen an akustesch Streaming resultéieren am turbulente Flow a Materialtransport vun an op Partikel oder Drëpsflächen. Am Fall vun Tropfen kann d'Héichschaarf zu der Koaleszenz an der spéiderer Formation vun neien Tropfen féieren. Wéi déi chemesch Reaktioun mat der Zäit progresséiert, kann eng widderholl Sonikatioun, zB Zwee-Stuf oder Rezeptioun néideg sinn D'Exposition vun de Reagenté maximéieren.

Energie Input

Ultraschall Kavitation ass eng eenzegaarteg Manéier Energie an chemesch Reaktiounen setzen. Eng Kombinatioun vu fléissend fléissend Flëssstoffer, héicht Drock (>1000atm) an héigen Temperaturen (>5000K), enorme Heizung a Killflëss (>10⁹Ks^-1) op lokaler Konzentrate während der implosive Kompressioun vu cavitational Blasen. Kenneth Suslick seet: “Kavitatioun ass eng aussergewéinlech Method fir d'diffuse Energie vum Toun an eng chemesch benotzbar Form ze konzentréieren.”

Zuel vun der Reaktivitéit

Cavitational Erosioun op Partikeloberflächen generéiert net passiv, héich reaktionsfäeg. Kuerzjähreger Temperaturen an Drëck dréit dozou bäidroen molekulare Zerstéierung an d'Reaktivitéit erhéijen vu ville chemesche Sorten. Ultraschall Bestrahlung kann an der Preparatioun vu Katalysatoren benotzt ginn, zB fir Aggregate vu Feingrouss Partikel ze produzéieren. Dëst produzéiert amorph Katalysatoren Partikelen vu héiger spezifescher Uewerfläch Beräich. Duerch dës aggregéiert Struktur kënnen esou ee vun de Reaktiounsprodukte getrennt ginn (dh duerch Filtration).

Ultraschallreinung

Oft ëmfaasst Katalyse ongewollt Nieweprodukter, Kontaminatiounen oder Gëftstoffer an de Reagenz. Dëst kann zu enger Degradatioun a Spuer op der Uewerfläch vu festen Katalysatoren féieren. Fouling reduzéiert d'ausgesat Katalysatorfläch an reduzéiert dofir seng Effizienz. Et brauch näischt ze läschen weder während dem Prozess oder am Recyclingsintervalle mat anere Prozesser Chemikalien. Ultrasonication ass en effektiv Mëttel fir propper Katalysatoren oder hëllefe mam Katalysatorrecyclingprozess. Déi Ultraschallreinigung ass wahrscheinlech déi bekanntst an gebiermend Applikatioun vun Ultrasone. D'Prisong vu cavitational Flëssstéier a Schockwellen vun bis zu 10⁴Atm kann lokaliséierter Scherr Kräfte bilden, Erosioun a Oberflächenpitting. Fir Feingrouss Partikel, High-Speed inter-particle Kollisionen féieren zur Uewerfläch Erosion a souguer Schleifen a Fräsen. Dëse Kollisiounen kënne lokal Uergeltemperaturen ufänken. 3000K. Suslick weist datt déi Ultraschall effektiv ass iwwerdroe Beschiedndecken. D'Ofhale vu sou passivéiert Beschichtungen verbessert dramatesch Reaktiounsraten fir eng grouss Diversitéit vu Reaktiounen (Suslick 2008). D'Applikatioun vun der Ultraschall hëlleft den Foulingproblem vun engem festen disperséierten Katalysator bei der Katalyse reduzéiert an hëlleft bei der Ofwécklung beim Katalysatorrecyclingprozess.

Beispiller vu Ultraschallkatalyse

Et gi vill Beispiller fir Ultraschall assistéiert Katalyse an och fir d'Ultraschung vun heterogenen Katalysatoren. Mir recommandéieren déi Sonoatalyse Artikele vum Kenneth Suslick fir eng ëmfaassend Aféierung. Hielscher liefert Ultraschallreaktoren fir d'Virbereedung vu Katalysatoren oder Katalyse, wéi zum Beispill katalyteschen Iwwersetze fir d'Produktioun vu Methylester (dh Fettmethylester = Biodiesel).

Ultraschall Ausrüstung fir Sonocatalysis

Hielscher fabrizéiert Ultrasone-Geräter fir de Gebrauch bei all Skala a fir e Erausfuerderung vu Prozesser. Dëst beinhalt Labo Sonikatioun a klenge puestine wéi och Industriereaktoren a Stroumzellen. Fir initiale Prozessprozess am Labeschwaasser UP400S (400 Watt) ass ganz gutt. Et kann benotzt ginn fir Batchprozesser wéi och fir Inline-sonikatioun. Fir Testerproblemer a Optimisatiounsgrënn virum Skala upgoen recommandéiere mir déi UIP1000hd (1000 Watt)well dës Unitéiten extrem adaptéiert sinn a Resultater konkuréiert si linear op eng méi grouss Kapazitéit. Fir enger Produktioun vu vollem Skala bidde mir Ultraschall-Apparater aus bis zu 10kW an 16kW Ultraschallkraaft. Cluster vu verschiddenen Eenheeten hunn e ganz héigen Ofwierkungspotential.

Mir wäerte friddlech ënnerstëtzen fir Äre Prozessproblemer, Optimisatioun a Skala up. Schwätzt eis un déi adequat Ausrüstung oder fir eise Prozesslaborat ze besichen.