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.

Background of Catalysis

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 Wellenlängt op Flëssegkeeten riicht tëschend ca. 110 bis 0,15 mm fir Frequenzen tëscht 18 kHz an 10 MHz. Dëst ass vill méi héich wéi molekulär Dimensiounen. Aus dësem Grond gëtt et keng direkte Kopplung vum akustesche Gebitt mat Molekülen vun enger chemescher Spezies. D'Effekter vun Ultraschall sinn zu engem groussen Grad 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 mat Reagentien an e Katalysator vu méi wéi enger Phase (heterogener Katalyse) sinn limitéiert op d'Phasengrenze, well et ass deen eenzegen Plaz, wou de Réagenter wéi och de Katalysator sinn. D'Belaaschtung vun de Reagenzien a vum Katalysator zu engem aneren 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 Flëssegkeefer. Duerch d'Reduktioun vun der Partikel / Tröpfelgréisst vergréissert d'Gesamtfläche vun der Phasengrenze gläichzäiteg. Déi grafesch lénks weist d'Korrelatioun tëscht der Korngréisst an der Uewerfläch an der Kugel vu Partikelen oder Drénkelen (Klickt fir méi grouss Sicht!). Well d'Phasengrenzfläche méi grouss gëtt, mécht d'chemesch Reaktiounsquote. Fir vill Materialien hunn d'Ultraschallkavitationen Partikelen an Drottel ugemellt 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 Reagentien op enger Phasengrenze reagéieren, sammelen d'Produkter vun der chemescher Reaktioun op der Kontaktfläche. Dëst blockéiert aner Reagentmoleküle aus der interaktionneller Säit vun der Phasengrenze. Mechanesch Scherr Truppen, déi duerch Kavitatiounsstroum a akustesch Stroum verursaacht ginn, féieren zum turbulenten Stroum- a Materialtransport vun a bis op Partikel oder Trödelflächen. Am Fall vun Drëpsen kann d'héije Scherr kënnen zur Koalitiouns- an der nächster Ausbildung vu neie Tropfen erof ginn. Well d'chemesch Reaktioun iwwert d'Zäit viru geet, kann e repetitive Opléisung, zB zweet Stuf oder Rezirkatioun, erfuerderlech 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 says: "Cavitation is an extraordinary method of concentrating the diffuse energy of sound into a chemically usable form."

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 Katalysis involvéiert ongewollt Niewerandprodukter, Verunreine oder Verpakungen an de Reagenz. Dëst kann zu Degradatioun a Foul op der Uewerfläch vu féierleche Katalysatoren féieren. Fouling reduzéiert d'exponéiert Katalysatoroberfläche a reduzéiert seng Effizienz. Et brauch net entweder während dem Prozess oder am Recyclageintervall mat anere Prozesserchemikalien ze fuere ginn. Ultrasonikatioun ass eng effektiv Aart a Weis 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.

Literatur op Sonocatalysis an Ultraschall assistéiert Catalysis

Suslick, KS; Didenko, Y .; Fang, MM; Hyeon, T .; Kolbeck, KJ; McNamara, WB III; Mdleleni, MM; Wong, M. (1999): Akustik Kavitation a seng chemeschen Folgen, an: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, KS; Skrabalak, SE (2008): "Sonocatalysis" An Handbuch vun der heterogener Catalyse, Vol. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, J., Eds .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, S. 2006-2017.