Sonocatalysis – Ultrasoniski atbalstīta katalīze

Ultrasonication ietekmē katalizatora reaktivitāti katalīzes laikā, uzlabojot masas pārnesi un enerģijas ievadi. Heterogēnā katalīzē, kur katalizators ir citā fāzē nekā reaģenti, ultraskaņas dispersija palielina reaģentiem pieejamo virsmas laukumu.

Sonokatalīzes fons

Katalīze ir process, kurā ātrums palielinās ķīmiskā reakcija (vai samazina) ar katalizatora palīdzību. Daudzu ķīmisko vielu ražošana ietver katalīzi. Ietekme uz reakcijas ātrumu ir atkarīga no reaģentu saskares biežuma ātruma noteikšanas posmā. Kopumā katalizatori palielina reakcijas ātrumu un samazina aktivācijas enerģiju, nodrošinot alternatīvu reakcijas ceļu uz reakcijas produktu. Šim nolūkam katalizatori reaģē ar vienu vai vairākiem reaģentiem, veidojot starpproduktus, kas pēc tam dod galaproduktu. Pēdējais solis atjauno katalizatoru. Pa aktivācijas enerģijas samazināšana, vairāk molekulārām sadursmēm ir enerģija, kas nepieciešama, lai sasniegtu pārejas stāvokli. Dažos gadījumos tiek izmantoti katalizatori, kas maina ķīmiskās reakcijas selektivitāti.

Gada Shēmas labajā pusē ilustrē katalizatora iedarbību ķīmiskajā reakcijā X+Y, lai iegūtu Z. Katalizators nodrošina alternatīvu ceļu (zaļu) ar zemāku aktivācijas enerģiju Ea.

Ultrasonication ietekme

Akustiskā viļņa garums šķidrumos svārstās no aptuveni 110 līdz 0,15 mm frekvencēs no 18kHz līdz 10MHz. Tas ievērojami pārsniedz molekulāros izmērus. Šī iemesla dēļ akustiskais lauks nav tieši savienots ar ķīmiskās sugas molekulām. Ultrasonication ietekme lielā mērā ir rezultāts Ultraskaņas kavitācija šķidrumos. Tāpēc ultrasoniski atbalstīta katalīze prasa, lai vismaz viens reaģents būtu šķidrā fāzē. Ultrasonication veicina neviendabīgu un viendabīgu katalīzi daudzējādā ziņā. Individuālos efektus var veicināt vai samazināt, pielāgojot ultraskaņas amplitūdu un šķidruma spiedienu.

Ultraskaņas izkliedēšana un emulgācija

Ķīmiskās reakcijas, kas ietver reaģentus un vairāk nekā vienas fāzes katalizatoru (heterogēna katalīze), ir ierobežotas līdz fāzes robežai, jo tā ir vienīgā vieta, kur atrodas reaģents, kā arī katalizators. Reaģentu un katalizatora savstarpējā iedarbība ir galvenais faktors daudzām daudzfāzu ķīmiskajām reakcijām. Šī iemesla dēļ fāzes robežas īpatnējais virsmas laukums kļūst ietekmīgs ķīmiskajam reakcijas ātrumam.

Ultrasonication ir ļoti efektīvs līdzeklis, lai cietvielu dispersija un par šķidrumu emulgācija. Samazinot daļiņu/pilienu izmēru, fāzes robežas kopējais virsmas laukums vienlaikus palielinās. Attēlā pa kreisi redzama korelācija starp daļiņu izmēru un virsmas laukumu sfērisku daļiņu vai pilienu gadījumā (Noklikšķiniet, lai iegūtu lielāku skatu!). Palielinoties fāzes robežas virsmai, palielinās arī ķīmiskās reakcijas ātrums. Daudziem materiāliem ultraskaņas kavitācija var padarīt daļiņas un pilienus no ļoti smalks izmērs – bieži vien ievērojami zem 100 nanometriem. Ja dispersija vai emulsija kļūst vismaz īslaicīgi stabila, Ultrasonics var būt nepieciešama tikai sākotnējā fāzē ķīmiskās reakcijas. Inline ultraskaņas reaktors reaģentu un katalizatora sākotnējai sajaukšanai var radīt smalkas daļiņas / pilienus ļoti īsā laikā un ar lielu plūsmas ātrumu. To var izmantot pat ļoti viskoziem materiāliem.

Masas pārnese

Kad reaģenti reaģē pie fāzes robežas, ķīmiskās reakcijas produkti uzkrājas pie kontakta virsmas. Tas bloķē citu reaģentu molekulu mijiedarbību pie šīs fāzes robežas. Mehāniskie bīdes spēki, ko izraisa kavitācijas strūklas plūsmas un akustiskā straumēšana, rada turbulentu plūsmu un materiālu transportēšanu no un uz daļiņu vai pilienu virsmām. Pilienu gadījumā augstā bīde var izraisīt jaunu pilienu saplūšanu un turpmāku veidošanos. Tā kā ķīmiskā reakcija laika gaitā progresē, var būt nepieciešama atkārtota ultraskaņas apstrāde, piemēram, divpakāpju vai recirkulācija, lai maksimāli palielināt reaģentu iedarbību.

Enerģijas ievade

Ultraskaņas kavitācija ir unikāls veids, kā ielieciet enerģiju ķīmiskās reakcijās. Ātrgaitas šķidruma strūklu, augstspiediena (>1000atm) un augstu temperatūru (>5000K), milzīgi apkures un dzesēšanas ātrumi (>10⁹Ks^-1) rodas lokāli koncentrēti kavitācijas burbuļu implosīvas saspiešanas laikā. Kenets Susliks Saka: “Kavitācija ir ārkārtas metode skaņas difūzās enerģijas koncentrēšanai ķīmiski izmantojamā formā.”

Reaktivitātes pieaugums

Kavitācijas erozija uz daļiņu virsmām rada nepakļāvīgas, ļoti reaktīvas virsmas. Īslaicīgas augstas temperatūras un spiedieni veicina molekulārā sadalīšanās un reaktivitātes palielināšana daudzu ķīmisko sugu. Ultraskaņas apstarošanu var izmantot katalizatoru sagatavošanā, piemēram, lai ražotu smalku daļiņu agregātus. Tas rada amorfus katalizatorus daļiņas ar augstu īpatnējo virsmu laukums. Šīs agregāta struktūras dēļ šādus katalizatorus var atdalīt no reakcijas produktiem (t.i., filtrējot).

Ultraskaņas tīrīšana

Bieži katalīze ietver nevēlamus blakusproduktus, piesārņojumus vai piemaisījumus reaģentos. Tas var izraisīt cieto katalizatoru virsmas noārdīšanos un piesārņošanu. Piesārņojums samazina pakļauto katalizatora virsmu un tādējādi samazina tā efektivitāti. Tas nav jānoņem ne procesa laikā, ne pārstrādes intervālos, izmantojot citas procesa ķimikālijas. Ultrasonication ir efektīvs līdzeklis, lai attīrīt katalizatorus vai palīdzēt katalizatoru pārstrādes procesā. Ultraskaņas tīrīšana, iespējams, ir visizplatītākais un pazīstamākais ultraskaņas pielietojums. Kavitācijas šķidruma strūklu un trieciena viļņu iedarbība līdz 10⁴ATM var radīt lokalizētus bīdes spēkus, eroziju un virsmas bedrītes. Smalka izmēra daļiņām liela ātruma starpdaļiņu sadursmes izraisa virsmas eroziju un pat slīpēšana un frēzēšana. Šīs sadursmes var izraisīt lokālu pārejošu trieciena temperatūru aptuveni 3000K. Suslick parādīja, ka ultrasonication efektīvi noņem virsmas oksīda pārklājumus. Šādu pasivējošu pārklājumu noņemšana ievērojami uzlabo reakcijas ātrumu visdažādākajām reakcijām (Suslick 2008). Ultraskaņas pielietošana palīdz samazināt cietā izkliedētā katalizatora piesārņojuma problēmu katalīzes laikā un veicina tīrīšanu katalizatora pārstrādes procesā.

Ultraskaņas katalīzes piemēri

Ir daudz piemēru ultrasoniski atbalstītai katalīzei un heterogēnu katalizatoru ultraskaņas sagatavošanai. Mēs iesakām Sonocatalysis Keneta Suslicka raksts visaptverošam ievadam. Hielscher piegādā ultraskaņas reaktorus katalizatoru vai katalīzes sagatavošanai, piemēram, katalītiskā pāresterificēšana metilesteru ražošanai (t.i., taukskābju metilesteris = biodīzeļdegviela).

Ultraskaņas iekārtas sonokatalīzei

Hielscher ražo ultraskaņas ierīces, kas paredzētas lietošanai jebkura skala un forumu procesu daudzveidība. Tas ietver: laboratorijas ultraskaņas apstrāde mazos flakonos, kā arī rūpnieciskie reaktori un plūsmas elementi. Sākotnējam procesa testam laboratorijas mērogā UP400S (400 vati) ir ļoti piemērots. To var izmantot gan partijas procesiem, gan inline ultraskaņas apstrādei. Procesu testēšanai un optimizācijai pirms mērogošanas mēs iesakām izmantot UIP1000hd (1000 vati), jo šīs vienības ir ļoti pielāgojamas un rezultāti tiek mērogoti lineāri jebkurai lielākai jaudai. Pilna apjoma ražošanai mēs piedāvājam ultraskaņas ierīces līdz 10kW un 16kW ultraskaņas jauda. Vairāku šādu vienību klasteri nodrošina ļoti augstu apstrādes jaudu.

Mēs ar prieku atbalstīsim jūsu procesu testēšanu, optimizāciju un mērogošanu. Runājiet ar mums par piemērotu aprīkojumu vai Apmeklējiet mūsu procesu laboratoriju.

Literatūra par sonokatalīzi un ultrasoniski atbalstītu katalīzi

Suslick, K. S.; Didenko, J.; Fangs, M. M.; Hīrons, T.; Kolbeks, K. J.; Maknamara, V. B. III; Mdleleni, M. M.; Vongs, M. (1999): Akustiskā kavitācija un tās ķīmiskās sekas, in: Phil. Trans. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S.; Skrabalaks, S. E. (2008): “Sonocatalysis” Heterogēnās katalīzes rokasgrāmatā, 4. sēj.; Ertls, G.; Knzingers, H.; Šte, F.; Veitkamps, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, 2006.-2017. lpp.