Ultrasone trillingen van invloed op de katalysator reactiviteit tijdens katalyse door verbeterde massa-overdracht en de energie-input. In heterogene katalyse, waarbij de katalysator in een andere fase van de reactiecomponenten, ultrasone dispersie vergroot het oppervlak waarover de reactanten.

Achtergrond van Sonocatalyse

Katalyse werkwijze waarbij de snelheid van een chemische reactie wordt verhoogd (Of verlaagd) door middel van een katalysator. De productie van veel chemicaliën gaat katalyse. De invloed op de reactiesnelheid afhangt van de frequentie van het contact van de reactanten in de snelheidsbepalende stap. Over het algemeen katalysatoren de reactiesnelheid verhogen en verlagen de activeringsenergie van een alternatief reactiepad voor het reactieproduct. Hiervoor de katalysatoren reageren met één of meer reactanten in tussenproducten die vervolgens het eindproduct vormen. De laatste stap regenereert de katalysator. Door verlagen van de activeringsenergieMeer moleculaire botsingen hebben de energie om de overgangstoestand bereikt. In sommige gevallen katalysatoren worden veranderingen van de selectiviteit van een chemische reactie.

De diagram rechts illustreert het effect van een katalysator in een chemische reactie X + Y tot Z te produceren De katalysator verschaft een alternatieve route (zwart) met een lage activeringsenergie Ea.

Effecten van Ultrasone trillingen

De akoestische golflengte in vloeistoffen varieert van ca. 110 tot 0,15 mm voor frequenties tussen 18kHz en 10MHz. Dit ligt aanzienlijk boven de moleculaire afmetingen. Om deze reden is er geen directe koppeling van het akoestische veld met moleculen van een chemische stof. De effecten van ultrasonicatie zijn in grote mate een gevolg van de ultrasone cavitatie in vloeistoffen. Daarom ultrasoon bijgestaan ​​katalyse vereist ten minste één reagens in vloeibare fase. Ultrasone trillingen draagt ​​bij aan heterogene en homogene katalyse op veel manieren. Individuele effecten kunnen worden bevorderd of verminderd aanpassing van de ultrasone amplitude en vloeistofdruk.

Ultrasoon Dispergeren en emulgeren

Chemische reacties met reagentia en een katalysator van meer dan één fase (heterogene katalyse) zijn beperkt tot de fasegrens, omdat dit de enige plaats is waar zowel het reagens als de katalysator aanwezig zijn. Blootstelling van de reagentia en de katalysator aan elkaar is een belangrijke factor voor veel multi-fase chemische reacties. Daarom, het specifieke oppervlak van de scheidingslaag wordt invloed van de chemische reactiesnelheid.

Ultrasone trillingen is een zeer effectief middel voor het vastestofdispersie en voor de emulgeren van vloeistoffen. Door het verkleinen van de deeltjes/druppelgrootte neemt de totale oppervlakte van de fasegrens tegelijkertijd toe. De grafiek links toont de correlatie tussen de deeltjesgrootte en de oppervlakte in het geval van sferische deeltjes of druppels (Klik voor grotere weergave!). Naarmate het fasegrensgebied groter wordt, neemt ook de chemische reactiesnelheid toe. Voor veel materialen kan ultrasone cavitatie deeltjes en druppels maken van zeer fijne grootte – vaak aanzienlijk minder dan 100 nanometer. Wanneer de dispersie of emulsie wordt ten minste tijdelijk stabiel toepassing van ultrasone mag enkel vereist bij een beginfase van de chemische reactie. Een inline ultrasone reactor voor de aanvankelijke menging van de reagentia en de katalysator fijne deeltjes / druppeltjes in zeer korte tijd en bij hoge stroomsnelheden genereren. Het kan worden toegepast, zelfs op zeer viskeuze media.

Massa-Transfer

Wanneer de reagentia reageren op een fasegrens, stapelen de producten van de chemische reactie zich op aan het contactoppervlak. Dit blokkeert de interactie tussen andere reagensmoleculen op deze fasegrens. Mechanische schuifkrachten veroorzaakt door cavitatiestraalstromen en akoestische stroming resulteren in turbulente stroming en materiaaltransport van en naar deeltjes- of druppeloppervlakken. In het geval van druppels kan de hoge afschuiving leiden tot coalescentie en vervolgens tot de vorming van nieuwe druppels. Naarmate de chemische reactie in de loop van de tijd vordert, kan een herhaalde sonicatie, bijvoorbeeld in twee fasen of recirculatie, nodig zijn om maximaliseren van de blootstelling van de reagentia.

energie Input

Ultrasone cavitatie is een unieke manier om zet energie in chemische reacties. Een combinatie van snelle vloeistofstralen onder hoge druk (>1000atm) en hoge temperaturen (>5000K), grote verwarmings- en afkoelsnelheden (>10⁹ks^-1) Optreden lokaal geconcentreerd tijdens de compressie van implosieve cavitational bellen. Kenneth Suslick... zegt: “Cavitatie is een buitengewone methode om de diffuse energie van geluid te concentreren in een chemisch bruikbare vorm.”

Verhoging van de reactiviteit

Cavitatie erosie op deeltjesoppervlakken genereert gepassiveerd, zeer reactieve oppervlakken. Kortstondige hoge temperaturen en drukken te dragen aan moleculaire afbraak en verhoging van de reactiviteit van vele chemische stoffen. Ultrasone bestraling kan worden toegepast bij de bereiding van katalysatoren, b.v. aggregaten van fijne deeltjes te produceren. Dit levert amorfe katalysatoren deeltjes met een hoog specifiek oppervlak Gebied. Door deze geaggregeerde structuur kan dergelijke katalysatoren worden gescheiden van de reactieproducten (bijvoorbeeld door filtratie).

ultrasoon reinigen

Vaak gaat het bij katalyse om ongewenste bijproducten, verontreinigingen of onzuiverheden in de reagentia. Dit kan leiden tot afbraak en vervuiling van het oppervlak van vaste katalysatoren. Fouling vermindert het blootgestelde katalysatoroppervlak en vermindert daardoor de efficiëntie ervan. Het hoeft niet te worden verwijderd, noch tijdens het proces, noch tijdens de recycling met behulp van andere proceschemicaliën. Ultrasoonbehandeling is een effectief middel om schoon katalysatoren of helpen de katalysator recycling proces. Ultrasoon reinigen is waarschijnlijk de meest voorkomende en bekende toepassing van ultrasoon. De invloed van cavitatie vloeistofstralen en schokgolven tot 10⁴atm kan gelokaliseerde schuifkrachten, erosie en oppervlak putjes te creëren. Voor fijne deeltjes, met hoge snelheid tussen de deeltjes botsingen leiden tot erosie en gelijkmatig oppervlak slijpen en frezen. Deze botsingen kan plaatselijke voorbijgaande gevolgen temperaturen van circa veroorzaken. 3000K. Suslick aangetoond dat ultrasone trillingen effectief verwijdert oppervlak oxide coatings. De verwijdering van dergelijke passiverende coatings enorme verbetering reactiesnelheden voor diverse reacties (Suslick 2008). De toepassing van ultrasoon helpt om de aangroei probleem van gedispergeerde vaste katalysator verlagen tijdens katalyse en draagt ​​bij tot het reinigen tijdens de katalysator recyclageproces.

Voorbeelden Ultrasone Catalysis

Er zijn talloze voorbeelden van ultrasoon geassisteerde katalyse en voor de ultrasone bereiding van heterogene katalysatoren. Wij raden de Sonokatalyse artikel door Kenneth Suslick voor een uitgebreide inleiding. Hielscher levert ultrasone reactoren voor de bereiding van katalysatoren of katalyse zoals de katalytische transverestering voor de bereiding van methylesters (d.w.z. vetzuren methylester = biodiesel).

Ultrasone apparatuur voor Sonocatalysis

Hielscher produceert ultrasone apparatuur voor gebruik bij elke schaal en voor een diverse processen. Dit bevat lab ultrasoonapparaat in kleine flesjes en industriële reactoren en stromingscellen. Voor voortraject test laboratoriumschaal de UP400S (400 watt) zeer geschikt. Het kan worden gebruikt voor batchprocessen als voor inline ultrasoonapparaat. Voor proces testen en optimaliseren voor opschaling, raden we het gebruik van de UIP1000hd (1000 watt), Omdat deze eenheden is zeer flexibel en resultaten con geschaald worden lineair geven grotere capaciteit. Voor de volledige grootschalige productie bieden wij ultrasone apparaten van maximaal 10kW en 16 kW ultrasoon vermogen. Clusters van meerdere dergelijke eenheden bieden zeer hoge verwerkingscapaciteit.

We zullen blij zijn om uw proces testen, optimalisatie ondersteunen en opschalen zijn. Praat tegen ons over geschikte apparatuur of bezoek onze proces laboratorium.

Literatuur over Sonocatalysis en Ultrasoon Assisted Catalysis

Suslick, K. S .; Didenko, Y .; Fang, M. M .; Hyeon, T .; Kolbeck, K. J .; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M .; Wong, M. (1999): Akoestische cavitatie en chemische gevolgen, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K.S.; Skrabalak, S.E. (2008): “Sonokatalyse” In Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., Eds .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp 2006-2017..