sonokatalyse – Ultrasoon ondersteunde katalyse

Ultrasoon dispergeren beïnvloedt de reactiviteit van de katalysator tijdens katalyse door een verbeterde massaoverdracht en energie-input. Bij heterogene katalyse, waarbij de katalysator zich in een andere fase bevindt dan de reactanten, vergroot ultrasone dispersie het oppervlak dat beschikbaar is voor de reactanten.

Achtergrond van Sonokatalyse

Katalyse is een proces waarbij de snelheid van een de chemische reactie wordt versterkt (of verminderd) door middel van een katalysator. Bij de productie van veel chemische stoffen komt katalyse kijken. De invloed op de reactiesnelheid hangt af van de frequentie waarmee de reactanten in de snelheidsbepalende stap met elkaar in contact komen. Over het algemeen verhogen katalysatoren de reactiesnelheid en verlagen ze de activeringsenergie door een alternatieve reactieroute naar het reactieproduct te bieden. Hiertoe reageren de katalysatoren met een of meer reactanten om tussenproducten te vormen die vervolgens het eindproduct opleveren. Deze laatste stap regenereert de katalysator. Door verlaging van de activeringsenergieMeer moleculaire botsingen hebben de energie die nodig is om de overgangstoestand te bereiken. In sommige gevallen worden katalysatoren gebruikt om de selectiviteit van een chemische reactie te veranderen.

De diagram rechts toont het effect van een katalysator in een chemische reactie X+Y om Z te produceren. De katalysator zorgt voor een alternatieve route (groen) met een lagere activeringsenergie Ea.

Effecten van ultrasoonbehandeling

De akoestische golflengte in vloeistoffen varieert van ongeveer 110 tot 0,15 mm voor frequenties tussen 18 kHz en 10 MHz. Dit ligt aanzienlijk boven de moleculaire afmetingen. Daarom is er geen directe koppeling van het akoestische veld met moleculen van een chemische stof. De effecten van ultrasone trillingen zijn in grote mate een gevolg van de ultrasone cavitatie in vloeistoffen. Daarom vereist ultrasoon geassisteerde katalyse dat ten minste één reagens zich in de vloeistoffase bevindt. Ultrasoon draagt bij aan heterogene en homogene katalyse op vele manieren. Individuele effecten kunnen worden bevorderd of verminderd door de ultrasone amplitude en vloeistofdruk aan te passen.

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 sleutelfactor voor veel meerfasige chemische reacties. Om deze reden is het specifieke oppervlak van de fasegrens van invloed op de chemische reactiesnelheid.

Ultrasoon is een zeer effectief middel voor de dispersie van vaste stoffen en voor de emulsificatie van vloeistoffen. Door de deeltjes/druppelgrootte te verkleinen, neemt tegelijkertijd het totale oppervlak van de faseovergang toe. De grafiek links toont de correlatie tussen deeltjesgrootte en oppervlakte in het geval van bolvormige deeltjes of druppels (Klik voor een grotere weergave!). Naarmate het fasegrensoppervlak toeneemt, neemt ook de chemische reactiesnelheid toe. Voor veel materialen kan ultrasone cavitatie deeltjes en druppels van zeer fijn formaat – vaak aanzienlijk lager dan 100 nanometer. Als de dispersie of emulsie ten minste tijdelijk stabiel wordt, kan de toepassing van ultrasoon kan alleen in een beginfase nodig zijn van de chemische reactie. Een inline ultrasone reactor voor het initieel mengen van de reagentia en de katalysator kan in zeer korte tijd en met hoge stroomsnelheden fijne deeltjes/druppeltjes genereren. Het kan zelfs worden toegepast op zeer viskeuze media.

Massatransfer

Wanneer reagentia reageren op een faseovergang, hopen 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 het samenklonteren en de daaropvolgende vorming van nieuwe druppels. Naarmate de chemische reactie vordert, kan een herhaalde sonificatie, bijvoorbeeld in twee fasen of in recirculatie, nodig zijn om de blootstelling van de reagentia maximaliseren.

Energie-input

Ultrasone cavitatie is een unieke manier om energie in chemische reacties stoppen. Een combinatie van hogesnelheidsvloeistofstralen, hoge druk (>1000atm) en hoge temperaturen (>5000K), enorme verwarmings- en koelsnelheden (>10⁹Ks^-1) worden lokaal geconcentreerd tijdens de implosieve compressie van cavitatiebellen. Kenneth Suslick zegt: “Cavitatie is een buitengewone methode om de diffuse energie van geluid te concentreren in een chemisch bruikbare vorm.”

Toename in reactiviteit

Cavitatie-erosie op deeltjesoppervlakken genereert ongepassiveerde, zeer reactieve oppervlakken. Kortstondige hoge temperaturen en drukken dragen bij aan moleculaire ontleding en verhogen de reactiviteit van veel chemische stoffen. Ultrasone bestraling kan worden gebruikt bij de bereiding van katalysatoren, bijvoorbeeld om aggregaten van fijne deeltjes te produceren. Dit produceert amorfe katalysatoren deeltjes met een hoog specifiek oppervlak gebied. Door deze aggregaatstructuur kunnen dergelijke katalysatoren worden gescheiden van de reactieproducten (d.w.z. door filtratie).

Ultrasoon reinigen

Vaak gaat katalyse gepaard met ongewenste bijproducten, verontreinigingen of onzuiverheden in de reagentia. Dit kan leiden tot degradatie en aangroei op het oppervlak van vaste katalysatoren. Fouling vermindert het blootgestelde katalysatoroppervlak en verlaagt daardoor de efficiëntie. Het moet tijdens het proces of in recyclingintervallen worden verwijderd met behulp van andere proceschemicaliën. Ultrasoonbehandeling is een effectief middel om katalysatoren reinigen of het recyclageproces van katalysatoren ondersteunen. Ultrasoon reinigen is waarschijnlijk de meest voorkomende en bekendste toepassing van ultrasoon. De inwerking van cavitatievloeistofstralen en schokgolven tot 10⁴atm kan plaatselijke schuifkrachten, erosie en oppervlaktebeschadiging veroorzaken. Voor fijne deeltjes leiden botsingen tussen de deeltjes met hoge snelheid tot oppervlakte-erosie en zelfs slijpen en frezen. Deze botsingen kunnen plaatselijke tijdelijke botsingstemperaturen van ongeveer 3000 K veroorzaken. Suslick toonde aan dat ultrasoonbehandeling effectief verwijdert oxidelagen op het oppervlak. Het verwijderen van dergelijke passiverende coatings verbetert de reactiesnelheid voor een groot aantal reacties aanzienlijk (Suslick 2008). De toepassing van ultrasoon geluid helpt om het aangroeiprobleem van een vaste gedispergeerde katalysator tijdens katalyse te verminderen en draagt bij aan de reiniging tijdens het katalysatorrecyclingproces.

Voorbeelden van ultrasone katalyse

Er zijn talloze voorbeelden voor ultrasoon ondersteunde katalyse en voor de ultrasone bereiding van heterogene katalysatoren. We bevelen de sonokatalyse artikel door Kenneth Suslick voor een uitgebreide introductie. Hielscher levert ultrasone reactoren voor de bereiding van katalysatoren of katalyse, zoals de katalytische omestering voor de productie van methylesters (d.w.z. vette methylester = biodiesel).

Ultrasone apparatuur voor Sonokatalyse

Hielscher produceert ultrasone apparaten voor gebruik bij elke schaal en voor een verscheidenheid aan processen. Dit omvat laboratorium sonicatie in kleine flesjes en industriële reactoren en flowcellen. Voor initiële procestests op laboratoriumschaal is de UP400S (400 watt) is zeer geschikt. Het kan zowel voor batchprocessen als voor inline sonificatie gebruikt worden. Voor het testen en optimaliseren van processen voordat ze opgeschaald worden, raden we aan om de UIP1000hd (1000 watt)Deze apparaten zijn zeer flexibel en de resultaten kunnen lineair worden geschaald naar een grotere capaciteit. Voor productie op volle schaal bieden we ultrasone apparaten tot 10kW en 16kW ultrasoon vermogen. Clusters van meerdere van dergelijke eenheden bieden een zeer hoge verwerkingscapaciteit.

We ondersteunen u graag bij het testen, optimaliseren en opschalen van uw processen. Praat met ons over geschikte apparatuur of bezoek ons proceslaboratorium.

Literatuur over Sonokatalyse en ultrasoon ondersteunde katalyse

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 de chemische gevolgen ervan, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “sonokatalyse” In Handboek Heterogene Katalyse, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.