Hielscher ultralydteknologi

Sonocatalysis – Ultralydassistert katalyse

Ultralyd påvirker katalysatorreaktiviteten under katalyse ved forbedret masseoverføring og energiinngang. I heterogen katalyse, hvor katalysatoren er i en annen fase til reaktantene, øker ultralyddispersjon overflaten som er tilgjengelig for reaktantene.

Bakgrunn av Sonocatalysis

Katalyse er prosess der frekvensen av a kjemisk reaksjon er økt (eller redusert) ved hjelp av en katalysator. Produksjonen av mange kjemikalier innebærer katalyse. Innflytelsen på reaksjonshastigheten avhenger av hyppigheten av kontakt av reaktantene i hastighetsbestemmende trinn. Generelt øker katalysatorene reaksjonshastigheten og senker aktiveringsenergien ved å gi en alternativ reaksjonsbane til reaksjonsproduktet. For dette reagerer katalysatorene med en eller flere reaktanter for å danne mellomprodukter som deretter gir sluttproduktet. Det sistnevnte trinn regenererer katalysatoren. Av senker aktiveringsenergien, mer molekylære kollisjoner har den energien som trengs for å nå overgangsstaten. I noen tilfeller brukes katalysatorer, endre selektiviteten til en kjemisk reaksjon.

Sonocatalysis: Diagram illustrates the effect of a catalyst in a chemical reaction X+Y to produce Z De Diagrammet til høyre illustrerer effekten av en katalysator i en kjemisk reaksjon X + Y for å produsere Z. Katalysatoren gir en alternativ vei (grønn) med en lavere aktiveringsenergi Ea.

Effekter av ultralyd

Akustisk bølgelengde i væsker varierer fra ca. 110 til 0,15 mm for frekvenser mellom 18 kHz og 10 MHz. Dette er betydelig over molekylære dimensjoner. Av denne grunn er det ingen direkte kobling av det akustiske feltet med molekyler av en kjemisk art. Effekten av ultralydbehandling er i stor grad et resultat av Ultralydkavitasjon i væsker. Derfor krever ultralydassistert katalyse at minst ett reagens skal være i flytende fase. Ultralyding bidrar til heterogen og homogen katalyse på mange måter. Individuelle effekter kan fremmes eller reduseres for å tilpasse ultralydamplituden og væsketrykket.

Ultrasonic Dispersing og Emulsifying

Kjemiske reaksjoner som involverer reagenser og en katalysator på mer enn én fase (heterogen katalyse) er begrenset til fasegrensen, da dette er det eneste stedet, hvor reagensen samt katalysatoren er tilstede. Eksponering av reagensene og katalysatoren for hverandre er en nøkkelfaktor for mange flerfasede kjemiske reaksjoner. Av denne grunn blir det bestemte overflatearealet av fasegrensen innflytelsesrik for den kjemiske reaksjonshastigheten.

Grafisk viser korrelasjonen mellom partikkelstørrelse og overflatearealUltrasonication er et veldig effektivt middel for dispersjon av faste stoffer og for emulgering av væsker. Ved å redusere partikkel-/dråpestørrelsen øker det totale overflatearealet av fasegrensen samtidig. Grafikken til venstre viser sammenhengen mellom partikkelstørrelse og overflateareal ved sfæriske partikler eller dråper (Klikk for større visning!). Som fasegrenseoverflaten øker, gjør også den kjemiske reaksjonshastigheten. For mange materialer kan ultralydkavitasjon lage partikler og dråper av veldig fin størrelse – ofte betydelig under 100 nanometer. Hvis dispersjonen eller emulsjonen blir minst midlertidig stabil, kan anvendelsen av ultralyd kan bare kreves i en innledende fase av den kjemiske reaksjonen. En in-line ultralydreaktor for den første blanding av reagensene og katalysatoren kan danne finstørrelsespartikler / -dråper i svært kort tid og ved høye strømningshastigheter. Den kan brukes selv til svært viskøse medier.

Masse-Transfer

emulsjonNår reagenser reagerer ved en fasegrense, akkumuleres produktene av den kjemiske reaksjonen på kontaktoverflaten. Dette blokkerer andre reagensmolekyler fra å samhandle ved denne fasegrensen. Mekaniske skjærkrefter forårsaket av kavitasjonsstrålestrømmer og akustisk streaming resulterer i turbulent strømning og materialtransport fra og til partikkel- eller dråpeoverflater. Ved dråper kan den høye skjær føre til koalescence og påfølgende dannelse av nye dråper. Etter hvert som den kjemiske reaksjonen utvikler seg over tid, kan det være nødvendig med en gjentatt sonikering, for eksempel totrinns eller resirkulering, for å maksimere eksponeringen av reagensene.

Energiinngang

Ultralydkavitasjon er en unik måte å sette energi i kjemiske reaksjoner. En kombinasjon av høyhastighets væskestråler, høytrykk (>1000atm) og høye temperaturer (>5000K), enorme oppvarmings- og kjølehastigheter (>109Ks-1) forekommer lokalt konsentrert under implosiv kompresjon av kavitasjonsbobler. Kenneth Suslick Sier: “Kavitasjon er en ekstraordinær metode for å konsentrere den diffuse energien av lyd til en kjemisk brukbar form.”

Økning i reaktivitet

Kavitasjons erosjon på partikkelflater genererer unpassivated, svært reaktive overflater. Kortvarige høye temperaturer og trykk bidrar til molekylær dekomponering og øke reaktiviteten av mange kjemiske arter. Ultralydbestråling kan brukes til fremstilling av katalysatorer, for eksempel for å produsere aggregater av finstørrelsespartikler. Dette gir amorfe katalysatorer partikler med høy spesifikk overflate område. På grunn av denne aggregatstrukturen kan slike katalysatorer separeres fra reaksjonsproduktene (dvs. ved filtrering).

Ultralydrengjøring

Ofte innebærer katalyse uønskede byprodukter, forurensninger eller urenheter i reagensene. Dette kan føre til nedbrytning og begroing på overflaten av faste katalysatorer. Begroing reduserer den eksponerte katalysatoroverflaten og reduserer dermed effektiviteten. Det trenger ingen fjernes enten under prosessen eller i resirkuleringsintervaller ved hjelp av andre prosesskjemikamikamer. Ultralydbehandling er et effektivt middel for å rene katalysatorer eller bistå katalysatorgenvinningsprosessen. Ultralydrengjøring er sannsynligvis den vanligste og mest kjente bruken av ultralyd. Impingement av kavitational flytende stråler og støtbølger på opptil 104atm kan skape lokaliserte skjærkrafter, erosjon og overflatepitting. For partikler med fin størrelse gir høyhastighets inter-partikkel kollisjoner overflate erosjon og jevn sliping og fresing. Disse kollisjonene kan forårsake lokale forbigående støtemperaturer på ca. 3000K. Suslick viste at ultralydningen effektivt fjerner overflateoksidbelegg. Fjernelsen av slike passiverende belegg forbedrer dramatisk reaksjonshastighetene for et bredt spekter av reaksjoner (Suslick 2008). Anvendelsen av ultralyd bidrar til å redusere fouling problemet med en fast dispergert katalysator under katalyse og bidrar til rengjøring under katalysatorgenvinningsprosessen.

Eksempler på ultralydkatalyse

Det finnes mange eksempler på ultralydassistert katalyse og for ultralydsberedning av heterogene katalysatorer. Vi anbefaler Sonocatalysis Artikkel av Kenneth Suslick for en omfattende introduksjon. Hielscher leverer ultralydreaktorer for fremstilling av katalysatorer eller katalyse, Biodiesel Pumpeslik som katalytisk transesterifisering for fremstilling av metylestere (dvs. fett metylester = biodiesel).

Ultralydutstyr for sonokatalyse

Ultralydreaktor med 7 x 1kW ultralydsprosessorer UIP1000hdHielscher produserer ultralydsenheter for bruk på hvilken som helst skala og for en ulike prosesser. Dette inkluderer Lab sonikering i små flasker så vel som industrielle reaktorer og strømningsceller. For første prosessprøve i lab skala skal UP400S (400 watt) er veldig egnet. Den kan brukes til batchprosesser, samt for inline sonication. For prosesstesting og optimalisering før oppskalering anbefaler vi at du bruker UIP1000hd (1000 watt), da disse enhetene er svært tilpassbare og resultatene skal skaleres lineært til større kapasitet. For fullskala produksjon tilbyr vi ultralydsenheter opp til 10kW og 16kW ultralydskraft. Klynger av flere slike enheter gir svært høy prosesseringskapasitet.

Vi vil være glad for å støtte prosesstesting, optimalisering og oppskalering. Snakk til oss om egnet utstyr eller besøk vårt prosesslaboratorium.

Be om mer informasjon!

Fyll dette skjemaet for å be om mer informasjon om sonocatalysis og ultrasonisk assistert katalyse.









Vær oppmerksom på at Personvernregler.


Litteratur om sonokatalyse og ultralydassistert katalyse

Suslick, KS; Didenko, Y .; Fang, MM; Hyeon, T .; Kolbeck, KJ; McNamara, WB III; Mdleleni, MM; Wong, M. (1999): Akustisk kavitation og dens kjemiske konsekvenser, i: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, KS; Skrabalak, SE (2008): “Sonocatalysis” I håndboken for heterogen katalyse, vol. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., Eds .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, s. 2006-2017.