Ulepszone katalizatory Fischer-Tropsch dzięki sonikacji

Ulepszona synteza katalizatorów Fischera-Tropscha za pomocą ultradźwięków: Ultradźwiękowa obróbka cząstek katalizatora jest wykorzystywana do kilku celów. Synteza ultradźwiękowa pomaga tworzyć zmodyfikowane lub sfunkcjonalizowane nanocząstki, które mają wysoką aktywność katalityczną. Zużyte i zatrute katalizatory można łatwo i szybko odzyskać za pomocą ultradźwiękowej obróbki powierzchni, która usuwa inaktywujące zanieczyszczenia z katalizatora. Wreszcie, ultradźwiękowa deaglomeracja i dyspersja skutkuje jednolitym, monodyspersyjnym rozkładem cząstek katalizatora, aby zapewnić wysoką aktywną powierzchnię cząstek i przenoszenie masy w celu optymalnej konwersji katalitycznej.

Wpływ ultradźwięków na katalizator

Ultradźwięki o dużej mocy są dobrze znane ze swojego pozytywnego wpływu na reakcje chemiczne. Gdy intensywne fale ultradźwiękowe są wprowadzane do ciekłego medium, generowana jest kawitacja akustyczna. Kawitacja ultradźwiękowa wytwarza lokalnie ekstremalne warunki z bardzo wysokimi temperaturami do 5000 K, ciśnieniami około 2000 atm i strumieniami cieczy o prędkości do 280 m/s. Zjawisko kawitacji akustycznej i jej wpływ na procesy chemiczne znane jest pod pojęciem sonochemii.
Powszechnym zastosowaniem ultradźwięków jest przygotowanie heterogenicznych katalizatorów: ultradźwiękowe siły kawitacyjne aktywują powierzchnię katalizatora, ponieważ erozja kawitacyjna generuje niepasywowane, wysoce reaktywne powierzchnie. Ponadto transfer masy jest znacznie poprawiony przez turbulentny strumień cieczy. Wysoka kolizja cząstek spowodowana kawitacją akustyczną usuwa powierzchniowe powłoki tlenkowe cząstek proszku, powodując reaktywację powierzchni katalizatora.

Ultradźwiękowe przygotowanie katalizatorów Fischera-Tropscha

Proces Fischera-Tropscha obejmuje kilka reakcji chemicznych, które przekształcają mieszaninę tlenku węgla i wodoru w ciekłe węglowodory. Do syntezy Fischera-Tropscha można stosować różne katalizatory, ale najczęściej używane są metale przejściowe: kobalt, żelazo i ruten. Wysokotemperaturowa synteza Fischera-Tropscha przebiega z użyciem katalizatora żelazowego.
Ponieważ katalizatory Fischera-Tropscha są podatne na zatrucie katalizatora związkami zawierającymi siarkę, reaktywacja ultradźwiękowa ma ogromne znaczenie dla utrzymania pełnej aktywności katalitycznej i selektywności.

Ultradźwiękowa synteza katalizatorów Core-Shell

Nanostruktury typu rdzeń-powłoka to nanocząstki zamknięte i chronione przez zewnętrzną powłokę, która izoluje nanocząstki i zapobiega ich migracji i koalescencji podczas reakcji katalitycznych

Pirola et al. (2010) przygotowali katalizatory Fischera-Tropscha na bazie żelaza z wysokim ładunkiem aktywnego metalu. W ich badaniach wykazano, że wspomagana ultradźwiękami impregnacja nośnika krzemionkowego poprawia osadzanie metalu i zwiększa aktywność katalizatora. Wyniki syntezy Fischera-Tropscha wykazały, że katalizatory przygotowane za pomocą ultradźwięków są najbardziej wydajne, szczególnie gdy impregnacja ultradźwiękowa odbywa się w atmosferze argonu.

Ultradźwiękowa reaktywacja katalizatora

Ultradźwiękowa obróbka powierzchni cząstek jest szybką i łatwą metodą regeneracji i reaktywacji zużytych i zatrutych katalizatorów. Regenerowalność katalizatora pozwala na jego reaktywację i ponowne użycie, a tym samym jest ekonomicznym i przyjaznym dla środowiska etapem procesu.
Ultradźwiękowa obróbka cząstek usuwa inaktywujące zanieczyszczenia i zanieczyszczenia z cząstek katalizatora, które blokują miejsca reakcji katalitycznej. Obróbka ultradźwiękowa nadaje cząsteczce katalizatora strumień powierzchniowy, usuwając w ten sposób osady z miejsca aktywnego katalitycznie. Po ultradźwiękach aktywność katalizatora jest przywracana do takiej samej skuteczności jak świeży katalizator. Ponadto sonikacja rozbija aglomeraty i zapewnia jednorodny, jednolity rozkład monodyspersyjnych cząstek, co zwiększa powierzchnię cząstek, a tym samym aktywne miejsce katalityczne. W związku z tym ultradźwiękowe odzyskiwanie katalizatora daje zregenerowane katalizatory o dużej powierzchni czynnej dla lepszego przenoszenia masy.
Ultradźwiękowa regeneracja katalizatora działa na cząstki mineralne i metalowe, cząstki (mezo-)porowate i nanokompozyty.

Wysokowydajne systemy ultradźwiękowe dla sonochemii

Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Nasi klienci są zadowoleni z wyjątkowej wytrzymałości i niezawodności systemów Hielscher Ultrasonic. Instalacja w obszarach ciężkich zastosowań, wymagających środowiskach i pracy 24/7 zapewnia wydajne i ekonomiczne przetwarzanie. Ultradźwiękowa intensyfikacja procesu skraca czas przetwarzania i osiąga lepsze wyniki, tj. wyższą jakość, wyższą wydajność, innowacyjne produkty.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: