Ultrasonikację wpływa na reaktywność katalizatora podczas katalizy zwiększenia przenoszenia masy i energii wejściowej. W katalizy heterogenicznej, w którym katalizator znajduje się w innej fazie reagentów ultradźwiękowe dyspersja zwiększa pole powierzchni dostępnej dla reagentów.

Tło sonokatalizy

Katalityczny Proces, w którym przepływność Reakcja chemiczna zwiększa (Lub zmniejszona) za pomocą katalizatora. Produkcja wielu substancji chemicznych wymaga katalizy. Wpływ na szybkość reakcji zależy od częstotliwości kontaktu reagentów w etap decydujący. Na ogół, katalizatory zwiększenia szybkości reakcji i obniżenie energii aktywacji, zapewniając Alternatywną drogą reakcji z produktem reakcji. W tym celu katalizatory reakcji z jednym lub więcej reagentów, z wytworzeniem związków pośrednich, które następnie, otrzymując produkt końcowy. Ten ostatni etap regeneruje się katalizator. Przez obniżenie energii aktywacji, Zderzeń molekularnej energię potrzebną do osiągnięcia stanu przejściowego. W niektórych przypadkach stosuje się katalizatory zmieniana jest selektywność reakcji chemicznej.

The ilustracja z prawej strony ilustruje działanie katalizatora w reakcji chemicznej X + Y w celu wytworzenia Z. Katalizator dostarcza alternatywną drogę (zielony) dolnego energia aktywacji Ea.

Wpływ ultradźwięki

Długość fali akustycznej w cieczach waha się od ok. 110 do 0,15 mm dla częstotliwości pomiędzy 18kHz a 10MHz. Jest to znacznie powyżej wymiarów molekularnych. Z tego powodu nie występuje bezpośrednie sprzężenie pola akustycznego z molekułami jakiegoś gatunku chemicznego. Efekty działania ultradźwięków są w dużym stopniu wynikiem Kawitacja ultradźwiękowa cieczy. W związku z tym, kataliza wspomagane ultradźwiękami wymaga co najmniej jednego odczynnika się w fazie ciekłej. Ultrasonikację przyczynia się do katalizy heterogenicznej i homogenicznej na wiele sposobów. Indywidualne skutki mogą być promowane lub zmniejszona adaptacji ultradźwiękowe amplitudy i ciśnienia cieczy.

Ultradźwiękowy dyspergujące i emulgujące

Reakcje chemiczne z udziałem odczynników i katalizatora o więcej niż jednej fazie (kataliza niejednorodna) ograniczają się do granicy faz, ponieważ jest to jedyne miejsce, w którym występuje zarówno odczynnik, jak i katalizator. Narażenie odczynników i katalizatora na kontakt ze sobą jest następujące Kluczowym czynnikiem dla wielu wielofazowych reakcji chemicznych, Z tego powodu obszar powierzchni granicy faz staje się duży wpływ na szybkość reakcji chemicznej.

Ultradźwięki jest bardzo skutecznym środkiem dla osób dyspersji ciał stałych a dla Emulgowanie ciecze. Poprzez zmniejszenie wielkości cząstek/kropli, jednocześnie zwiększa się całkowita powierzchnia granicy faz. Wykres po lewej stronie pokazuje korelację między wielkością cząstek a powierzchnią w przypadku cząstek sferycznych lub kropel (Kliknij aby powiększyć widok!). Wraz ze wzrostem powierzchni granicznej fazy zwiększa się również szybkość reakcji chemicznej. W przypadku wielu materiałów kawitacja ultradźwiękowa może powodować powstawanie cząstek i kropelek bardzo drobny rozmiar – często znacznie poniżej 100 nanometrów, Jeżeli dyspersja lub emulsja się przynajmniej przejściowo stabilny stosowanie ultradźwięki mogą być wymagane tylko w początkowej fazie reakcji chemicznej. Inline reaktor ultradźwiękowy do wstępnego wymieszania reagentów i katalizatora może wytwarzać drobne cząstki / rozmiaru kropelek w bardzo krótkim czasie i przy dużych natężeniach przepływu. Może być stosowany nawet do bardzo lepkich mediów.

Przekazywanie masy (Mass-Transfer)

Gdy odczynniki reagują na granicy faz, produkty reakcji chemicznej gromadzą się na powierzchni kontaktu. Blokuje to inne cząsteczki odczynników przed oddziaływaniem na tej granicy faz. Mechaniczne siły ścinające powodowane przez strumienie kawitacyjne i strumienie akustyczne powodują turbulentny przepływ i transport materiału z i do powierzchni cząstek lub kropli. W przypadku kropel, wysokie ścinanie może prowadzić do koalescencji i w konsekwencji do powstawania nowych kropel. W miarę jak reakcja chemiczna postępuje w czasie, może być wymagana powtarzalna sonizacja, np. dwustopniowa lub recyrkulacja, w celu maksymalizacji ekspozycji odczynników.

energia wejściowa

Kawitacja ultradźwiękowa jest unikalnym sposobem umieścić energii w reakcjach chemicznych, Kombinacja wysokiej prędkości strumieni cieczy, wysokie ciśnienie (>1000atm) i wysokiej temperatury (>5000K) ogromne szybkość ogrzewania i chłodzenia (>10⁹KS^-1) Występują lokalnie skoncentrowany podczas implozyjne kompresji pęcherzyków kawitacyjnych. Kenneth Suslick. mówi: “Kawitacja jest niezwykłą metodą koncentracji rozproszonej energii dźwięku do postaci chemicznie użytecznej.”

Wzrost reaktywności

Kawitacyjne erozji na powierzchni cząstek wytwarza unpassivated, wysoce reaktywnych powierzchnie, Krótkotrwałe wysokie temperatury i ciśnienia przyczyniają się do Rozkład molekularnych i zwiększenia reaktywności wielu związków chemicznych. Napromieniowanie ultradźwiękowe mogą być stosowane do wytwarzania katalizatorów, np do wytwarzania agregatów cząstek drobnych rozmiarów. Wytwarza się katalizatory amorficzne Cząstki o dużej powierzchni właściwej powierzchnia. Ze względu na ten zespół struktury, takie katalizatory mogą być oddzielone od produktu reakcji (to jest przez filtrację).

Ultradźwiękowe cyszczenie

Często kataliza wiąże się z niepożądanymi produktami ubocznymi, zanieczyszczeniami lub zanieczyszczeniami w odczynnikach. Może to prowadzić do degradacji i zanieczyszczenia powierzchni katalizatorów stałych. Zanieczyszczenia zmniejszają narażoną powierzchnię katalizatora, a tym samym zmniejszają jego wydajność. Nie trzeba go usuwać ani w trakcie procesu, ani w przedziałach czasowych recyklingu przy użyciu innych chemikaliów procesowych. Ultradźwięki są skutecznym środkiem do czysty katalizator lub wspomagać proces recyklingu katalizatorów, czyszczenie ultradźwiękowe jest prawdopodobnie najbardziej powszechne i znane zastosowanie ultradźwięków. Udar kawitacyjnych płynnych strumieni i fal uderzeniowych o maksymalnie 10⁴Bankomat może tworzyć siły ścinające, miejscowe, erozja i zapadania się powierzchni. W przypadku cząstek drobnych rozmiarów, o wysokiej prędkości zderzenia międzycząstkowe spowodować erozję i równej szlifowanie i frezowanie, Te kolizje mogą powodować przemijające miejscowe wpływu temperatury ok. 3000K. Suslick wykazały, że ultrasonikacją skutecznie usunięcie powłok tlenkowych na powierzchni, Usunięcie takich powłok pasywującymi znacznie poprawia szybkość reakcji na różnorodnych reakcji (Suslick 2008). Zastosowanie ultradźwięków pozwala zmniejszyć problem do zanieczyszczeń ciała stałego zdyspergowanego katalizatora podczas katalizy i przyczynia się do oczyszczania w procesie recyklingu katalizatora.

Przykłady ultradźwiękowych Catalysis

Istnieją liczne przykłady katalizatorów ultradźwiękowo pomocą oraz do ultradźwiękowego otrzymywania katalizatorów heterogenicznych. Zalecamy Sonokataliza artykuł Kenneth Suslick kompleksowego wprowadzenia. Hielscher dostarcza reaktorów ultradźwięków do wytwarzania katalizatorów lub katalizy tak jak transestryfikacji katalityczne do wytwarzania estrów metylowych (czyli ester metylowy kwasów tłuszczowych = biodiesel).

Sprzęt ultradźwiękowy dla Sonocatalysis

Hielscher produkuje ultradźwiękowe urządzenia do użytku w każdej skali i dla rozmaite procesy, To zawiera laboratorium ultradźwiękami w małych fiolkach, a także reaktory przemysłowe i komórki przepływowe, W przypadku wstępnego badania procesu w skali laboratoryjnej UP400S (moc 400W) jest bardzo odpowiedni. Może być stosowany dla procesów wsadowych jak również inline ultradźwiękami. Do testowania i optymalizacji procesów przed większą skalę, zalecamy używanie UIP1000hd (1000 watów), A te jednostki jest bardzo elastyczne i wyniki con być skalowane liniowy jakiejkolwiek większej pojemności. Do produkcji na pełną skalę oferujemy ultradźwiękowe urządzenia do wysokości 10kW i 16kW ultradźwiękowy moc. Skupiska kilku takich jednostek zapewniają bardzo wysokie zdolności przetwórcze.

Będziemy zadowoleni, w celu wspierania procesu testowania, optymalizacji i skalowanie. Mów do nas o odpowiednie urządzenia lub odwiedzenia naszego laboratorium procesów.

Literatura na Sonocatalysis i ultradźwiękami Assisted Katalizy

Suslick K. S .; Didenko, Y .; Fang, M. M .; Hyeon, T .; Kolbeck, K. J .; McNamara, W.B. III; Mdleleni, M. M .; Wong, M. (1999): Acoustic kawitacyjny i jego chemiczne Konsekwencje, w: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick K. s.; Skrabalak, S.E. (2008): “Sonokataliza” Handbook katalizy heterogenicznej, obj. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, K .; Weitkamp, ​​J., Eds .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp 2006-2017..