sonokataliza – Kataliza wspomagana ultradźwiękami

Ultradźwięki wpływają na reaktywność katalizatora podczas katalizy poprzez zwiększony transfer masy i wkład energii. W katalizie heterogenicznej, w której katalizator znajduje się w innej fazie niż reagenty, dyspersja ultradźwiękowa zwiększa powierzchnię dostępną dla reagentów.

Kontekst sonokatalizy

Kataliza jest procesem, w którym szybkość reakcja chemiczna jest zwiększona (lub zmniejszona) za pomocą katalizatora. Produkcja wielu substancji chemicznych wymaga katalizy. Wpływ na szybkość reakcji zależy od częstotliwości kontaktu reagentów na etapie decydującym o szybkości. Ogólnie rzecz biorąc, katalizatory zwiększają szybkość reakcji i obniżają energię aktywacji poprzez zapewnienie alternatywnej ścieżki reakcji do produktu reakcji. W tym celu katalizatory reagują z jednym lub kilkoma reagentami, tworząc półprodukty, które następnie dają produkt końcowy. Ten ostatni etap regeneruje katalizator. Przez obniżenie energii aktywacjiWówczas więcej zderzeń molekularnych ma energię potrzebną do osiągnięcia stanu przejściowego. W niektórych przypadkach katalizatory zmieniają selektywność reakcji chemicznej.

The wykres po prawej stronie ilustruje efekt katalizatora w reakcji chemicznej X + Y w celu wytworzenia Z. Katalizator zapewnia alternatywną ścieżkę (zielony) z niższą energią aktywacji Ea.

Efekty ultradźwięków

Długość fali akustycznej w cieczach wynosi od około 110 do 0,15 mm dla częstotliwości od 18 kHz do 10 MHz. Jest to znacznie powyżej wymiarów molekularnych. Z tego powodu nie ma bezpośredniego sprzężenia pola akustycznego z cząsteczkami gatunków chemicznych. Efekty ultradźwięków są w dużym stopniu wynikiem Kawitacja ultradźwiękowa w cieczach. Dlatego kataliza wspomagana ultradźwiękami wymaga, aby co najmniej jeden odczynnik znajdował się w fazie ciekłej. Ultradźwięki przyczyniają się do katalizy heterogenicznej i homogenicznej na wiele sposobów. Poszczególne efekty można promować lub redukować, dostosowując amplitudę ultradźwięków i ciśnienie cieczy.

Ultradźwiękowe dyspergowanie i emulgowanie

Reakcje chemiczne z udziałem reagentów i katalizatora z więcej niż jednej fazy (kataliza heterogeniczna) są ograniczone do granicy faz, ponieważ jest to jedyne miejsce, w którym obecny jest zarówno reagent, jak i katalizator. Ekspozycja reagentów i katalizatora na siebie nawzajem to kluczowy czynnik dla wielu wielofazowych reakcji chemicznych. Z tego powodu powierzchnia właściwa granicy faz ma wpływ na szybkość reakcji chemicznej.

Ultradźwięki są bardzo skutecznym środkiem do dyspersji ciał stałych i dla emulgowanie cieczy. Zmniejszając rozmiar cząstek/kropli, jednocześnie zwiększa się całkowite pole powierzchni granicy faz. Grafika po lewej stronie pokazuje korelację między rozmiarem cząstek a polem powierzchni w przypadku cząstek sferycznych lub kropelek (Kliknij, aby powiększyć widok!). Wraz ze wzrostem powierzchni granicy faz wzrasta szybkość reakcji chemicznej. W przypadku wielu materiałów kawitacja ultradźwiękowa może powodować powstawanie cząstek i kropelek o wielkości bardzo drobny rozmiar – często znacznie poniżej 100 nanometrów. Jeśli dyspersja lub emulsja stanie się przynajmniej tymczasowo stabilna, zastosowanie ultradźwięki mogą być wymagane tylko w początkowej fazie reakcji chemicznej. Wbudowany reaktor ultradźwiękowy do wstępnego mieszania odczynników i katalizatora może generować drobne cząstki/kropelki w bardzo krótkim czasie i przy dużych prędkościach przepływu. Może być stosowany nawet do bardzo lepkich mediów.

Transfer masy

Gdy odczynniki reagują na granicy faz, produkty reakcji chemicznej gromadzą się na powierzchni kontaktu. Blokuje to inne cząsteczki reagentów przed interakcją na tej granicy faz. Mechaniczne siły ścinające powodowane przez strumienie kawitacyjne i strumienie akustyczne skutkują turbulentnym przepływem i transportem materiału z i do powierzchni cząstek lub kropel. W przypadku kropelek, wysokie ścinanie może prowadzić do koalescencji, a następnie tworzenia nowych kropelek. Ponieważ reakcja chemiczna postępuje w czasie, powtarzana sonikacja, np. dwustopniowa lub recyrkulacyjna, może być wymagana do maksymalizacja ekspozycji odczynników.

Energia wejściowa

Kawitacja ultradźwiękowa to wyjątkowy sposób na wkładają energię w reakcje chemiczne. Połączenie szybkich strumieni cieczy, wysokiego ciśnienia (>1000atm) i wysokie temperatury (>5000K), ogromne szybkości grzania i chłodzenia (>10⁹Ks^-1) występują lokalnie skoncentrowane podczas implozyjnego ściskania pęcherzyków kawitacyjnych. Kenneth Suslick mówi: “Kawitacja to niezwykła metoda koncentrowania rozproszonej energii dźwięku w formie użytecznej chemicznie.”

Zwiększona reaktywność

Erozja kawitacyjna na powierzchniach cząstek generuje niepasywowane, wysoce reaktywne powierzchnie. Krótkotrwałe wysokie temperatury i ciśnienia przyczyniają się do rozkład molekularny i zwiększenie reaktywności wielu gatunków chemicznych. Promieniowanie ultradźwiękowe może być stosowane do wytwarzania katalizatorów, np. do wytwarzania agregatów cząstek o drobnych rozmiarach. W ten sposób powstają katalizatory amorficzne cząstki o wysokiej powierzchni właściwej powierzchnia. Ze względu na tę zagregowaną strukturę, takie katalizatory można oddzielić od produktów reakcji (np. poprzez filtrację).

Ultradźwiękowe cyszczenie

Często kataliza wiąże się z niepożądanymi produktami ubocznymi, zanieczyszczeniami lub nieczystościami w odczynnikach. Może to prowadzić do degradacji i zanieczyszczenia powierzchni stałych katalizatorów. Zanieczyszczenia zmniejszają odsłoniętą powierzchnię katalizatora, a tym samym zmniejszają jego wydajność. Nie trzeba go usuwać ani podczas procesu, ani w okresach recyklingu przy użyciu innych chemikaliów procesowych. Ultradźwięki są skutecznym środkiem do czyszczenie katalizatorów lub wspomaganie procesu recyklingu katalizatorów. Czyszczenie ultradźwiękowe jest prawdopodobnie najbardziej powszechnym i znanym zastosowaniem ultradźwięków. Uderzenie kawitacyjnych strumieni cieczy i fal uderzeniowych o wartości do 10⁴atm może powodować lokalne siły ścinające, erozję i wżery powierzchniowe. W przypadku drobnych cząstek, zderzenia międzycząsteczkowe o dużej prędkości prowadzą do erozji powierzchni, a nawet szlifowanie i frezowanie. Zderzenia te mogą powodować lokalne przejściowe temperatury uderzenia wynoszące ok. 3000 K. Suslick wykazał, że ultradźwięki skutecznie usuwa powierzchniowe powłoki tlenkowe. Usunięcie takich pasywujących powłok znacznie poprawia szybkość reakcji w wielu różnych reakcjach (Suslick 2008). Zastosowanie ultradźwięków pomaga zmniejszyć problem zanieczyszczenia stałego zdyspergowanego katalizatora podczas katalizy i przyczynia się do czyszczenia podczas procesu recyklingu katalizatora.

Przykłady katalizy ultradźwiękowej

Istnieje wiele przykładów katalizy wspomaganej ultradźwiękami i ultradźwiękowego przygotowania katalizatorów heterogenicznych. Zalecamy sonokataliza Artykuł Kennetha Suslicka dla kompleksowego wprowadzenia. Hielscher dostarcza reaktory ultradźwiękowe do przygotowania katalizatorów lub katalizy, takich jak katalityczna transestryfikacja do produkcji metyloestrów (tj. metyloester tłuszczowy = biodiesel).

Sprzęt ultradźwiękowy do sonokatalizy

Hielscher produkuje urządzenia ultradźwiękowe do użytku w każdej skali i dla różnorodność procesów. Obejmuje to sonikacja laboratoryjna w małych fiolkach, jak również Reaktory przemysłowe i komory przepływowe. Do wstępnego testu procesu w skali laboratoryjnej UP400S (moc 400W) jest bardzo odpowiedni. Może być stosowany do procesów wsadowych, jak również do sonikacji inline. Do testowania i optymalizacji procesu przed zwiększeniem skali, zalecamy użycie aplikacji UIP1000hd (1000 W)Ponieważ urządzenia te są bardzo elastyczne, a wyniki można skalować liniowo do dowolnej większej wydajności. Do produkcji na pełną skalę oferujemy urządzenia ultradźwiękowe do 10kW i 16kW moc ultradźwięków. Klastry kilku takich jednostek zapewniają bardzo wysoką wydajność przetwarzania.

Chętnie pomożemy w testowaniu, optymalizacji i skalowaniu procesów. Porozmawiaj z nami o odpowiednim sprzęcie lub Odwiedź nasze laboratorium procesowe.

Literatura na temat sonokatalizy i katalizy wspomaganej ultradźwiękami

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

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