Sonocatalysis – Catálise ultra-som Assisted

Ultra-som afecta a reactividade do catalisador durante a catálise por transferência de massa melhorada e consumo de energia. Em catálise heterogénea, onde o catalisador se encontra numa fase diferente para os reagentes, dispersão ultra-sónica aumenta a área superficial disponível para os reagentes.

Fundo de Catálise

Catálise é processo no qual a taxa de um reacção química é aumentada (Ou diminuída) por meio de um catalisador. A produção de muitos produtos químicos envolve catálise. A influência sobre a velocidade de reacção depende da frequência de contacto dos reagentes no passo determinante da velocidade. Em geral, os catalisadores aumentam a velocidade de reacção e diminuir a energia de activação, fornecendo uma via de reacção alternativa para o produto da reacção. Para tal, os catalisadores de reagir com um ou mais reagentes para formar intermediários que dão, posteriormente, o produto final. O último passo regenera o catalisador. De baixar a energia de activação, Mais colisões moleculares têm a energia necessária para atingir o estado de transição. Em alguns casos os catalisadores são usados ​​mudança a selectividade de uma reacção química.

o diagrama à direita ilustra o efeito de um catalisador numa reacção química X + Y para produzir Z. O catalisador proporciona uma via alternativa (verde) com uma activação mais baixa energia Ea.

Efeitos de Ultrasonication

O comprimento de onda acústico nos líquidos varia de aproximadamente 110 a 0.15 mm para freqüências entre 18kHz e 10MHz. Isto é significativamente acima das dimensões moleculares. Por esta razão, não há acoplamento direto do campo acústico com moléculas de uma espécie química. Os efeitos do ultrasonication são a um grande grau um resultado do cavitação ultra-sônica em líquidos. Portanto, a catálise assistida por ultra-sons requer, pelo menos, um reagente para a fase líquida. Ultra-som contribui para a catálise heterogênea e homogênea de muitas maneiras. efeitos individuais pode ser promovido ou reduzida adaptação a amplitude de ultra-sons e da pressão do líquido.

Ultrasonic dispersão e emulsão

As reações químicas que envolvem reagentes e um catalisador de mais de uma fase (catálise heterogênea) são limitadas ao limite de fase, pois este é o único lugar, onde o reagente, bem como o catalisador estão presentes. A exposição dos reagentes e do catalisador entre si é uma factor essencial para muitas reacções químicas de várias fases. Por esta razão, a área superficial específica da fase de limite torna-se influente para a taxa de reacção química.

Ultra-som é um meio muito eficaz para o dispersão de sólidos e para o emulsificação de líquidos. Ao reduzir o tamanho da partícula/gotículo, a área total da superfície do limite de fase aumenta ao mesmo tempo. O gráfico à esquerda mostra a correlação entre o tamanho de partícula e a área de superfície em caso de partículas esféricas ou gotículas (Clique para ver maior!). Como a superfície de limite de fase aumenta assim que a taxa de reação química. Para muitos materiais cavitação ultra-sônica pode fazer partículas e gotículas de tamanho muito fino – muitas vezes significativamente abaixo de 100 nanómetros. Se a dispersão ou a emulsão torna-se, pelo menos, temporariamente estável, a aplicação de ultra-sons pode ser necessária apenas a uma fase inicial da reacção química. Um reactor de ultra-sónica em linha para a mistura inicial dos reagentes e o catalisador pode gerar partículas de tamanho fino / gotas em muito pouco tempo e com grandes caudais. Pode ser aplicado até mesmo para uma mídia altamente viscoso.

Transferência de massa

Quando os reagentes reagem num limite de fase, os produtos da reacção química acumulam-se na superfície de contacto. Isso bloqueia outras moléculas de reagente de interagir neste limite de fase. As forças de cisalhamento mecânicas causadas por correntes de jato cavitacionais e fluxo acústico resultam em fluxos turbulentos e transporte de materiais de e para superfícies de partículas ou gotas. No caso de gotículas, o alto cisalhamento pode levar à coalescência e subsequente formação de novas gotículas. Como a reação química progride ao longo do tempo, um sonication repetido, por exemplo, dois estágios ou recirculação, pode ser exigido para maximizar a exposição dos reagentes.

Entrada de energia

cavitação ultra-sônica é uma maneira única de colocar energia em reações químicas. Uma combinação de jactos de líquido de alta velocidade, de alta pressão (>1000atm) e altas temperaturas (>5000K), aquecimento e arrefecimento enormes taxas (>10⁹ks^{-1 de}) Ocorrem localmente concentrada durante a compressão implosivas de bolhas cavitacionais. Kenneth Suslick says: "Cavitation is an extraordinary method of concentrating the diffuse energy of sound into a chemically usable form."

Aumento na reactividade

erosão por cavitação em superfícies de partículas gera superfícies unpassivated, altamente reactivos. temperaturas e altas pressões de curta duração contribuir para decomposição molecular e aumentar a reactividade de muitas espécies químicas. irradiação ultra-sónica pode ser utilizada na preparação de catalisadores, por exemplo para a produção de agregados de partículas de tamanho fino. Isto produz catalisadores amorfos partículas de alta superfície específica área. Devido a esta estrutura agregada, tais catalisadores podem ser separados a partir dos produtos da reacção (isto é por filtração).

limpeza ultra-sônica

Muitas vezes, a catálise envolve subprodutos indesejados, contaminações ou impurezas nos reagentes. Isto pode conduzir à degradação e à incrustagem na superfície de catalisadores sólidos. A incrustante reduz a superfície do catalisador exposto e, portanto, reduz sua eficiência. Ele não precisa ser removido tanto durante o processo ou em intervalos de reciclagem usando outros produtos químicos do processo. Ultrasonication é um meio eficaz para catalisadores limpas ou auxiliar o processo de reciclagem de catalisador. limpeza ultra-sônica é provavelmente a aplicação mais comum e conhecida de ultra-som. O impacto de jactos de líquido cavitacionais e ondas de choque de até 10⁴atm pode criar forças de cisalhamento localizadas, erosão e corrosão superficial. Para partículas de tamanho fino, de alta velocidade colisões inter-partículas levar a superfície da erosão e ainda trituração e moagem. Essas colisões podem causar temperaturas impacto transitório locais de aprox. 3000K. Suslick demonstrado, que a ultra-sons de forma eficaz remove revestimentos de óxido de superfície. A remoção de tais revestimentos de passivação melhora drasticamente as taxas de reacção para uma grande variedade de reacções (Suslick 2008). A aplicação de ultra-sons ajuda a reduzir o problema de incrustações de um catalisador sólido disperso durante a catálise e contribui para a limpeza durante o processo de reciclagem do catalisador.

Exemplos de ultra-som Catálise

Existem numerosos exemplos para a catálise assistida por ultra-sons e para a preparação de catalisadores heterogéneos de ultra-sons. Recomendamos o Sonocatalysis artigo de Kenneth Suslick para uma introdução abrangente. Hielscher fornece reactores de ultra-sons para a preparação de catalisadores ou catalisadores, tais como o transesterificação catalítica para a produção de ésteres metílicos (isto é, éster metílico gordo = biodiesel).

Equipamento ultra-som para Sonocatalysis

Hielscher fabrica aparelhos de ultra-som para o uso em qualquer escala e por um variedade de processos. Isso inclui sonicação laboratório em pequenos frascos, bem como reactores industriais e células de fluxo. Para o teste inicial do processo em escala laboratorial o UP400S (400 watts) é muito adequado. Ele pode ser utilizado para processos descontínuos, bem como para sonicação em linha. Para os testes de processo e otimização antes de escala para cima, recomendamos o uso do UIP1000hd (1000 watts), Como esta unidades é muito adaptável e resulta con ser dimensionado linear para qualquer capacidade maior. Para a produção em grande escala que oferecem dispositivos ultra-sônicos de até 10kW e 16kW energia ultra-sônica. Aglomerados de várias dessas unidades fornecer capacidades de processamento muito elevadas.

Teremos o maior prazer para apoiar o seu teste de processos, otimização e ampliar. Fale Conosco Equipamento adequado ou sobre visite nosso laboratório processo.

Literatura sobre Catálise Sonocatalysis e Ultrassonicamente Assistida

Suslick, K. S .; Didenko, Y .; Fang, M. M .; Hyeon, T .; Kolbeck, K. J .; McNamara, W.B. III; Mdleleni, M. M .; Wong, M. (1999): Acústica cavitação e suas consequências Química, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

S.; Skrabalak, S. E. (2008): "Sonocatalysis" No Manual de Catálise, vol. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., Eds .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp 2006-2017..