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 da Sonocatálise

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 em líquidos varia de aproximadamente 110 a 0,15mm para frequências entre 18kHz e 10MHz. Isso está significativamente acima das dimensões moleculares. Por essa razão, não há acoplamento direto do campo acústico com moléculas de uma espécie química. Os efeitos da ultrassonização são em grande parte 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

Reações químicas envolvendo reagentes e um catalisador de mais de uma fase (catálise heterogênea) estão limitadas ao limite de fase, pois este é o único lugar onde o reagente e o catalisador estão presentes. Exposição dos reagentes e do catalisador uns aos outros é um 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/gotícula, a área total da superfície do limite de fase aumenta ao mesmo tempo. O gráfico à esquerda mostra a correlação entre o tamanho das partículas e a área da superfície em caso de partículas esféricas ou gotículas (Clique para ver maior!). À medida que a superfície de fronteira de fase aumenta, a taxa de reação química também aumenta. Para muitos materiais cavitação ultrassônica 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 em um limite de fase, os produtos da reação química se acumulam na superfície de contato. Isso bloqueia outras moléculas de reagente de interagir neste limite de fase. As forças de cisalhamento mecânico causadas por correntes de jato cavitacional e fluxo acústico resultam em fluxo turbulento e transporte de material de e para superfícies de partículas ou gotículas. No caso das gotículas, a tesoura alta pode levar à coalescência e à subsequente formação de novas gotículas. À medida que a reação química progride ao longo do tempo, uma sônica repetida, por exemplo, dois estágios ou recirculação, pode ser necessária 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 Diz: “Cavitação é um método extraordinário de concentrar a energia difusa do som em uma forma quimicamente utilizável.”

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. Isso pode levar à degradação e incrustamento na superfície de catalisadores sólidos. A incrusção reduz a superfície do catalisador exposto e, portanto, reduz sua eficiência. Não precisa ser removido durante o processo ou em intervalos de reciclagem usando outros produtos químicos de processo. Ultrassônica 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..