sonocataliză – Cataliză asistată ultrasonically
Ultrasonication afectează reactivitatea catalizatorului în timpul catalizei prin transferul de masă îmbunătățit și aportul de energie. În cataliza eterogenă, în cazul în care catalizatorul se află într-o fază diferită de reactanți, dispersia cu ultrasunete crește suprafața disponibilă reactanților.
Contextul sonocatalizei
Cataliza este procesul în care rata unui reacția chimică este crescută (sau micșorat) cu ajutorul unui catalizator. Producerea multor substanțe chimice implică cataliză. Influența asupra vitezei de reacție depinde de frecvența contactului reactanților în etapa de determinare a vitezei. În general, catalizatorii cresc rata de reacție și reduc energia de activare, oferind o cale alternativă de reacție la produsul de reacție. Pentru aceasta, catalizatorii reacționează cu unul sau mai mulți reactanți pentru a forma intermediari care dau ulterior produsul final. Ultima etapă regenerează catalizatorul. Lângă scăderea energiei de activare, mai multe coliziuni moleculare au energia necesară pentru a ajunge la starea de tranziție. În unele cazuri, catalizatorii sunt utilizați pentru a schimba selectivitatea unei reacții chimice.
Cel diagramă la dreapta ilustrează efectul unui catalizator într-o reacție chimică X+Y pentru a produce Z. Catalizatorul oferă o cale alternativă (verde) cu o activare mai mică Energy Ea.
Efectele ultrasonication
Lungimea de undă acustică în lichide variază de la aproximativ 110 la 0,15 mm pentru frecvențe cuprinse între 18kHz și 10MHz. Aceasta este semnificativ peste dimensiunile moleculare. Din acest motiv, nu există o cuplare directă a câmpului acustic cu moleculele unei specii chimice. Efectele ultrasonication sunt într-o mare măsură un rezultat al Cavitație cu ultrasunete în lichide. Prin urmare, cataliza asistată ultrasonically necesită cel puțin un reactiv pentru a fi în fază lichidă. Ultrasonication contribuie la cataliza eterogenă și omogenă în multe feluri. Efectele individuale pot fi promovate sau reduse adaptând amplitudinea cu ultrasunete și presiunea lichidului.
Dispersarea cu ultrasunete și emulsionarea
Reacțiile chimice care implică reactivi și un catalizator cu mai mult de o fază (cataliză eterogenă) sunt limitate la limita fazei, deoarece acesta este singurul loc în care sunt prezenți atât reactivul, cât și catalizatorul. Expunerea reactivilor și a catalizatorului unul la celălalt este de Factor cheie pentru multe reacții chimice multifazice. Din acest motiv, suprafața specifică a limitei fazei devine influentă pentru rata chimică de reacție.
Ultrasonication este un mijloc foarte eficient pentru dispersia solidelor și pentru emulsionarea lichidelor. Prin reducerea dimensiunii particulei/picăturii, suprafața totală a limitei fazei crește în același timp. Graficul din stânga arată corelația dintre dimensiunea particulelor și suprafața în cazul particulelor sau picăturilor sferice (Faceți clic pentru o vizualizare mai mare!). Pe măsură ce suprafața limită a fazei crește, crește și viteza de reacție chimică. Pentru multe materiale, cavitația cu ultrasunete poate face particule și picături de dimensiune foarte fină – adesea semnificativ sub 100 nanometri. În cazul în care dispersia sau emulsia devine cel puțin temporar stabilă, aplicarea Ultrasonics pot fi necesare numai într-o fază inițială reacției chimice. Un reactor cu ultrasunete inline pentru amestecarea inițială a reactivilor și catalizatorului poate genera particule / picături de dimensiuni fine în timp foarte scurt și la debite mari. Poate fi aplicat chiar și pe medii foarte vâscoase.
Transfer în masă
Când reactivii reacționează la o limită de fază, produsele reacției chimice se acumulează la suprafața de contact. Acest lucru blochează alte molecule de reactiv să interacționeze la această limită de fază. Forțele mecanice de forfecare cauzate de curenții de jet cavitaționali și fluxul acustic au ca rezultat fluxul turbulent și transportul materialelor de la și către suprafețele particulelor sau picăturilor. În cazul picăturilor, forfecarea ridicată poate duce la coalescență și formarea ulterioară de picături noi. Pe măsură ce reacția chimică progresează în timp, poate fi necesară o sonicare repetată, de exemplu în două etape sau recirculare maximizați expunerea reactivilor.
Aportul de energie
Cavitația cu ultrasunete este un mod unic de a pune energie în reacții chimice. O combinație de jeturi lichide de mare viteză, presiune înaltă (>1000atm) și temperaturi ridicate (>5000K), rate enorme de încălzire și răcire (>109Ks-1) apar concentrate local în timpul comprimării implozive a bulelor cavitaționale. Kenneth Suslick Spune: “Cavitația este o metodă extraordinară de concentrare a energiei difuze a sunetului într-o formă utilizabilă chimic.”
Creșterea reactivității
Eroziunea cavitațională pe suprafețele particulelor generează suprafețe nepasivizate, foarte reactive. Temperaturile și presiunile ridicate de scurtă durată contribuie la descompunerea moleculară și creșterea reactivității din multe specii chimice. Iradierea cu ultrasunete poate fi utilizată în prepararea catalizatorilor, de exemplu pentru a produce agregate de particule de dimensiuni fine. Aceasta produce catalizatori amorfi particule cu suprafață specifică ridicată zonă. Datorită acestei structuri agregate, astfel de catalizatori pot fi separați de produșii de reacție (adică prin filtrare).
Curățarea cu ultrasunete
Adesea, cataliza implică produse secundare nedorite, contaminări sau impurități în reactivi. Acest lucru poate duce la degradarea și murdărirea pe suprafața catalizatorilor solizi. Depunerile reduc suprafața expusă a catalizatorului și, prin urmare, reduc eficiența acestuia. Nu trebuie îndepărtat nici în timpul procesului, nici în intervalele de reciclare folosind alte substanțe chimice de proces. Ultrasonication este un mijloc eficient de a curățați catalizatorii sau asistați procesul de reciclare a catalizatorului. Curățarea cu ultrasunete este probabil cea mai comună și cunoscută aplicație a ultrasunetelor. Impingementul jeturilor lichide cavitaționale și undele de șoc de până la 104ATM poate crea forțe de forfecare localizate, eroziune și pitting de suprafață. Pentru particulele de dimensiuni fine, coliziunile inter-particule de mare viteză duc la eroziunea suprafeței și chiar la măcinare și frezare. Aceste coliziuni pot provoca temperaturi locale tranzitorii de aproximativ 3000K. Suslick a demonstrat, că ultrasonication în mod eficient îndepărtează acoperirile de oxid de suprafață. Îndepărtarea unor astfel de acoperiri pasivante îmbunătățește dramatic ratele de reacție pentru o mare varietate de reacții (Suslick 2008). Aplicarea ultrasunetelor ajută la reducerea problemei de murdărire a unui catalizator solid dispersat în timpul catalizei și contribuie la curățarea în timpul procesului de reciclare a catalizatorului.
Exemple de cataliză cu ultrasunete
Există numeroase exemple pentru cataliza asistată ultrasonically și pentru prepararea cu ultrasunete a catalizatorilor eterogeni. Vă recomandăm sonocataliză articol de Kenneth Suslick pentru o introducere cuprinzătoare. Hielscher furnizează reactoare cu ultrasunete pentru prepararea catalizatorilor sau catalizei, 
cum ar fi transesterificare catalitică pentru producerea esterilor metilici (adică ester metilic gras = biomotorină).
Echipamente cu ultrasunete pentru sonocataliză
Hielscher produce dispozitive cu ultrasunete pentru utilizare la orice scară și pentru o varietate de procese. Aceasta include: laborator sonicare în flacoane mici, precum și reactoare industriale și celule de flux. Pentru testarea inițială a procesului la scară de laborator, UP400S (400 wați) este foarte potrivit. Acesta poate fi utilizat pentru procesele de lot, precum și pentru sonicare inline. Pentru testarea și optimizarea proceselor înainte de extindere, vă recomandăm să utilizați UIP1000hd (1000 wați), deoarece aceste unități sunt foarte adaptabile și rezultatele pot fi scalate liniar la orice capacitate mai mare. Pentru producția la scară completă oferim dispozitive cu ultrasunete de până la 10kW și 16kW Putere ultrasonică. Clusterele mai multor astfel de unități oferă capacități de procesare foarte mari.
Vom fi bucuroși să vă sprijinim testarea, optimizarea și extinderea procesului. Vorbeste cu noi despre echipamente adecvate sau Vizitați laboratorul nostru de proces.
Literatura privind sonocataliza și cataliza asistată ultrasonically
Suslick, K. S .; Didenko, Y .; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J .; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Cavitația acustică și consecințele sale chimice, în: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, K. S .; Skrabalak, S. E. (2008): “sonocataliză” În Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.