Sonocatalysis – Cataliza ultrasonically asistate

Ultrasonication afectează reactivitatea catalizatorului în timpul catalizei prin îmbunătățite masă de transfer și de consum de energie. In cataliză heterogenă, în cazul în care catalizatorul este într-o fază diferită față de reactanți, dispersia cu ultrasunete crește suprafața disponibilă pentru reactanți.

Contextul Sonocatalizei

Catalysis este procesul în care rata unei reacție chimică este crescută (Sau scăzută), cu ajutorul unui catalizator. Producerea de substanțe chimice multe implică cataliză. Influența asupra vitezei de reacție depinde de frecvența de contact a reactanților în etapa de determinare a ratei. In general, catalizatorii creșterea vitezei de reacție și a reduce energia de activare prin furnizarea o cale alternativă de reacție la produsul de reacție. Pentru acest catalizatorii reacționează cu unul sau mai mulți reactanți pentru a forma intermediari care dau ulterior produsul final. Acest ultim pas regenerează catalizatorul. De reducerea energiei de activare, Mai multe coliziuni moleculare au energia necesară pentru a ajunge la starea de tranziție. In unele cazuri, se folosesc catalizatori schimba selectivitatea unei reacții chimice.

La 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. Acest lucru este semnificativ peste dimensiunile moleculare. Din acest motiv, nu există cuplarea directă a câmpului acustic cu moleculele unei specii chimice. Efectele de sonicare sunt într-o mare măsură un rezultat al cavitatie cu ultrasunete în lichide. Prin urmare, cataliza ultrasonically asistată necesită cel puțin un reactiv să fie în fază lichidă. Ultrasonication contribuie la cataliza eterogenă și omogenă in multe feluri. Efecte individuale pot fi promovate sau reduse de adaptare a amplitudinii cu ultrasunete și presiunea lichidului.

Cu ultrasunete de dispersie și emulsifiere

Reacțiile chimice care implică reactivi și un catalizator de mai mult de o fază (catalizare eterogenă) sunt limitate la limita fazei, deoarece acesta este singurul loc în care reactivul, precum și catalizatorul sunt prezente. Expunerea reactivilor și a catalizatorului unul față de celălalt este o factor-cheie pentru mai multe reacții chimice multifazice. Din acest motiv, suprafața specifică a limitei fazei devine influent pentru rata chimică de reacție.

Ultrasonication este un mijloc foarte eficiente pentru dispersia solidelor și pentru emulsionarea lichidelor. Prin reducerea dimensiunii particulelor/picăturilor, 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 (Click pentru vizualizare mai mare!). Pe măsură ce suprafața limitei fazei crește, la fel și rata de reacție chimică. Pentru multe materiale cavitație cu ultrasunete poate face particule și picături de dimensiuni foarte fin – de multe ori în mod semnificativ sub 100 nanometri. Dacă dispersia sau emulsia devine cel puțin temporar stabilă, aplicarea ultrasunetelor poate fi necesară doar într-o fază inițială a reacției chimice. Un reactor cu ultrasunete inline pentru amestecarea inițială a reactivilor și catalizator poate genera particule de dimensiuni fine / picături într-un timp foarte scurt și la debite mari. Acesta poate fi aplicat chiar și la mass-media foarte vâscos.

Transfer în masă

Atunci când reactivii reacționează la o limită de fază, produsele reacției chimice se acumulează la suprafața de contact. Acest lucru blochează alte molecule de reactiv de la interacțiunea la această limită de fază. Forțele mecanice de forfecare cauzate de fluxurile de jet cavitaționale și de transmisia acustică conduc la un flux turbulent și la transportul materialului de la și la suprafețele de particule sau picături. În cazul picăturilor, forfecarea înaltă 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 maximiza expunerea reactivilor.

intrare Energie

cavitatie cu ultrasunete este o modalitate unică de a pune energie în reacții chimice. O combinație de jeturi de lichid de mare viteză, de înaltă presiune (>1000atm) și temperaturi ridicate (>5000K), încălzire și răcire ratele enorme (>10⁹ks^{-1 de}) Apar concentrate la nivel local în timpul comprimării implozivă de bule de cavitație. Florin susea Spune: “Cavitația este o metodă extraordinară de concentrare a energiei difuze a sunetului într-o formă utilizabilă chimic.”

Creșterea reactivitate

eroziunii cavitationale pe suprafețe de particule generează suprafețe unpassivated, foarte reactive. temperaturi și presiuni înalte de scurtă durată contribuie la descompunere moleculară și a crește reactivitatea a multor specii chimice. iradiere cu ultrasunete poate fi utilizat la prepararea catalizatorilor, de ex pentru a produce agregate de particule fine de dimensiuni. Acest lucru produce catalizatori amorfi Particulele de suprafață specifică mare zonă. Datorită acestei structuri agregate, astfel de catalizatori pot fi separați din produșii de reacție (adică prin filtrare).

curatare cu ultrasunete

Adesea, catalizarea implică subproduse nedorite, contaminări sau impurități în reactivi. Acest lucru poate duce la degradarea și murdărirea pe suprafața catalizatorilor solizi. Murdărirea reduce suprafața catalizatorului expus și, prin urmare, reduce eficiența acesteia. Nu este necesar să fie eliminate, fie în timpul procesului sau în intervale de reciclare folosind alte substanțe chimice de proces. Sonicare este un mijloc eficient de a Catalizatori curate sau asista procesul de reciclare catalizator. curatare cu ultrasunete este, probabil, cea mai comună și cunoscută aplicarea ultrasunetelor. Admisia de jeturi de lichid de cavitație și undele de șoc de până la 10⁴atm pot crea forțe de forfecare localizate, eroziune și corodare suprafață. Pentru particule de dimensiuni fine, coliziuni de mare viteză inter-particule duce la eroziune și chiar de suprafață măcinare și măcinare. Aceste coliziuni poate provoca temperaturi locale impact tranzitorii de aprox. 3000K. Suslick a demonstrat, că în mod eficient ultrasonication îndepărtează acoperiri de oxid de suprafață. Eliminarea acestor acoperiri pasivare îmbunătățește dramatic ratele de reacție pentru o largă varietate de reacții (Suslick 2008). Aplicarea ultrasunetelor ajută la reducerea problemei ancrasare unui catalizator solid dispersat în timpul cataliza și contribuie la curățarea în timpul procesului de reciclare catalizator.

Exemple de ultrasunete Catalysis

Există numeroase exemple pentru cataliza ultrasonically asistate și pentru prepararea catalizatorilor heterogeni cu ultrasunete. Noi recomandăm Sonocatalysis articol de Kenneth Suslick pentru o introducere cuprinzătoare. Hielscher furnizează reactoare cu ultrasunete pentru prepararea de catalizatori sau cataliză, la fel ca transesterificare catalitice pentru producerea de metilesteri (adică metilester grași = biodiesel).

Echipament cu ultrasunete pentru Sonocatalysis

Hielscher produce dispozitive cu ultrasunete pentru utilizarea la orice scară și pentru o varietate de procese. Aceasta include sonicare de laborator în fiole mici, precum reactoarele industriale și celule de flux. Pentru testul proces inițial la scară laboratorul UP400S (400 wați) este foarte potrivit. Acesta poate fi utilizat pentru procese discontinue cât și pentru sonicare inline. Pentru testarea si optimizarea procesului, înainte de scară în sus, vă recomandăm să utilizați UIP1000hd (1000 wați), Deoarece acest unități este foarte adaptabilă și rezultatele con fi scalate liniar la orice capacitate mai mare. Pentru producția la scară largă, oferim dispozitive cu ultrasunete de până la 10kW și 16kW putere cu ultrasunete. Clusterele de mai multe astfel de unități oferă capacități foarte mari de procesare.

Vom fi bucuroși să acceptăm testarea proceselor, optimizarea și scară în sus. Vorbeste cu noi echipament adecvat sau despre vizita laboratorul nostru de proces.

Literatura privind Cataliza Sonocatalysis și ultrasonically asistate

Suslick, K. S .; Didenko, Y .; Fang, M. M .; Hyeon, T .; Kolbeck, K. J .; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M .; Wong, M. (1999): Acustică a cavităților și a consecințelor sale chimice, în: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalysis” În Manualul de heterogena Catalysis, voi. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., Eds .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp 2006-2017..