Улучшенные катализаторы Фишера–Тропша благодаря обработке ультразвуком

Усовершенствованный синтез катализаторов Фишера–Тропша с помощью ультразвука: обработка частиц катализатора ультразвуком используется для нескольких целей. Ультразвуковой синтез помогает создавать модифицированные или функционализированные наночастицы с высокой каталитической активностью. Отработанные и отравленные катализаторы можно легко и быстро восстановить посредством ультразвуковой обработки поверхности, которая удаляет с катализатора загрязнения, вызывающие потерю активности. Наконец, ультразвуковая деагломерация и диспергирование обеспечивают равномерное монодисперсное распределение частиц катализатора, большую площадь активной поверхности частиц и массоперенос для оптимального каталитического превращения.

Преимущества ультразвукового приготовления катализаторов для процессов Фишера–Тропша

Обработка ультразвуком даёт значительные преимущества при синтезе катализаторов Фишера–Тропша, прежде всего благодаря возможности точно контролировать морфологию катализатора и распределение активных центров. Высокоэнергетическая кавитация, создаваемая ультразвуковыми волнами, обеспечивает быстрое смешивание и эффективную деагломерацию материалов-прекурсоров, что приводит к высокой однородности распределения частиц по размерам и увеличению площади поверхности. Такая повышенная однородность обеспечивает более высокую дисперсность активных компонентов, что имеет решающее значение для максимального увеличения числа доступных реакционных центров. Кроме того, контролируемая кинетика смешивания часто приводит к образованию высокостабильных пористых структур, тем самым улучшая каталитические характеристики, селективность и долговременную стабильность катализатора в жёстких условиях реакции.

Воздействие ультразвука на катализаторы

Ультразвук высокой мощности хорошо известен своим положительным влиянием на химические реакции. При введении интенсивных ультразвуковых волн в жидкую среду возникает акустическая кавитация. Ультразвуковая кавитация создаёт локальные экстремальные условия с очень высокими температурами до 5 000K, давлением около 2 000atm и струями жидкости со скоростью до 280m/s. Явление акустической кавитации и её воздействие на химические процессы изучает сонохимия.
Распространённое применение ультразвука – приготовление гетерогенных катализаторов: силы ультразвуковой кавитации активируют поверхность катализатора, поскольку кавитационная эрозия создаёт непассивированные поверхности с высокой реакционной способностью. Кроме того, турбулентное течение жидкости значительно улучшает массоперенос. Интенсивные столкновения частиц, вызываемые акустической кавитацией, удаляют поверхностные оксидные покрытия с частиц порошка, что приводит к реактивации поверхности катализатора.
 

Синтез катализатора, легированного палладием, с использованием ультразвукового гомогенизатора UIP1000hdT
Исследование и изображение: ©Prekob et al., 2020

Ультразвуковое приготовление катализаторов Фишера–Тропша

Процесс Фишера–Тропша включает несколько химических реакций, которые превращают смесь монооксида углерода и водорода в жидкие углеводороды. Для синтеза Фишера–Тропша можно использовать различные катализаторы, однако чаще всего применяют переходные металлы: кобальт, железо и рутений. Высокотемпературный синтез Фишера–Тропша проводят с железным катализатором.
Поскольку катализаторы Фишера–Тропша подвержены отравлению серосодержащими соединениями, ультразвуковая реактивация имеет большое значение для поддержания полной каталитической активности и селективности.

Ультразвуковой синтез катализаторов типа «ядро–оболочка»

Наноструктуры типа «ядро–оболочка» представляют собой наночастицы, заключённые во внешнюю оболочку и защищённые ею. Эта оболочка изолирует наночастицы и предотвращает их миграцию и слияние в ходе каталитических реакций.

Pirola et al. (2010) приготовили катализаторы Фишера–Тропша на основе железа, нанесённого на носитель из диоксида кремния, с высоким содержанием активного металла. В их исследовании показано, что пропитка носителя из диоксида кремния с применением ультразвука улучшает осаждение металла и повышает активность катализатора. Результаты синтеза Фишера–Тропша показали, что катализаторы, приготовленные с помощью обработки ультразвуком, являются наиболее эффективными, особенно когда ультразвуковая пропитка проводится в атмосфере аргона.

Ультразвуковая реактивация катализаторов

Ультразвуковая обработка поверхности частиц – быстрый и простой метод регенерации и реактивации отработанных и пассивированных катализаторов. Способность катализатора к регенерации позволяет реактивировать его и использовать повторно, благодаря чему этот этап процесса является экономичным и экологичным.
Ультразвуковая обработка частиц удаляет с частицы катализатора вызывающие потерю активности пассивирующие слои, загрязнения и примеси, которые блокируют центры каталитической реакции. Обработка ультразвуком суспензии отработанного катализатора приводит к струйной промывке поверхности частиц катализатора, удаляя тем самым отложения с каталитически активных центров. После обработки ультразвуком активность катализатора восстанавливается до той же эффективности, что и у свежего катализатора. Кроме того, обработка ультразвуком разрушает агломераты и обеспечивает однородное, равномерное распределение монодисперсных частиц, что увеличивает площадь поверхности частиц и тем самым площадь каталитически активных центров. Таким образом, ультразвуковое восстановление катализаторов позволяет получать регенерированные катализаторы с большой площадью активной поверхности для улучшенного массопереноса.
Ультразвуковая регенерация катализаторов применима к минеральным и металлическим частицам, (мезо)пористым частицам и нанокомпозитам.
Узнайте больше об ультразвуковой регенерации отработанных катализаторов!

Высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для сонохимического синтеза катализаторов Фишера–Тропша

Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher пользуются большим предпочтением при синтезе катализаторов благодаря прочной конструкции, точности и масштабируемости, обеспечивая значительные преимущества по сравнению с обычным оборудованием для обработки ультразвуком. Эти устройства обеспечивают точно регулируемую ультразвуковую энергию высокой интенсивности, что имеет решающее значение для достижения равномерного диспергирования материалов-прекурсоров и содействия точному зародышеобразованию и росту частиц катализатора. Совершенные системы управления позволяют исследователям точно регулировать такие параметры, как выходная мощность и длительность импульсов, обеспечивая воспроизводимость экспериментальных результатов – важнейший фактор в материаловедении. Кроме того, ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher известны своей долговечностью и возможностью работы в различных масштабах: от небольших лабораторных партий до опытно-промышленных установок. Это позволяет эффективно переводить перспективные составы катализаторов из лабораторных исследований в промышленное применение. Немецкие инженерные и производственные стандарты обеспечивают надёжную круглосуточную работу ультразвукового оборудования Hielscher в режиме 24/7 при высоких нагрузках.

В таблице ниже приведены ориентировочные значения производительности обработки наших ультразвуковых гомогенизаторов:

Литература / Ссылки

• Prekob, Á., Muránszky, G., Kocserha, I. et al. (2020): Sonochemical Deposition of Palladium Nanoparticles Onto the Surface of N-Doped Carbon Nanotubes: A Simplified One-Step Catalyst Production Method. Catalysis Letters 150, 2020. 505–513.
• Hajdu Viktória; Prekob Ádám; Muránszky Gábor; Kocserha István; Kónya Zoltán; Fiser Béla; Viskolcz Béla; Vanyorek László (2020): Catalytic activity of maghemite supported palladium catalyst in nitrobenzene hydrogenation. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 2020.
• Pirola, C.; Bianchi, C.L.; Di Michele, A.; Diodati, P.; Boffito, D.; Ragaini, V. (2010): Ultrasound and microwave assisted synthesis of high loading Fe-supported Fischer–Tropsch catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Vol.17/3, 2010, 610-616.
• Suslick, K.S.; Hyeon, T.; Fang, M.; Cichowlas, A. A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering A204, 1995, 186-192.