Улучшенные катализаторы Фишера-Тропша с ультразвуком

Улучшенный синтез катализаторов Фишера-Тропша с помощью ультразвука: ультразвуковая обработка частиц катализатора используется для нескольких целей. Ультразвуковой синтез помогает создавать модифицированные или функционализированные наночастицы, обладающие высокой каталитической активностью. Отработанные и отравленные катализаторы могут быть легко и быстро восстановлены с помощью ультразвуковой обработки поверхности, которая удаляет инактивирующие загрязнения из катализатора. Наконец, ультразвуковая деагломерация и диспергирование приводят к равномерному монодисперсному распределению частиц катализатора, что обеспечивает высокую поверхность активных частиц и массоперенос для оптимальной каталитической конверсии.

Преимущества ультразвуковой подготовки катализатора для процессов Фишера-Тропша

Ультразвуковое воздействие дает значительные преимущества при синтезе катализаторов Фишера-Тропша, в первую очередь благодаря способности осуществлять тонкий контроль над морфологией катализатора и распределением активных участков. Высокоэнергетическая кавитация, генерируемая ультразвуковыми волнами, обеспечивает быстрое перемешивание и эффективную деагломерацию исходных материалов, что приводит к высокой однородности распределения частиц по размерам и увеличению площади поверхности. Эта повышенная однородность приводит к большей дисперсии активных компонентов, что очень важно для максимизации количества доступных реакционных участков. Кроме того, контролируемая кинетика смешивания часто приводит к формированию высокостабильных и пористых структур, улучшая тем самым каталитические характеристики, селективность и долгосрочную стабильность катализатора в жестких условиях реакции.

Ультразвуковое воздействие на катализаторы

Ультразвук высокой мощности хорошо известен своим положительным влиянием на химические реакции. При введении интенсивных ультразвуковых волн в жидкую среду генерируется акустическая кавитация. Ультразвуковая кавитация создает локально экстремальные условия с очень высокими температурами до 5 000 К, давлением около 2 000 атм и струями жидкости со скоростью до 280 м/с. Явление акустической кавитации и его влияние на химические процессы известно под термином сонохимия.
Распространенным применением ультразвука является получение гетерогенных катализаторов: ультразвуковые кавитационные силы активируют площадь поверхности катализатора, поскольку кавитационная эрозия создает непассивированные, высокореактивные поверхности. Кроме того, массоперенос значительно улучшается за счет турбулентного потока жидкости. Высокое столкновение частиц, вызванное акустической кавитацией, удаляет поверхностные оксидные покрытия порошковых частиц, что приводит к реактивации поверхности катализатора.
 

Синтез катализатора, легированного палладием использование соникатора UIP1000hdT
Исследование и изображение: ©Prekob et al., 2020

Ультразвуковая подготовка катализаторов Фишера-Тропша

Процесс Фишера-Тропша включает в себя несколько химических реакций, которые превращают смесь окиси углерода и водорода в жидкие углеводороды. Для синтеза Фишера-Тропша можно использовать различные катализаторы, но чаще всего используются переходные металлы кобальт, железо и рутений. Высокотемпературный синтез Фишера-Тропша осуществляется с использованием железного катализатора.
Поскольку катализаторы Фишера-Тропша подвержены отравлению катализатора серосодержащими соединениями, ультразвуковая реактивация имеет большое значение для поддержания полной каталитической активности и селективности.

Ультразвуковой синтез катализаторов «сердцевина-оболочка»

Наноструктуры ядро-оболочка представляют собой наночастицы, инкапсулированные и защищенные внешней оболочкой, которая изолирует наночастицы и предотвращает их миграцию и коалесценцию во время каталитических реакций

Pirola et al. (2010) получили катализаторы Фишера-Тропша на основе кремнезема на основе железа с высокой нагрузкой активного металла. В их исследовании показано, что ультразвуковая пропитка кремнеземного носителя улучшает осаждение металла и повышает активность катализатора. Результаты синтеза Фишера-Тропша показали, что катализаторы, приготовленные ультразвуком, являются наиболее эффективными, особенно при ультразвуковой пропитке в атмосфере аргона.

Ультразвуковая реактивация катализатора

Ультразвуковая обработка поверхности частиц - это быстрый и простой метод регенерации и реактивации отработанных и пассивированных катализаторов. Регенерация катализатора позволяет активировать его и использовать повторно, что делает процесс экономичным и экологичным.
Ультразвуковая обработка частиц удаляет с частиц катализатора инактивирующие пассивирующие слои, нагар и примеси, которые блокируют участки для каталитической реакции. Ультразвуковая обработка отработанной суспензии катализатора приводит к струйной промывке поверхности частиц катализатора, тем самым удаляя отложения с каталитически активного участка. После ультразвуковой обработки активность катализатора восстанавливается до той же эффективности, что и у свежего катализатора. Кроме того, ультразвуковое воздействие разрушает агломераты и обеспечивает однородное, равномерное распределение монодисперсных частиц, что увеличивает площадь поверхности частиц и, следовательно, активный каталитический участок. Таким образом, ультразвуковое восстановление катализатора позволяет получить регенерированные катализаторы с высокой активной поверхностью, что улучшает массоперенос.
Ультразвуковая регенерация катализатора работает с минеральными и металлическими частицами, (мезо-)пористыми частицами и нанокомпозитами.
Read more about ultrasonic regeneration of spent catalysts!

Высокопроизводительные соникаторы для сонохимического синтеза катализаторов Фишера-Тропша

Соникаторы Hielscher пользуются большим спросом при синтезе катализаторов благодаря своей надежной конструкции, точности и масштабируемости, обеспечивая значительные преимущества по сравнению с общим оборудованием для соникации. Эти устройства обеспечивают точно контролируемую и высокоинтенсивную ультразвуковую энергию, что очень важно для достижения равномерного диспергирования исходных материалов и точного зарождения и роста частиц катализатора. Сложные системы управления позволяют исследователям точно регулировать такие параметры, как выходная мощность и длительность импульса, обеспечивая воспроизводимость экспериментальных результатов, что является жизненно важным фактором в материаловедении. Кроме того, соникаторы Hielscher известны своей долговечностью и способностью работать в различных масштабах - от небольших лабораторных партий до опытных установок, что позволяет эффективно переводить перспективные составы катализаторов из стендовых исследований в промышленное применение. Немецкие стандарты проектирования и производства гарантируют, что ультразвуковое оборудование Hielscher может надежно работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках.

В таблице ниже приведена примерная вычислительная мощность наших ультразвуковых аппаратов:

Литература / Литература