Сонокатализ – Ультразвуковой катализ

Ультразвук влияет на реакционную способность катализатора во время катализа за счет усиленного массопереноса и подвода энергии. При гетерогенном катализе, когда катализатор находится в фазе, отличной от фазы реагентов, ультразвуковое диспергирование увеличивает площадь поверхности, доступной для реагентов.

Предпосылки сонокатализа

Катализ – это процесс, при котором скорость Усиливается химическая реакция (или уменьшение) с помощью катализатора. Производство многих химических веществ включает в себя катализ. Влияние на скорость реакции зависит от частоты контакта реагентов на стадии, определяющей скорость. В целом, катализаторы увеличивают скорость реакции и снижают энергию активации, обеспечивая альтернативный путь реакции к продукту реакции. Для этого катализаторы вступают в реакцию с одним или несколькими реагентами с образованием промежуточных продуктов, которые впоследствии дают конечный продукт. На последнем этапе происходит регенерация катализатора. Около снижение энергии активации, большее количество молекулярных столкновений обладает энергией, необходимой для достижения переходного состояния. В некоторых случаях используются катализаторы, изменяющие селективность химической реакции.

Тем диаграмма справа иллюстрирует действие катализатора в химической реакции X+Y с образованием Z. Катализатор обеспечивает альтернативный путь (зеленый) с более низкой активацией Energy Ea.

Эффекты ультразвука

Длина акустической волны в жидкостях колеблется от 110 до 0,15 мм для частот от 18 кГц до 10 МГц. Это значительно превышает молекулярные размеры. По этой причине не существует прямой связи акустического поля с молекулами химического вещества. Эффекты ультразвука в значительной степени являются результатом ультразвуковая кавитация в жидкостях. Таким образом, для ультразвукового катализа необходимо, чтобы хотя бы один реагент находился в жидкой фазе. Ультразвук способствует гетерогенному и гомогенному катализу во многом. Отдельные эффекты могут усиливаться или уменьшаться в зависимости от амплитуды ультразвука и давления жидкости.

Ультразвуковое диспергирование и эмульгирование

Химические реакции с участием реагентов и катализатора более чем из одной фазы (гетерогенный катализ) ограничены границей фаз, так как это единственное место, где присутствует как реагент, так и катализатор. Воздействие реагентов и катализатора друг на друга является ключевой фактор для многих многофазных химических реакций. По этой причине удельная площадь поверхности фазовой границы становится влияющей на химическую скорость реакции.

Ультразвуковое исследование является очень эффективным средством для диспергирование твердых частиц и для эмульгирование жидкостей. При уменьшении размера частиц/капель одновременно увеличивается общая площадь поверхности фазовой границы. На рисунке слева показана корреляция между размером частиц и площадью поверхности в случае сферических частиц или капель (Нажмите, чтобы увеличить изображение!). По мере увеличения поверхности фазовой границы увеличивается и скорость химической реакции. Для многих материалов ультразвуковая кавитация может привести к образованию частиц и капель очень мелкий размер – часто значительно ниже 100 нанометров. Если дисперсия или эмульсия становится хотя бы временно стабильной, применение Ультразвуковое исследование может потребоваться только на начальном этапе химической реакции. Встроенный ультразвуковой реактор для начального смешивания реагентов и катализатора может генерировать мелкие частицы/капли за очень короткое время и с высокой скоростью потока. Его можно наносить даже на высоковязкие среды.

Массоперенос

Когда реагенты реагируют на границе фаз, продукты химической реакции накапливаются на поверхности контакта. Это блокирует взаимодействие других молекул реагента на этой фазовой границе. Механические сдвиговые силы, вызванные кавитационными струйными потоками и акустическими потоками, приводят к турбулентному потоку и переносу материала от и к поверхностям частиц или капель. В случае капель высокий сдвиг может привести к коалесценции и последующему образованию новых капель. По мере того, как химическая реакция прогрессирует с течением времени, может потребоваться повторная ультразвуковая обработка, например, двухступенчатая или рециркуляция. Максимальное воздействие реагентов.

Потребляемая энергия

Ультразвуковая кавитация – уникальный способ вкладывать энергию в химические реакции. Комбинация высокоскоростных струй жидкости высокого давления (>1000атм) и высоких температур (>5000K), огромные скорости нагрева и охлаждения (>10⁹Кс^-1) возникают локально концентрированными при имплозивном сжатии кавитационных пузырьков. Кеннет Саслик Говорит: “Кавитация — это необычный метод концентрации диффузной энергии звука в химически пригодную форму.”

Повышение реактивности

Кавитационная эрозия на поверхностях частиц Генерирует непассивированные, высокореактивные поверхности. Кратковременные высокие температуры и давления способствуют молекулярное разложение и повышение реакционной способности многих химических видов. Ультразвуковое облучение может быть использовано при приготовлении катализаторов, например, для получения агрегатов мелких частиц. При этом образуются аморфные катализаторы частицы с высокой удельной поверхностью площадь. Благодаря такой агрегатной структуре такие катализаторы могут быть отделены от продуктов реакции (т.е. путем фильтрации).

Ультразвуковая очистка

Часто катализ включает в себя нежелательные побочные продукты, загрязнения или примеси в реагентах. Это может привести к деградации и загрязнению поверхности твердых катализаторов. Загрязнение уменьшает открытую поверхность катализатора и, следовательно, снижает его эффективность. Его не нужно удалять ни во время процесса, ни через интервалы переработки с использованием других технологических химикатов. Ультразвуковое исследование является эффективным средством для Очистка катализаторов или помощь в процессе переработки катализаторов. Ультразвуковая чистка, вероятно, является наиболее распространенным и известным применением ультразвука. Соударение кавитационных струй жидкости и ударных волн до 10⁴ATM может создавать локализованные силы сдвига, эрозию и точечную коррозию поверхности. Для мелких частиц высокоскоростные столкновения между частицами приводят к поверхностной эрозии и даже шлифование и фрезерование. Эти столкновения могут вызвать локальные переходные температуры удара около 3000 К. Суслик продемонстрировал, что ультразвук эффективен удаляет поверхностные оксидные покрытия. Удаление таких пассивирующих покрытий значительно повышает скорость реакции для широкого спектра реакций (Suslick 2008). Применение ультразвука помогает снизить проблему загрязнения твердого дисперсного катализатора во время катализа и способствует очистке в процессе переработки катализатора.

Примеры ультразвукового катализа

Существует множество примеров ультразвукового катализа и ультразвукового приготовления гетерогенных катализаторов. Мы рекомендуем Сонокатализ статья Кеннета Саслика для всестороннего введения. Hielscher поставляет ультразвуковые реакторы для подготовки катализаторов или катализа, такие как каталитическая переэтерификация для производства метиловых эфиров (т.е. жирного метилового эфира = биодизельного топлива).

Ультразвуковое оборудование для сонокатализа

Hielscher производит ультразвуковые аппараты для использования в любой масштаб и форумы разнообразие процессов. Это включает в себя Лабораторная ультразвук в небольших флаконах, а также Промышленные реакторы и проточные ячейки. Для начальных испытаний процесса в лабораторных масштабах UP400S (400 Вт) очень подходит. Его можно использовать как для периодических процессов, так и для поточной обработки ультразвуком. Для тестирования и оптимизации процессов перед масштабированием рекомендуется использовать метод UIP1000HD (1000 Вт), так как эти единицы очень легко адаптируются, а результаты могут быть масштабированы линейно до любой большей емкости. Для серийного производства мы предлагаем ультразвуковые аппараты мощностью до 10 кВт и 16кВт ультразвуковая мощность. Кластеры из нескольких таких единиц обеспечивают очень высокие вычислительные мощности.

Мы будем рады поддержать ваше тестирование процессов, оптимизацию и масштабирование. Поговорите с нами о подходящем оборудовании или Посетите нашу технологическую лабораторию.

Литература по сонокатализу и ультразвуковому катализу

Суслик, К. С.; Диденко, Ю.; Фанг, М. М.; Хён, Т.; Колбек, К. Дж.; Макнамара, У. Б. III; Мдлелени, М. М.; Вонг, М. (1999): Акустическая кавитация и ее химические последствия, в: Phil. Trans. Roy. Соч. А, 1999, 357, 335-353.

Суслик, К. С.; Скрабалак, С. Е. (2008): “Сонокатализ” В Справочнике по гетерогенным катализам, т. 4; Эртл, Г.; Кнзингер, Х.; Шт, Ф.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, стр. 2006-2017.