Vylepšené Fischer-Tropschove katalyzátory so sonikáciou
Vylepšená syntéza Fischer-Tropschových katalyzátorov pomocou ultrazvuku: Ultrazvukové spracovanie častíc katalyzátora sa používa na niekoľko účelov. Ultrazvuková syntéza pomáha vytvárať modifikované alebo funkcionalizované nanočastice, ktoré majú vysokú katalytickú aktivitu. Použité a otrávené katalyzátory je možné ľahko a rýchlo získať ultrazvukovou povrchovou úpravou, ktorá odstráni inaktivačné znečistenie z katalyzátora. A nakoniec, ultrazvuková deaglomerácia a disperzia vedú k rovnomernému, monodisperznému rozloženiu častíc katalyzátora, aby sa zabezpečil vysoký aktívny povrch častíc a prenos hmoty pre optimálnu katalytickú konverziu.
Výhody ultrazvukovej prípravy katalyzátorov pre Fischer-Tropschove procesy
Sonikácia ponúka významné výhody pri syntéze Fischerových-Tropschových katalyzátorov, predovšetkým vďaka schopnosti navodiť jemnú kontrolu nad morfológiou katalyzátora a rozložením aktívnych miest. Vysokoenergetická kavitácia generovaná ultrazvukovými vlnami zabezpečuje rýchle miešanie a účinnú deaglomeráciu prekurzorových materiálov, čo vedie k vysoko rovnomernému rozdeleniu veľkosti častíc a zvýšeniu plochy povrchu. Táto zvýšená homogenita má za následok väčšiu disperziu aktívnych zložiek, čo je rozhodujúce pre maximalizáciu počtu prístupných reakčných miest. Okrem toho riadená kinetika miešania často vedie k tvorbe vysoko stabilných a poréznych štruktúr, čím sa zlepšuje katalytický výkon, selektivita a dlhodobá stabilita katalyzátora v náročných reakčných podmienkach.
Sonicator UIP1500hdT s prietokovou komorou na sonochemickú syntézu Fischer-Tropschových katalyzátorov
Účinky ultrazvuku na katalyzátory
Vysokovýkonný ultrazvuk je známy svojím pozitívnym vplyvom na chemické reakcie. Keď sa do kvapalného média zavedú intenzívne ultrazvukové vlny, vytvorí sa akustická kavitácia. Ultrazvuková kavitácia vytvára lokálne extrémne podmienky s veľmi vysokými teplotami až 5 000 K, tlakmi cca. 2 000 atm a prúdmi kvapaliny s rýchlosťou až 280 m/s. Fenomén akustické kavitácie a jeho účinky na chemické procesy je známy pod pojmom sonochémia.
Bežnou aplikáciou ultrazvuku je príprava heterogénnych katalyzátorov: ultrazvukové kavitačné sily aktivujú povrch katalyzátora, pretože kavitačná erózia vytvára nepasivované, vysoko reaktívne povrchy. Okrem toho sa prenos hmoty výrazne zlepšuje turbulentným prúdením kvapaliny. Vysoká kolízia častíc spôsobená akustickou kavitáciou odstraňuje povrchové oxidové povlaky práškových častíc, čo vedie k reaktivácii povrchu katalyzátora.
Syntéza katalyzátora dopovaného paládiom pomocou sonikátora UIP1000hdT
Štúdia a obrázok: ©Prekob et al., 2020
Ultrazvuková príprava Fischer-Tropschových katalyzátorov
Fischer-Tropschov proces obsahuje niekoľko chemických reakcií, ktoré premieňajú zmes oxidu uhoľnatého a vodíka na kvapalné uhľovodíky. Na Fischer-Tropschovu syntézu je možné použiť rôzne katalyzátory, ale najčastejšie sa používajú prechodné kovy kobalt, železo a ruténium. Vysokoteplotná Fischer-Tropschova syntéza je prevádzkovaná železovým katalyzátorom.
Keďže Fischer-Tropschove katalyzátory sú náchylné na otravu katalyzátormi zlúčeninami obsahujúcimi síru, ultrazvuková reaktivácia má veľký význam pre udržanie plnej katalytickej aktivity a selektivity.
- Zrážanie alebo kryštalizácia
- (Nano-) Častice s dobre kontrolovanou veľkosťou a tvarom
- Modifikované a funkcionalizované vlastnosti povrchu
- Syntéza dopovaných častíc alebo častíc jadrového obalu
- Mezoporézne štruktúrovanie
Ultrazvuková syntéza katalyzátorov jadro-plášť
Nanoštruktúry jadro-obal sú nanočastice zapuzdrené a chránené vonkajším obalom, ktorý izoluje nanočastice a zabraňuje ich migrácii a zlúčeniu počas katalytických reakcií
Pirola et al. (2010) pripravili Fischer-Tropschove katalyzátory na báze železa na báze oxidu kremičitého s vysokým zaťažením aktívneho kovu. V ich štúdii sa ukázalo, že ultrazvukom asistovaná impregnácia nosiča oxidu kremičitého zlepšuje ukladanie kovov a zvyšuje aktivitu katalyzátora. Výsledky Fischer-Tropschovej syntézy naznačili, že katalyzátory pripravené ultrazvukom sú najúčinnejšie, najmä ak sa ultrazvuková impregnácia vykonáva v argónovej atmosfére.
UIP2000hdT – Výkonný 2kW sonikátor na prípravu katalyzátorov.
Reaktivácia ultrazvukového katalyzátora
Ultrazvuková úprava povrchu častíc je rýchla a jednoduchá metóda regenerácie a reaktivácie opotrebovaných a pasivovaných katalyzátorov. Regenerovateľnosť katalyzátora umožňuje jeho reaktiváciu a opätovné použitie, a tým predstavuje ekonomický a ekologický krok procesu.
Ultrazvuková úprava častíc odstraňuje z častíc katalyzátora inaktivujúce pasivačné vrstvy, znečistenie a nečistoty, ktoré blokujú miesta pre katalytickú reakciu. Sonickým pôsobením na vyčerpanú katalytickú suspenziu sa povrch častíc katalyzátora umyje prúdom, čím sa odstránia usadeniny z katalyticky aktívneho miesta. Po ultrazvukovom ošetrení sa aktivita katalyzátora obnoví na rovnakú účinnosť ako pri čerstvom katalyzátore. Okrem toho sonikácia rozbíja aglomeráty a zabezpečuje homogénne, rovnomerné rozloženie monodisperzných častíc, čím sa zväčšuje povrch častíc, a tým aj aktívne katalytické miesto. Preto sa regeneráciou katalyzátora ultrazvukom získavajú regenerované katalyzátory s vysokou aktívnou plochou pre lepší prenos hmoty.
Regenerácia ultrazvukového katalyzátora funguje pre minerálne a kovové častice, (mezo)porézne častice a nanokompozity.
Read more about ultrasonic regeneration of spent catalysts!
Vysoko výkonné sonikátory na sonochemickú syntézu Fischer-Tropschových katalyzátorov
Sonikátory Hielscher sú veľmi obľúbené pri syntéze katalyzátorov vďaka svojej robustnej konštrukcii, presnosti a škálovateľnosti, pričom ponúkajú významné výhody oproti všeobecným sonikačným zariadeniam. Tieto zariadenia poskytujú presne kontrolovateľnú ultrazvukovú energiu s vysokou intenzitou, ktorá je rozhodujúca na dosiahnutie rovnomernej disperzie prekurzorových materiálov a uľahčenie presnej nukleácie a rastu častíc katalyzátora. Sofistikované riadiace systémy umožňujú výskumníkom presne regulovať parametre, ako je výkon a trvanie impulzov, čím sa zabezpečuje reprodukovateľnosť experimentálnych výsledkov - čo je v materiálovej vede veľmi dôležité. Okrem toho sú sonikátory Hielscher známe svojou trvanlivosťou a schopnosťou zvládnuť rôzne stupnice, od malých laboratórnych dávok až po pilotné prevádzky v závodoch, čím umožňujú efektívny prechod sľubných katalyzátorových prípravkov z výskumu v laboratórnom meradle na priemyselné použitie. Nemecké technické a výrobné normy zabezpečujú, že ultrazvukové zariadenia Hielscher môžu byť spoľahlivo prevádzkované v nepretržitej prevádzke pri vysokom zaťažení.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich sonikátorov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Čo je Fischerova-Tropschova reakcia?
Fischerova-Tropschova reakcia je katalytický chemický proces, pri ktorom sa syntetický plyn, zmes oxidu uhoľnatého a vodíka, mení na uhľovodíky, ako sú alkány, alkény, vosky a kvapalné palivá. Je to dôležitý spôsob výroby syntetických palív a chemikálií z uhlia, zemného plynu, biomasy alebo syntézneho plynu získaného z CO₂.
Čo je Fischerov-Tropschov katalyzátor?
Fischerov-Tropschov katalyzátor je pevný katalytický materiál, ktorý podporuje hydrogenáciu a reťazovú premenu oxidu uhoľnatého s vodíkom na uhľovodíky. Najčastejšie používanými aktívnymi kovmi sú železo, kobalt a ruténium, často na báze materiálov, ako je oxid hlinitý, oxid kremičitý, titán alebo uhlík, s cieľom zlepšiť povrch, stabilitu a selektivitu.
V ktorých odvetviach sa používajú Fischer-Tropschove reakcie?
Fischer-Tropschove reakcie sa používajú v priemysle syntetických palív, petrochemickom priemysle, pri výrobe plynu na kvapaliny, výrobe uhlia na kvapaliny, výrobe biomasy na kvapaliny a v nových odvetviach výroby energie z kvapalín a zachytávania uhlíka. Sú dôležité najmä na výrobu nafty, leteckého paliva, mazív, voskov, olefínov a iných uhľovodíkových surovín.
Aké sú aplikácie Fischer-Tropschových katalyzátorov?
Fischerova-Tropschova syntéza je kategória katalytických procesov, ktoré sa uplatňujú pri výrobe palív a chemikálií zo syntézneho plynu (zmes CO a H2), ktoré môžu byť
získaný zo zemného plynu, uhlia alebo biomasy Fischer-Tropschov proces, katalyzátor obsahujúci prechodné kovy sa používa na výrobu uhľovodíkov z úplne základných východiskových materiálov vodíka a oxidu uhoľnatého, ktoré môžu byť odvodené z rôznych zdrojov obsahujúcich uhlík, ako je uhlie, zemný plyn, biomasa a dokonca aj odpad.
Literatúra / Referencie
- 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.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.