Sonocatalýza – Ultrazvukom asistovaná katalýza
Ultrazvuk ovplyvňuje reaktivitu katalyzátora počas katalýzy zvýšeným prenosom hmoty a vstupom energie. Pri heterogénnej katalýze, kde je katalyzátor v inej fáze ako reaktanty, ultrazvuková disperzia zväčšuje povrchovú plochu dostupnú pre reaktanty.
Pozadie sonokatalýzy
Katalýza je proces, pri ktorom sa rýchlosť chemická reakcia je zvýšená (alebo znížené) pomocou katalyzátora. Výroba mnohých chemikálií zahŕňa katalýzu. Vplyv na rýchlosť reakcie závisí od frekvencie kontaktu reaktantov v kroku určujúcim rýchlosť. Vo všeobecnosti katalyzátory zvyšujú rýchlosť reakcie a znižujú aktivačnú energiu tým, že poskytujú alternatívnu reakčnú cestu k reakčnému produktu. Za týmto účelom katalyzátory reagujú s jedným alebo viacerými reaktanmi za vzniku medziproduktov, ktoré následne poskytujú konečný produkt. Posledný krok regeneruje katalyzátor. Od zníženie aktivačnej energie, viac molekulárnych zrážok má energiu potrebnú na dosiahnutie prechodného stavu. V niektorých prípadoch sa používajú katalyzátory, ktoré menia selektivitu chemickej reakcie.
Tá diagram vpravo znázorňuje účinok katalyzátora v chemickej reakcii X+Y za vzniku Z. Katalyzátor poskytuje alternatívnu dráhu (zelenú) s nižšou aktivačnou energiou Ea.
Účinky ultrazvuku
Akustická vlnová dĺžka v kvapalinách sa pohybuje od cca. 110 do 0,15 mm pre frekvencie medzi 18 kHz a 10 MHz. To je výrazne nad molekulárnymi rozmermi. Z tohto dôvodu nedochádza k priamej väzbe akustického poľa s molekulami chemického druhu. Účinky ultrazvuku sú do značnej miery výsledkom ultrazvuková kavitácia v tekutinách. Preto ultrazvukom asistovaná katalýza vyžaduje, aby aspoň jedno činidlo bolo v kvapalnej fáze. Ultrazvuk prispieva k heterogénnej a homogénnej katalýze v mnohých ohľadoch. Jednotlivé účinky môžu byť podporované alebo znížené prispôsobením ultrazvukovej amplitúdy a tlaku kvapaliny.
Ultrazvuková dispergácia a emulgácia
Chemické reakcie zahŕňajúce činidlá a katalyzátor viac ako jednej fázy (heterogénna katalýza) sú obmedzené na fázovú hranicu, pretože je to jediné miesto, kde je prítomné činidlo aj katalyzátor. Vzájomné vystavenie činidiel a katalyzátora je Kľúčový faktor pre mnohé viacfázové chemické reakcie. Z tohto dôvodu má špecifický povrch fázovej hranice vplyv na chemickú rýchlosť reakcie.
Ultrazvuk je veľmi účinným prostriedkom pre disperzia pevných látok a pre emulgácia kvapalín. Zmenšením veľkosti častíc/kvapiek sa súčasne zväčšuje celkový povrch fázovej hranice. Grafika vľavo znázorňuje koreláciu medzi veľkosťou častíc a povrchom v prípade guľovitých častíc alebo kvapôčok (Kliknutím zväčšíte zobrazenie!). So zväčšujúcou sa plochou fázovej hranice rastie aj rýchlosť chemickej reakcie. Pre mnohé materiály môže ultrazvuková kavitácia vytvárať častice a kvapôčky veľmi jemná veľkosť – často výrazne pod 100 nanometrov. Ak sa disperzia alebo emulzia aspoň dočasne stabilizuje, aplikácia ultrazvuk sa môže vyžadovať iba v počiatočnej fáze chemickej reakcie. Inline ultrazvukový reaktor na počiatočné zmiešanie činidiel a katalyzátora môže generovať jemné častice/kvapôčky vo veľmi krátkom čase a pri vysokých prietokoch. Môže sa aplikovať aj na vysoko viskózne médiá.
Hromadný prenos
Keď činidlá reagujú na fázovej hranici, produkty chemickej reakcie sa hromadia na kontaktnej ploche. To blokuje interakciu iných molekúl činidla na tejto fázovej hranici. Mechanické šmykové sily spôsobené kavitačnými prúdmi a akustickým prúdením majú za následok turbulentné prúdenie a transport materiálu z a na povrchy častíc alebo kvapôčok. V prípade kvapôčok môže vysoký strih viesť ku zlučovaniu a následnej tvorbe nových kvapôčok. Ako chemická reakcia postupuje v čase, môže byť potrebná opakovaná sonikácia, napr. dvojstupňová alebo recirkulačná maximalizovať expozíciu činidiel.
Energetický príkon
Ultrazvuková kavitácia je jedinečný spôsob, ako Vložte energiu do chemických reakcií. Kombinácia vysokorýchlostných kvapalných prúdov, vysokého tlaku (>1000 atm) a vysoké teploty (>5000 K), enormné rýchlosti ohrevu a chladenia (>109Ks-1) sa vyskytujú lokálne koncentrované počas implozivnej kompresie kavitačných bublín. Kenneth Suslick Hovorí: “Kavitácia je mimoriadna metóda koncentrácie difúznej energie zvuku do chemicky použiteľnej formy.”
Zvýšenie reaktivity
Kavitačná erózia na povrchoch častíc vytvára nepasivované, vysoko reaktívne povrchy. Krátkodobé vysoké teploty a tlaky prispievajú k molekulárny rozklad a zvýšenie reaktivity mnohých chemických druhov. Ultrazvukové ožarovanie sa môže použiť pri príprave katalyzátorov, napr. na výrobu agregátov jemných častíc. Vznikajú tak amorfné katalyzátory častice s vysokým špecifickým povrchom oblasť. Vďaka tejto agregátnej štruktúre je možné takéto katalyzátory oddeliť od reakčných produktov (t. j. filtráciou).
Ultrazvukové čistenie
Katalýza často zahŕňa nežiaduce vedľajšie produkty, kontaminácie alebo nečistoty v činidlách. To môže viesť k degradácii a znečisteniu povrchu pevných katalyzátorov. Znečistenie zmenšuje exponovaný povrch katalyzátora, a tým znižuje jeho účinnosť. Nie je potrebné ho odstraňovať ani počas procesu, ani v recyklačných intervaloch pomocou iných procesných chemikálií. Ultrazvuk je účinným prostriedkom na Vyčistite katalyzátory alebo pomôžte procesu recyklácie katalyzátorov. Ultrazvukové čistenie je pravdepodobne najbežnejšou a najznámejšou aplikáciou ultrazvuku. Náraz kavitačných kvapalných prúdov a rázových vĺn až 104ATM môže vytvárať lokalizované šmykové sily, eróziu a povrchovú jamku. V prípade jemných častíc vedú vysokorýchlostné zrážky medzi časticami k povrchovej erózii a dokonca k brúsenie a frézovanie. Tieto kolízie môžu spôsobiť lokálne prechodné nárazové teploty cca. 3000 K. Suslick preukázal, že ultrazvuk účinne odstraňuje povrchové oxidové povlaky. Odstránenie takýchto pasivačných povlakov dramaticky zlepšuje reakčné rýchlosti pre širokú škálu reakcií (Suslick 2008). Aplikácia ultrazvuku pomáha znižovať problém znečistenia pevného dispergovaného katalyzátora počas katalýzy a prispieva k čisteniu počas procesu recyklácie katalyzátora.
Príklady ultrazvukovej katalýzy
Existuje množstvo príkladov pre ultrazvukom asistovanú katalýzu a pre ultrazvukovú prípravu heterogénnych katalyzátorov. Odporúčame Sonocatalýza článok od Kennetha Suslicka pre komplexný úvod. Hielscher dodáva ultrazvukové reaktory na prípravu katalyzátorov alebo katalýzu, 
ako napr. katalytická transesterifikácia na výrobu metylesterov (t. j. mastný metylester = bionafta).
Ultrazvukové zariadenie na sonokatalýzu
Hielscher vyrába ultrazvukové prístroje na použitie v akákoľvek mierka a pre Rozmanitosť procesov. To zahŕňa Laboratórna sonikácia v malých injekčných liekovkách, ako aj Priemyselné reaktory a prietokové články. Pre počiatočný test procesu v laboratórnom meradle UP400S (400 wattov) je veľmi vhodný. Môže byť použitý na dávkové procesy, ako aj na inline sonikáciu. Na testovanie a optimalizáciu procesov pred rozširovaním odporúčame použiť UIP1000hd (1000 wattov), pretože táto jednotka je veľmi prispôsobivá a výsledky môžu byť lineárne škálované na akúkoľvek väčšiu kapacitu. Pre výrobu v plnom rozsahu ponúkame ultrazvukové prístroje až do 10 kW a 16 kW ultrazvukový výkon. Zoskupenia niekoľkých takýchto jednotiek poskytujú veľmi vysoké spracovateľské kapacity.
Radi podporíme vaše procesné testovanie, optimalizáciu a škálovanie. Porozprávajte sa s nami o vhodnom vybavení alebo Navštívte naše procesné laboratórium.
Literatúra o sonokatalýze a ultrazvukom asistovanej katalýze
Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Akustická kavitácia a jej chemické dôsledky, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalýza” V Príručke heterogénnej katalýzy, zv. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, s. 2006-2017.