Izboljšani Fischer-Tropschovi katalizatorji s sonikacijo

Izboljšana sinteza Fischer-Tropschovih katalizatorjev z ultrazvokom: ultrazvočna obdelava delcev katalizatorja se uporablja za različne namene. Ultrazvočna sinteza pomaga ustvariti modificirane ali funkcionalizirane nanodelce z visoko katalitsko aktivnostjo. Izrabljene in zastrupljene katalizatorje je mogoče preprosto in hitro obnoviti z ultrazvočno obdelavo površine, ki s katalizatorja odstrani obloge, ki povzročajo njegovo inaktivacijo. Nazadnje ultrazvočna deaglomeracija in dispergiranje omogočata enakomerno, monodisperzno porazdelitev delcev katalizatorja, kar zagotavlja veliko aktivno površino delcev in prenos snovi za optimalno katalitsko pretvorbo.

Prednosti ultrazvočne priprave katalizatorjev za Fischer-Tropschove procese

Sonikacija ponuja pomembne prednosti pri sintezi Fischer-Tropschovih katalizatorjev, predvsem zaradi možnosti natančnega nadzora nad morfologijo katalizatorja in porazdelitvijo aktivnih mest. Visokoenergijska kavitacija, ki jo ustvarjajo ultrazvočni valovi, zagotavlja hitro mešanje in učinkovito deaglomeracijo prekurzorskih materialov, kar vodi do zelo enakomerne porazdelitve velikosti delcev in povečane površine. Ta izboljšana homogenost omogoča večjo dispergiranost aktivnih komponent, kar je ključno za doseganje največjega števila dostopnih reakcijskih mest. Poleg tega nadzorovana kinetika mešanja pogosto vodi do nastanka zelo stabilnih in poroznih struktur, s čimer se izboljšajo katalitska učinkovitost, selektivnost in dolgoročna stabilnost katalizatorja v zahtevnih reakcijskih pogojih.

Ultrazvočni učinki na katalizatorje

Ultrazvok velike moči je dobro znan po svojem pozitivnem vplivu na kemijske reakcije. Ko se intenzivni ultrazvočni valovi vnesejo v tekoči medij, nastane akustična kavitacija. Ultrazvočna kavitacija lokalno ustvarja ekstremne pogoje z zelo visokimi temperaturami do 5.000K, tlaki približno 2.000atm in tekočinskimi curki s hitrostjo do 280m/s. Pojav akustične kavitacije in njegovi učinki na kemijske procese so znani pod izrazom sonokemija.
Pogosta uporaba ultrazvoka je priprava heterogenih katalizatorjev: sile ultrazvočne kavitacije aktivirajo površino katalizatorja, saj kavitacijska erozija ustvarja nepasivirane, zelo reaktivne površine. Poleg tega turbulentno pretakanje tekočine znatno izboljša prenos snovi. Intenzivno trkanje delcev, ki ga povzroča akustična kavitacija, odstrani površinske oksidne prevleke s prašnih delcev, kar povzroči reaktivacijo površine katalizatorja.

Ultrazvočna sinteza katalizatorja, dopiranega s paladijem. Sonikator UIP1000hdT se uporablja za redukcijo ionov alladium v nanodelce Pd in njihovo nanašanje na površino ogljikovih nanocevk, dopiranih z dušikom (N-BCNT).

Sinteza katalizatorja, dopiranega s paladijem, z uporabo sonikatorja UIP1000hdT
Študija in slika: ©Prekob et al., 2020

Ultrazvočna priprava Fischer-Tropschovih katalizatorjev

Fischer-Tropschov proces vključuje več kemijskih reakcij, ki zmes ogljikovega monoksida in vodika pretvorijo v tekoče ogljikovodike. Za Fischer-Tropschovo sintezo je mogoče uporabiti različne katalizatorje, najpogosteje pa se uporabljajo prehodne kovine kobalt, železo in rutenij. Visokotemperaturna Fischer-Tropschova sinteza poteka z železovim katalizatorjem.
Ker so Fischer-Tropschovi katalizatorji dovzetni za zastrupitev s spojinami, ki vsebujejo žveplo, je ultrazvočna reaktivacija zelo pomembna za ohranjanje polne katalitske aktivnosti in selektivnosti.

Prednosti ultrazvočne sinteze katalizatorjev

Obarjanje ali kristalizacija
(Nano-)delci z dobro nadzorovano velikostjo in obliko
Modificirane in funkcionalizirane površinske lastnosti
Sinteza dopiranih delcev ali delcev z jedrom in lupino
Oblikovanje mezoporozne strukture

Ultrazvočna sinteza katalizatorjev z jedrom in lupino

Nanostrukture z jedrom in lupino so nanodelci, obdani in zaščiteni z zunanjo lupino, ki nanodelce ločuje ter preprečuje njihovo migracijo in zlivanje med katalitskimi reakcijami

Pirola et al. (2010) so pripravili Fischer-Tropschove katalizatorje na osnovi železa na nosilcu iz silicijevega dioksida z visoko vsebnostjo aktivne kovine. Njihova študija kaže, da impregnacija nosilca iz silicijevega dioksida s pomočjo ultrazvoka izboljša nanašanje kovine in poveča aktivnost katalizatorja. Rezultati Fischer-Tropschove sinteze so pokazali, da so katalizatorji, pripravljeni z ultrazvočno obdelavo, najučinkovitejši, zlasti kadar ultrazvočna impregnacija poteka v argonovi atmosferi.

V tem videoposnetku je ultrazvočni homogenizator Hielscher UP200St z močjo 200 vatov in sonotrodo 7mm nameščen na standardni stekleni priključek na dnu steklenega reaktorja. Namestitev je lahko vodoravna, navpična ali v kateri koli drugi smeri. V eno reaktorsko posodo je mogoče namestiti več ultrazvočnih sond – na primer na različnih višinah. Pogosto je prednostna namestitev s strani ali od spodaj, saj bolje deluje pri spreminjajoči se gladini tekočine. Ultrazvočno mešanje lahko kombinirate z običajnimi mešali z zgornjim pogonom.

Ultrazvočna reaktivacija katalizatorjev

Ultrazvočna obdelava površine delcev je hitra in preprosta metoda za regeneracijo in reaktivacijo izrabljenih in pasiviranih katalizatorjev. Možnost regeneracije katalizatorja omogoča njegovo reaktivacijo in ponovno uporabo, zato je ta procesni korak gospodaren in okolju prijazen.
Ultrazvočna obdelava delcev z delca katalizatorja odstrani inaktivirajoče pasivacijske plasti, obloge in nečistoče, ki blokirajo mesta za katalitsko reakcijo. Sonikacija suspenzije izrabljenega katalizatorja povzroči čiščenje površine delcev katalizatorja s curki, s čimer se odstranijo nanosi s katalitsko aktivnega mesta. Po ultrazvočni obdelavi se aktivnost katalizatorja obnovi na enako učinkovitost kot pri svežem katalizatorju. Poleg tega sonikacija razbije aglomerate in zagotovi homogeno, enakomerno porazdelitev monodisperznih delcev, kar poveča površino delcev in s tem aktivno katalitsko mesto. Ultrazvočna obnova katalizatorjev tako omogoča pridobivanje regeneriranih katalizatorjev z veliko aktivno površino za izboljšan prenos snovi.
Ultrazvočna regeneracija katalizatorjev deluje pri mineralnih in kovinskih delcih, (mezo-)poroznih delcih in nanokompozitih.
Preberite več o ultrazvočni regeneraciji izrabljenih katalizatorjev!

Visokozmogljivi sonikatorji za sonokemijsko sintezo Fischer-Tropschovih katalizatorjev

Sonikatorji Hielscher so pri sintezi katalizatorjev zelo priljubljeni zaradi svoje robustne zasnove, natančnosti in možnosti prilagajanja obsegu obdelave ter ponujajo pomembne prednosti pred splošno opremo za sonikacijo. Te naprave zagotavljajo natančno nadzorovano ultrazvočno energijo visoke intenzivnosti, kar je ključno za doseganje enakomerne disperzije prekurzorskih materialov ter omogočanje natančne nukleacije in rasti delcev katalizatorja. Napredni krmilni sistemi raziskovalcem omogočajo natančno uravnavanje parametrov, kot sta izhodna moč in trajanje impulzov, ter zagotavljajo ponovljive eksperimentalne rezultate – ključni dejavnik v znanosti o materialih. Poleg tega so sonikatorji Hielscher znani po svoji vzdržljivosti in zmožnosti obdelave v različnih obsegih, od majhnih laboratorijskih šarž do delovanja v pilotnih obratih, s čimer omogočajo učinkovit prehod obetavnih formulacij katalizatorjev iz laboratorijskih raziskav v industrijsko uporabo. Nemški standardi inženirstva in proizvodnje zagotavljajo, da lahko ultrazvočna oprema Hielscher zanesljivo deluje 24/7 pri velikih obremenitvah.

Spodnja tabela prikazuje okvirno zmogljivost obdelave naših sonikatorjev:

Prostornina šarže	Pretok	Priporočene naprave
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	večji	sklop naprav UIP16000

Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!

Sorodne teme

Koristna dejstva

Kaj je Fischer-Tropschova reakcija?

Fischer-Tropschova reakcija je katalitski kemijski proces, ki sintezni plin, zmes ogljikovega monoksida in vodika, pretvori v ogljikovodike, kot so alkani, alkeni, voski in tekoča goriva. Je pomembna pot za proizvodnjo sintetičnih goriv in kemikalij iz premoga, zemeljskega plina, biomase ali sinteznega plina, pridobljenega iz CO₂.

Kaj je Fischer-Tropschov katalizator?

Fischer-Tropschov katalizator je trden katalitski material, ki spodbuja hidrogeniranje in pretvorbo ogljikovega monoksida z vodikom v ogljikovodike z rastjo verig. Najpogosteje uporabljene aktivne kovine so železo, kobalt in rutenij, pogosto nanesene na nosilce iz materialov, kot so aluminijev oksid, silicijev dioksid, titanov dioksid ali ogljik, za izboljšanje površine, stabilnosti in selektivnosti.

Katere industrijske panoge uporabljajo Fischer-Tropschove reakcije?

Fischer-Tropschove reakcije se uporabljajo v industriji sintetičnih goriv, petrokemični industriji, proizvodnji tekočih goriv iz plina, premoga in biomase ter v nastajajočih sektorjih proizvodnje tekočih goriv iz električne energije in zajemanja ter uporabe ogljika. Še posebej so pomembne za proizvodnjo dizelskega goriva, goriva za reaktivna letala, maziv, voskov, olefinov in drugih ogljikovodikovih surovin.

Za kaj se uporabljajo Fischer-Tropschovi katalizatorji?

Fischer–Tropschova sinteza je skupina katalitskih procesov, ki se uporabljajo pri proizvodnji goriv in kemikalij iz sinteznega plina (zmesi CO in H₂), ki ga je mogoče
pridobiti iz zemeljskega plina, premoga ali biomase. V Fischer-Tropschovem procesu se katalizator, ki vsebuje prehodno kovino, uporablja za proizvodnjo ogljikovodikov iz povsem osnovnih izhodnih snovi, vodika in ogljikovega monoksida, ki ju je mogoče pridobiti iz različnih virov, ki vsebujejo ogljik, kot so premog, zemeljski plin, biomasa in celo odpadki.

Literatura / Viri

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.