Sonocataliza – Ultrazvočno podprta kataliza
Ultrasonication vpliva na reaktivnost katalizatorja med katalizo s povečanim prenosom mase in vnosom energije. Pri heterogeni katalizi, kjer je katalizator v drugačni fazi kot reaktanti, ultrazvočna disperzija poveča površino, ki je na voljo reaktantom.
Ozadje sonokatalize
Kataliza je proces, pri katerem je stopnja poveča se kemična reakcija (ali zmanjšano) s katalizatorjem. Proizvodnja številnih kemikalij vključuje katalizo. Vpliv na hitrost reakcije je odvisen od pogostosti stika reaktantov v koraku določanja hitrosti. Na splošno katalizatorji povečajo hitrost reakcije in znižajo aktivacijsko energijo z zagotavljanjem alternativne reakcijske poti reakcijskemu produktu. Za to katalizatorji reagirajo z enim ali več reaktanti in tvorijo vmesne produkte, ki nato dajejo končni produkt. Slednji korak regenerira katalizator. Avtor znižanje aktivacijske energije, ima več molekularnih trkov energijo, potrebno za doseganje prehodnega stanja. V nekaterih primerih se katalizatorji uporabljajo za spremembo selektivnosti kemijske reakcije.
T Diagram desno ponazarja učinek katalizatorja v kemijski reakciji X+Y, da proizvede Z. Katalizator zagotavlja alternativno pot (zeleno) z nižjo aktivacijsko energijo Ea.
Učinki ultrazvoka
Akustična valovna dolžina v tekočinah se giblje od približno 110 do 0,15 mm za frekvence med 18kHz in 10MHz. To je bistveno nad molekularnimi dimenzijami. Zato ni neposredne povezave akustičnega polja z molekulami kemične vrste. Učinki ultrazvoka so v veliki meri posledica Ultrazvočna kavitacija v tekočinah. Zato ultrazvočno podprta kataliza zahteva, da je vsaj en reagent v tekoči fazi. Ultrasonication prispeva k heterogeni in homogeni katalizi na več načinov. Posamezne učinke je mogoče spodbujati ali zmanjšati s prilagajanjem ultrazvočne amplitude in tlaka tekočine.
Ultrazvočna disperzija in emulgiranje
Kemijske reakcije, ki vključujejo reagente in katalizator več kot ene faze (heterogena kataliza), so omejene na fazno mejo, saj je to edino mesto, kjer sta prisotna reagent in katalizator. Izpostavljenost reagentov in katalizatorja drug drugemu je Ključni dejavnik za številne večfazne kemijske reakcije. Zato specifična površina fazne meje vpliva na kemijsko hitrost reakcije.
Ultrazvočna razglasitev je zelo učinkovito sredstvo za disperzija trdnih snovi in za emulgiranje tekočin. Z zmanjšanjem velikosti delcev/kapljic se hkrati poveča skupna površina fazne meje. Grafika na levi prikazuje korelacijo med velikostjo delcev in površino v primeru sferičnih delcev ali kapljic (Kliknite za večji pogled!). Ko se fazna mejna površina poveča, se poveča tudi hitrost kemijske reakcije. Za številne materiale lahko ultrazvočna kavitacija povzroči delce in kapljice zelo lepa velikost – pogosto znatno pod 100 nanometrov. Če disperzija ali emulzija postane vsaj začasno stabilna, je treba uporabiti ultrazvok je lahko potreben le v začetni fazi kemijske reakcije. Inline ultrazvočni reaktor za začetno mešanje reagentov in katalizatorja lahko ustvari drobne delce / kapljice v zelo kratkem času in pri visokih pretokih. Uporablja se lahko tudi za zelo viskozne medije.
Prenos množice
Ko reagenti reagirajo na fazni meji, se produkti kemijske reakcije kopičijo na kontaktni površini. To blokira interakcijo drugih molekul reagenta na tej fazni meji. Mehanske strižne sile, ki jih povzročajo kavitacijski curki in akustični tokovi, povzročijo turbulentni tok in transport materiala iz in na površine delcev ali kapljic. V primeru kapljic lahko visoka strižnost povzroči koalescenco in posledično nastanek novih kapljic. Ko kemijska reakcija sčasoma napreduje, je morda potrebna ponavljajoča se ultrazvočna obdelava, npr. dvostopenjska ali recirkulacija, da se Povečajte izpostavljenost reagentov.
Vnos energije
Ultrazvočna kavitacija je edinstven način Vnašajte energijo v kemijske reakcije. Kombinacija visokohitrostnih tekočih curkov, visokotlačnih (>1000atm) in visoke temperature (>5000 K), ogromne hitrosti ogrevanja in hlajenja (>109Ks-1) se pojavijo lokalno koncentrirano med implozivnim stiskanjem kavitacijskih mehurčkov. Kenneth Suslick Pravi: “Kavitacija je izjemna metoda koncentriranja razpršene energije zvoka v kemično uporabno obliko.”
Povečanje reaktivnosti
Kavitacijska erozija na površinah delcev ustvarja nepasivne, zelo reaktivne površine. Kratkotrajne visoke temperature in tlaki prispevajo k molekularna razgradnja in povečanje reaktivnosti številnih kemičnih vrst. Ultrazvočno obsevanje se lahko uporablja pri pripravi katalizatorjev, npr. za proizvodnjo agregatov drobnih delcev. S tem nastanejo amorfni katalizatorji delci z visoko specifično površino površina. Zaradi te agregatne strukture se lahko takšni katalizatorji ločijo od reakcijskih produktov (tj. s filtracijo).
Ultrazvočno čiščenje
Pogosto kataliza vključuje neželene stranske produkte, kontaminacije ali nečistoče v reagentih. To lahko povzroči razgradnjo in obraščanje na površini trdnih katalizatorjev. Obraščanje zmanjša izpostavljeno površino katalizatorja in s tem zmanjša njegovo učinkovitost. Ni ga treba odstraniti niti med postopkom niti v intervalih recikliranja z uporabo drugih procesnih kemikalij. Ultrasonication je učinkovito sredstvo za očistite katalizatorje ali pomagajte pri postopku recikliranja katalizatorjev. Ultrazvočno čiščenje je verjetno najpogostejša in najbolj znana uporaba ultrazvoka. Udarec kavitacijskih tekočih curkov in udarnih valov do 104ATM lahko ustvari lokalizirane strižne sile, erozijo in površinske jame. Pri drobnih delcih trki med delci pri visokih hitrostih vodijo do površinske erozije in celo brušenje in rezkanje. Ti trki lahko povzročijo lokalne prehodne temperature udarcev približno 3000 K. Suslick je pokazal, da je ultrazvok učinkovito odstranjuje površinske oksidne premaze. Odstranitev takšnih pasivacijskih premazov dramatično izboljša hitrost reakcije za najrazličnejše reakcije (Suslick 2008). Uporaba ultrazvoka pomaga zmanjšati problem obraščanja trdnega dispergiranega katalizatorja med katalizo in prispeva k čiščenju med postopkom recikliranja katalizatorja.
Primeri ultrazvočne katalize
Obstajajo številni primeri za ultrazvočno podprto katalizo in za ultrazvočno pripravo heterogenih katalizatorjev. Priporočamo Sonocataliza članek Kennetha Suslicka za izčrpen uvod. Hielscher dobavlja ultrazvočne reaktorje za pripravo katalizatorjev ali katalizo, 
kot so katalitska transesterifikacija za proizvodnjo metilestrov (tj. maščobni metilester = biodizel).
Ultrazvočna oprema za sonokatalizo
Hielscher proizvaja ultrazvočne naprave za uporabo na katerokoli lestvico in za Raznolikost procesov. To vključuje Laboratorijsko ultrazvočno razbijanje v majhnih vialah in Industrijski reaktorji in pretočne celice. Za začetni procesni test v laboratorijskem merilu UP400S (400 vatov) je zelo primerna. Uporablja se lahko za serijske postopke in za inline ultrazvočno razbijanje. Za testiranje in optimizacijo procesov pred povečanjem povečanja priporočamo uporabo UIP1000hd (1000 vatov), saj je ta enota zelo prilagodljiva in rezultate je mogoče linearno prilagoditi na katero koli večjo zmogljivost. Za polno proizvodnjo ponujamo ultrazvočne naprave do 10kW in 16kW ultrazvočna moč. Grozdi več takih enot zagotavljajo zelo visoke predelovalne zmogljivosti.
Z veseljem vam bomo pomagali pri testiranju, optimizaciji in razširitvi procesov. Pogovorite se z nami o primerni opremi ali Obiščite naš procesni laboratorij.
Literatura o sonokatalizi in ultrazvočno podprti katalizi
Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Akustična kavitacija in njene kemične posledice, v: Phil. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocataliza” V Priročniku heterogene katalize, zvezek 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., ur.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, str. 2006-2017.