sonokataliza – Kataliza e asistuar me ultratinguj
Ultratingulli ndikon në reaktivitetin e katalizatorit gjatë katalizimit duke rritur transferimin e masës dhe futjen e energjisë. Në katalizën heterogjene, ku katalizatori është në një fazë të ndryshme nga reaktantët, shpërndarja tejzanor rrit sipërfaqen e disponueshme për reaktantët.
Sfondi i Sonokatalizës
Kataliza është proces në të cilin shkalla e a reaksioni kimik është rritur (ose ulur) me anë të një katalizatori. Prodhimi i shumë kimikateve përfshin katalizën. Ndikimi në shpejtësinë e reaksionit varet nga frekuenca e kontaktit të reaktantëve në hapin e përcaktimit të shpejtësisë. Në përgjithësi, katalizatorët rrisin shpejtësinë e reaksionit dhe ulin energjinë e aktivizimit duke siguruar një rrugë alternative reagimi ndaj produktit të reaksionit. Për këtë katalizatorët reagojnë me një ose më shumë reagues për të formuar ndërmjetës që më pas japin produktin përfundimtar. Hapi i fundit rigjeneron katalizatorin. Nga duke ulur energjinë e aktivizimit, më shumë përplasje molekulare kanë energjinë e nevojshme për të arritur gjendjen e tranzicionit. Në disa raste përdoren katalizatorë që ndryshojnë selektivitetin e një reaksioni kimik.
Të diagramë djathtas ilustron efektin e një katalizatori në një reaksion kimik X+Y për të prodhuar Z. Katalizatori ofron një rrugë alternative (të gjelbër) me një aktivizim më të ulët të Energjisë Ea.
Efektet e ultrazërit
Gjatësia e valës akustike në lëngje varion nga përafërsisht. 110 deri në 0,15 mm për frekuenca midis 18 kHz dhe 10 MHz. Kjo është dukshëm mbi dimensionet molekulare. Për këtë arsye, nuk ka lidhje të drejtpërdrejtë të fushës akustike me molekulat e një specie kimike. Efektet e ultrazërit janë në një shkallë të madhe rezultat i kavitacion tejzanor në lëngje. Prandaj, katalizimi i asistuar me ultratinguj kërkon që të paktën një reagent të jetë në fazë të lëngshme. Ultratingulli kontribuon në katalizën heterogjene dhe homogjene në shumë mënyra. Efektet individuale mund të promovohen ose zvogëlohen duke përshtatur amplituda tejzanor dhe presionin e lëngut.
Shpërndarja dhe emulsifikimi me ultratinguj
Reaksionet kimike që përfshijnë reagjentë dhe një katalizator me më shumë se një fazë (kataliza heterogjene) janë të kufizuara në kufirin e fazës pasi ky është i vetmi vend ku reagjenti dhe katalizatori janë të pranishëm. Ekspozimi i reagentëve dhe i katalizatorit ndaj njëri-tjetrit është a faktor kyç për shumë reaksione kimike shumëfazore. Për këtë arsye, sipërfaqja specifike e kufirit të fazës bëhet ndikuese për shpejtësinë kimike të reaksionit.
Ultratingulli është një mjet shumë efektiv për dispersioni i lëndëve të ngurta dhe për emulsifikimi i lëngjeve. Duke zvogëluar madhësinë e grimcave/pikës, sipërfaqja totale e kufirit të fazës rritet në të njëjtën kohë. Grafika në të majtë tregon korrelacionin midis madhësisë së grimcave dhe sipërfaqes në rastin e grimcave sferike ose pikave (Klikoni për pamje më të madhe!). Me rritjen e sipërfaqes kufitare të fazës, rritet edhe shpejtësia e reaksionit kimik. Për shumë materiale kavitacioni tejzanor mund të krijojë grimca dhe pika të madhësi shumë e mirë – shpesh dukshëm nën 100 nanometra. Nëse dispersioni ose emulsioni bëhet të paktën përkohësisht i qëndrueshëm, aplikimi i ultratinguj mund të kërkohen vetëm në një fazë fillestare të reaksionit kimik. Një reaktor tejzanor i brendshëm për përzierjen fillestare të reagentëve dhe katalizatorit mund të gjenerojë grimca/pika me madhësi të imët në një kohë shumë të shkurtër dhe me shpejtësi të lartë rrjedhjeje. Mund të aplikohet edhe në media shumë viskoze.
Transferimi masiv
Kur reagentët reagojnë në një kufi fazor, produktet e reaksionit kimik grumbullohen në sipërfaqen e kontaktit. Kjo bllokon molekulat e tjera të reagentëve që të ndërveprojnë në këtë kufi fazor. Forcat e prerjes mekanike të shkaktuara nga rrymat e avionëve kavitacionalë dhe rrjedhat akustike rezultojnë në rrjedhje turbulente dhe transport material nga dhe në sipërfaqet e grimcave ose pikave. Në rastin e pikave, prerja e lartë mund të çojë në bashkimin dhe formimin e mëvonshëm të pikave të reja. Ndërsa reaksioni kimik përparon me kalimin e kohës, mund të kërkohet një sonikacion i përsëritur, p.sh. me dy faza ose riqarkullim për të maksimizoni ekspozimin e reagentëve.
Inputi i Energjisë
Kavitacioni tejzanor është një mënyrë unike për të vënë energji në reaksionet kimike. Një kombinim i avionëve të lëngshëm me shpejtësi të lartë, presion të lartë (>1000 atm) dhe temperaturat e larta (>5000K), norma të mëdha ngrohjeje dhe ftohjeje (>109Ks-1) ndodhin të përqendruara në nivel lokal gjatë ngjeshjes implosive të flluskave kavitacionale. Kenneth Suslick thotë: “Kavitacioni është një metodë e jashtëzakonshme për të përqendruar energjinë e përhapur të zërit në një formë të përdorshme kimikisht.”
Rritja e reaktivitetit
Erozioni kavitacional në sipërfaqet e grimcave gjeneron sipërfaqe të papasivuara, shumë reaktive. Temperaturat dhe presionet e larta jetëshkurtër kontribuojnë në zbërthimi molekular dhe rritja e reaktivitetit të shumë llojeve kimike. Rrezatimi tejzanor mund të përdoret në përgatitjen e katalizatorëve, p.sh. për prodhimin e agregateve të grimcave me madhësi të imët. Kjo prodhon katalizatorë amorfë grimca me sipërfaqe specifike të lartë zonë. Për shkak të kësaj strukture të agregatit, katalizatorë të tillë mund të ndahen nga produktet e reaksionit (dmth. me filtrim).
Pastrim me ultratinguj
Shpesh katalizimi përfshin nënprodukte të padëshiruara, kontaminime ose papastërti në reagentët. Kjo mund të çojë në degradim dhe ndotje në sipërfaqen e katalizatorëve të ngurtë. Mbyllja zvogëlon sipërfaqen e ekspozuar të katalizatorit dhe për këtë arsye redukton efikasitetin e tij. Nuk ka nevojë të hiqet as gjatë procesit, as në intervale riciklimi duke përdorur kimikate të tjera të procesit. Ultratingulli është një mjet efektiv për të pastroni katalizatorët ose ndihmoni procesin e riciklimit të katalizatorit. Pastrimi me ultratinguj është ndoshta aplikimi më i zakonshëm dhe më i njohur i ultrazërit. Përplasja e avionëve të lëngshëm kavitacional dhe valëve goditëse deri në 104atm mund të krijojë forca prerëse të lokalizuara, erozion dhe gropa sipërfaqësore. Për grimcat me madhësi të imët, përplasjet ndër-grimcash me shpejtësi të lartë çojnë në erozion sipërfaqësor dhe madje bluarje dhe bluarje. Këto përplasje mund të shkaktojnë temperatura lokale të ndikimit kalimtar prej përafërsisht. 3000 mijë. Suslick tregoi, se ultratinguj në mënyrë efektive heq veshjet okside të sipërfaqes. Heqja e veshjeve të tilla pasivizuese përmirëson në mënyrë dramatike shkallët e reagimit për një shumëllojshmëri të gjerë reagimesh (Suslick 2008). Aplikimi i ultrasonikëve ndihmon në uljen e problemit të ndotjes së një katalizatori të ngurtë të shpërndarë gjatë katalizimit dhe kontribuon në pastrimin gjatë procesit të riciklimit të katalizatorit.
Shembuj të katalizës tejzanor
Ka shembuj të shumtë për katalizën e asistuar në mënyrë ultrasonike dhe për përgatitjen tejzanor të katalizatorëve heterogjenë. Ne rekomandojmë sonokataliza artikull nga Kenneth Suslick për një hyrje gjithëpërfshirëse. Hielscher furnizon reaktorë tejzanor për përgatitjen e katalizatorëve ose katalizatorëve, 
të tilla si transesterifikimi katalitik për prodhimin e metilestrave (dmth. metilester yndyror = bionaftë).
Pajisjet tejzanor për sonokatalizën
Hielscher prodhon pajisje tejzanor për përdorim në çdo shkallë dhe për një shumëllojshmëri procesesh. Kjo perfshin sonikimi laboratorik në shishe të vogla si dhe reaktorët industrialë dhe qelizat e rrjedhës. Për testin fillestar të procesit në shkallë laboratorike UP400S (400 watts) është shumë i përshtatshëm. Mund të përdoret për proceset e grupit, si dhe për sonikimin inline. Për testimin dhe optimizimin e procesit përpara rritjes, ne rekomandojmë përdorimin e UIP1000hd (1000 watts), pasi kjo njësi është shumë e adaptueshme dhe rezultatet mund të shkallëzohen lineare me çdo kapacitet më të madh. Për prodhim në shkallë të plotë ne ofrojmë pajisje tejzanor deri në 10 kW dhe 16 kW fuqi tejzanor. Grupet e disa njësive të tilla ofrojnë kapacitete shumë të larta përpunuese.
Ne do të jemi të lumtur të mbështesim testimin, optimizimin dhe rritjen e procesit tuaj. Flisni me ne në lidhje me pajisjet e përshtatshme ose vizitoni laboratorin tonë të procesit.
Literaturë mbi Sonokatalizën dhe Katalizën e Asistuar në mënyrë Ultrasonike
Suslick, KS; Didenko, Y.; Fang, MM; Hyeon, T.; Kolbeck, KJ; McNamara, BB III; Mdleleni, MM; Wong, M. (1999): Kavitacioni akustik dhe pasojat e tij kimike, në: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, KS; Skrabalak, SE (2008): “sonokataliza” Në Handbook of Heterogeneous Catalysis, vëll. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, fq 2006-2017.