Побољшани Фишер–Тропшови катализатори применом соникације
Побољшана синтеза Фишер–Тропшових катализатора ултразвуком: Ултразвучна обрада честица катализатора користи се у више сврха. Ултразвучна синтеза помаже у стварању модификованих или функционализованих наночестица које имају високу каталитичку активност. Истрошени и затровани катализатори могу се лако и брзо обновити ултразвучном обрадом површине, којом се са катализатора уклањају наслаге које га инактивирају. Коначно, ултразвучна деагломерација и дисперговање доводе до равномерне, монодисперзне расподеле честица катализатора, чиме се обезбеђују велика активна површина честица и пренос масе за оптималну каталитичку конверзију.
Предности ултразвучне припреме катализатора за Фишер–Тропшове процесе
Соникација пружа значајне предности у синтези Фишер–Тропшових катализатора, првенствено захваљујући могућности да омогући прецизну контролу морфологије катализатора и расподеле активних места. Високоенергетска кавитација коју стварају ултразвучни таласи обезбеђује брзо мешање и ефикасну деагломерацију прекурсорских материјала, што доводи до веома уједначене расподеле величине честица и повећане површине. Ова побољшана хомогеност доводи до веће дисперзије активних компоненти, што је кључно за максимално повећање броја доступних реакционих места. Поред тога, контролисана кинетика мешања често доводи до формирања веома стабилних и порозних структура, чиме се побољшавају каталитичке перформансе, селективност и дугорочна стабилност катализатора у тешким реакционим условима.
Соникатор UIP1500hdT са проточном ћелијом за сонохемијску синтезу Фишер–Тропшових катализатора
Ултразвучни ефекти на катализаторе
Ултразвук велике снаге добро је познат по свом позитивном утицају на хемијске реакције. Када се интензивни ултразвучни таласи уведу у течну средину, настаје акустична кавитација. Ултразвучна кавитација локално ствара екстремне услове са веома високим температурама до 5.000K, притисцима од приближно 2.000atm и млазевима течности брзине до 280m/s. Појава акустичне кавитације и њени ефекти на хемијске процесе познати су под називом сонохемија.
Уобичајена примена ултразвука је припрема хетерогених катализатора: силе ултразвучне кавитације активирају површину катализатора јер кавитациона ерозија ствара непасивизоване, веома реактивне површине. Поред тога, турбулентно струјање течности значајно побољшава пренос масе. Снажни судари честица изазвани акустичном кавитацијом уклањају површинске оксидне слојеве са честица праха, што доводи до реактивације површине катализатора.
Синтеза катализатора допираног паладијумом помоћу соникатора UIP1000hdT
Истраживање и слика: ©Prekob et al., 2020
Ултразвучна припрема Фишер–Тропшових катализатора
Фишер–Тропшов процес обухвата неколико хемијских реакција којима се смеша угљен-моноксида и водоника претвара у течне угљоводонике. За Фишер–Тропшову синтезу могу се користити различити катализатори, али се најчешће користе прелазни метали кобалт, гвожђе и рутенијум. Високотемпературна Фишер–Тропшова синтеза спроводи се уз катализатор на бази гвожђа.
Пошто су Фишер–Тропшови катализатори подложни тровању једињењима која садрже сумпор, ултразвучна реактивација је од великог значаја за одржавање пуне каталитичке активности и селективности.
- Таложење или кристализација
- (Нано-)честице са добро контролисаном величином и обликом
- Модификована и функционализована површинска својства
- Синтеза допираних честица или честица са структуром језгро–омотач
- Формирање мезопорозне структуре
Ултразвучна синтеза катализатора са структуром језгро–омотач
Наноструктуре језгро–омотач представљају наночестице обавијене и заштићене спољашњим омотачем који изолује наночестице и спречава њихову миграцију и срастање током каталитичких реакција
Pirola et al. (2010) припремили су Фишер–Тропшове катализаторе на бази гвожђа на носачу од силицијум-диоксида, са високим садржајем активног метала. Њихово истраживање показује да импрегнација носача од силицијум-диоксида потпомогнута ултразвуком побољшава таложење метала и повећава активност катализатора. Резултати Фишер–Тропшове синтезе показали су да су катализатори припремљени ултразвучном обрадом најефикаснији, нарочито када се ултразвучна импрегнација спроводи у атмосфери аргона.
UIP2000hdT – снажан соникатор од 2kW за припрему катализатора.
Ултразвучна реактивација катализатора
Ултразвучна обрада површине честица брза је и једноставна метода за регенерацију и реактивацију истрошених и пасивизованих катализатора. Могућност регенерације катализатора омогућава његову реактивацију и поновну употребу, што овај корак процеса чини економичним и еколошки прихватљивим.
Ултразвучна обрада честица уклања са честица катализатора пасивизујуће слојеве, наслаге и нечистоће који их инактивирају блокирањем места за каталитичку реакцију. Соникација суспензије истрошеног катализатора доводи до млазног испирања површине честица катализатора, чиме се уклањају наслаге са каталитички активних места. После ултразвучне обраде активност катализатора враћа се на исти ниво ефикасности као код свежег катализатора. Поред тога, соникација разбија агломерате и обезбеђује хомогену, равномерну расподелу монодисперзних честица, што повећава површину честица, а тиме и каталитички активну површину. Стога се ултразвучном обновом катализатора добијају регенерисани катализатори са великом активном површином за побољшан пренос масе.
Ултразвучна регенерација катализатора примењива је на минералне и металне честице, (мезо-)порозне честице и нанокомпозите.
Прочитајте више о ултразвучној регенерацији истрошених катализатора!
Соникатори високих перформанси за сонохемијску синтезу Фишер–Тропшових катализатора
Hielscher соникатори веома су цењени у синтези катализатора због своје робусне конструкције, прецизности и могућности повећања размере процеса, при чему пружају значајне предности у односу на опрему за соникацију опште намене. Ови уређаји обезбеђују ултразвучну енергију високог интензитета која се може прецизно контролисати, што је кључно за постизање равномерне дисперзије прекурсорских материјала и омогућавање прецизне нуклеације и раста честица катализатора. Напредни системи управљања омогућавају истраживачима да тачно регулишу параметре као што су излазна снага и трајање импулса, обезбеђујући поновљиве експерименталне резултате – кључни чинилац у науци о материјалима. Поред тога, Hielscher соникатори познати су по својој издржљивости и способности рада у различитим размерама, од малих лабораторијских шаржи до рада у пилот-постројењима, чиме омогућавају ефикасан прелазак перспективних формулација катализатора из лабораторијских истраживања у индустријску примену. Немачки инжењерски и производни стандарди обезбеђују поуздан рад Hielscher ултразвучне опреме у режиму 24/7 под великим оптерећењима.
Табела испод даје преглед приближног капацитета обраде наших соникатора:
| Запремина шарже | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | већи | група уређаја UIP16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Чињенице које вреди знати
Шта је Фишер–Тропшова реакција?
Фишер–Тропшова реакција је каталитички хемијски процес којим се синтезни гас, смеша угљен-моноксида и водоника, претвара у угљоводонике као што су алкани, алкени, воскови и течна горива. То је важан пут за производњу синтетичких горива и хемикалија из угља, природног гаса, биомасе или синтезног гаса добијеног из CO₂.
Шта је Фишер–Тропшов катализатор?
Фишер–Тропшов катализатор је чврст каталитички материјал који подстиче хидрогенизацију и конверзију угљен-моноксида са водоником у угљоводонике уз раст ланца. Најшире коришћени активни метали су гвожђе, кобалт и рутенијум, често нанети на носаче од материјала као што су алуминијум-оксид, силицијум-диоксид, титанијум-диоксид или угљеник ради повећања површине, стабилности и селективности.
Које индустрије користе Фишер–Тропшове реакције?
Фишер–Тропшове реакције користе се у индустрији синтетичких горива, петрохемијској индустрији, производњи течних производа из гаса, угља и биомасе, као и у секторима у развоју који се баве производњом течних производа помоћу електричне енергије и хватањем и коришћењем угљеника. Посебно су значајне за производњу дизела, млазног горива, мазива, воскова, олефина и других угљоводоничних сировина.
Које су примене Фишер–Тропшових катализатора?
Фишер–Тропшова синтеза представља категорију каталитичких процеса који се примењују у производњи горива и хемикалија из синтезног гаса (смеше CO и H2), који се може
добити из природног гаса, угља или биомасе. У Фишер–Тропшовом процесу користи се катализатор који садржи прелазни метал за производњу угљоводоника из најосновнијих полазних материјала, водоника и угљен-моноксида, који се могу добити из различитих ресурса који садрже угљеник, као што су угаљ, природни гас, биомаса, па чак и отпад.
Литература / Референце
- 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.
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лабораторијских до индустријских размера.