сонокатализа – Ултразвучно потпомогнута катализа

Ултрасоницатион утиче на реактивност катализатора током катализе побољшаним преносом масе и уносом енергије. У хетерогеној катализи, где је катализатор у другој фази у односу на реактанте, ултразвучна дисперзија повећава површину која је доступна реактантима.

Позадина сонокатализе

Катализа је процес у коме је брзина а хемијска реакција је повећана (или смањен) помоћу катализатора. Производња многих хемикалија укључује катализу. Утицај на брзину реакције зависи од учесталости контакта реактаната у кораку који одређује брзину. Генерално, катализатори повећавају брзину реакције и смањују енергију активације обезбеђујући алтернативни пут реакције до продукта реакције. За ово катализатори реагују са једним или више реактаната да би формирали интермедијере који касније дају коначни производ. Последњи корак регенерише катализатор. Од стране снижавање енергије активације, више молекуларних судара има енергију потребну за достизање прелазног стања. У неким случајевима се користе катализатори који мењају селективност хемијске реакције.

Тхе дијаграм десно илуструје ефекат катализатора у хемијској реакцији Кс+И за производњу З. Катализатор обезбеђује алтернативни пут (зелено) са нижом енергијом активације Еа.

Ефекти ултразвука

Акустична таласна дужина у течностима се креће од прибл. 110 до 0,15 мм за фреквенције између 18 кХз и 10 МХз. Ово је знатно изнад молекуларних димензија. Из тог разлога, не постоји директна спрега акустичког поља са молекулима хемијске врсте. Ефекти ултразвука су у великој мери резултат ултразвучна кавитација у течностима. Према томе, катализа уз помоћ ултразвука захтева да најмање један реагенс буде у течној фази. Ултрасоницатион доприноси хетерогеној и хомогеној катализи на много начина. Појединачни ефекти се могу унапредити или смањити прилагођавањем ултразвучне амплитуде и притиска течности.

Ултразвучно дисперговање и емулговање

Хемијске реакције које укључују реагенсе и катализатор са више од једне фазе (хетерогена катализа) су ограничене на фазну границу јер је то једино место где су присутни и реагенс као и катализатор. Излагање реагенса и катализатора једно другом је а кључни фактор за многе вишефазне хемијске реакције. Из тог разлога, специфична површина границе фазе постаје утицајна на хемијску брзину реакције.

Ултразвук је веома ефикасно средство за дисперзија чврстих материја и за емулговање течности. Смањењем величине честица/капљица, укупна површина границе фазе се истовремено повећава. График са леве стране показује корелацију између величине честица и површине у случају сферних честица или капљица (Кликните за већи приказ!). Како се површина границе фазе повећава, повећава се и брзина хемијске реакције. За многе материјале ултразвучна кавитација може да направи честице и капљице врло фине величине – често знатно испод 100 нанометара. Ако дисперзија или емулзија постане бар привремено стабилна, примена ултразвук може бити потребан само у почетној фази хемијске реакције. Инлине ултразвучни реактор за почетно мешање реагенса и катализатора може да генерише честице/капљице фине величине за веома кратко време и при високим брзинама протока. Може се применити чак и на високо вискозне медије.

Масс-Трансфер

Када реагенси реагују на граници фазе, производи хемијске реакције се акумулирају на контактној површини. Ово блокира друге молекуле реагенса од интеракције на овој граници фазе. Механичке силе смицања узроковане кавитационим млазним струјама и акустичним струјањем доводе до турбулентног тока и транспорта материјала са и на површине честица или капљица. У случају капљица, велико смицање може довести до спајања и накнадног стварања нових капљица. Како хемијска реакција напредује током времена, може бити потребна поновљена соникација, нпр. двостепена или рециркулација да би се максимизирати изложеност реагенаса.

Унос енергије

Ултразвучна кавитација је јединствен начин да улажу енергију у хемијске реакције. Комбинација млазница течности велике брзине, високог притиска (>1000атм) и високе температуре (>5000К), огромне брзине грејања и хлађења (>10⁹Кс^-1) настају локално концентрисане током имплозивне компресије кавитационих мехурића. Кеннетх Суслицк каже: “Кавитација је изванредан метод концентрисања дифузне енергије звука у хемијски употребљив облик.”

Повећање реактивности

Кавитациона ерозија на површинама честица ствара непасивиране, високо реактивне површине. Краткотрајне високе температуре и притисци доприносе молекуларном разградњом и повећањем реактивности многих хемијских врста. Ултразвучно зрачење се може користити у припреми катализатора, нпр. за производњу агрегата ситних честица. Ово производи аморфне катализаторе честице високе специфичне површине области. Због ове структуре агрегата, такви катализатори се могу одвојити од производа реакције (тј. филтрацијом).

Ултразвучно чишћење

Често катализа укључује нежељене нуспроизводе, контаминације или нечистоће у реагенсима. Ово може довести до деградације и прљања на површини чврстих катализатора. Прљање смањује изложену површину катализатора и самим тим смањује његову ефикасност. Није потребно да се уклања ни током процеса ни у интервалима рециклаже коришћењем других хемикалија у процесу. Ултразвук је ефикасно средство за чисти катализаторе или помаже у процесу рециклаже катализатора. Ултразвучно чишћење је вероватно најчешћа и позната примена ултразвука. Удар кавитационих млаза течности и ударних таласа до 10⁴атм може створити локализоване силе смицања, ерозију и површинске рупице. За честице фине величине, велике брзине судара између честица доводе до површинске ерозије и равномерне млевење и млевење. Ови судари могу изазвати локалне пролазне ударне температуре од прибл. 3000К. Суслицк је показао да је ултразвук ефикасан уклања површинске оксидне превлаке. Уклањање таквих пасивирајућих премаза драматично побољшава стопе реакције за широк спектар реакција (Суслицк 2008). Примена ултразвука помаже да се смањи проблем прљања чврстог диспергованог катализатора током катализе и доприноси чишћењу током процеса рециклаже катализатора.

Примери ултразвучне катализе

Постоје бројни примери за ултразвучно потпомогнуту катализу и за ултразвучну припрему хетерогених катализатора. Препоручујемо сонокатализа чланак Кенета Саслика за свеобухватан увод. Хиелсцхер испоручује ултразвучне реакторе за припрему катализатора или катализе, као што је каталитичка трансестерификација за производњу метилестара (тј. масни метилестар = биодизел).

Ултразвучна опрема за сонокатализу

Хиелсцхер производи ултразвучне уређаје за употребу у било које размере и за а разноврсност процеса. Ово укључује лаб соницатион у малим бочицама као и индустријски реактори и проточне ћелије. За почетни тест процеса у лабораторијској скали УП400С (400 вати) је веома погодан. Може се користити за групне процесе, као и за инлине соникацију. За тестирање и оптимизацију процеса пре повећања, препоручујемо коришћење УИП1000хд (1000 вати), јер је ова јединица веома прилагодљива и резултати се могу линеарно скалирати на било који већи капацитет. За производњу у пуном обиму нудимо ултразвучне уређаје до 10кВ и 16кВ ултразвучна снага. Кластери од неколико таквих јединица пружају веома високе капацитете обраде.

Биће нам драго да подржимо ваше тестирање процеса, оптимизацију и повећање. Причај с нама о одговарајућој опреми или посетите нашу процесну лабораторију.

Литература о сонокатализи и ултразвучно потпомогнутој катализи

Суслицк, КС; Диденко, И.; Фанг, ММ; Хиеон, Т.; Колбецк, КЈ; МцНамара, ВБ ИИИ; Мдлелени, ММ; Вонг, М. (1999): Акустична кавитација и њене хемијске последице, у: Фил. Транс. Рои. Соц. А, 1999, 357, 335-353.

Суслицк, КС; Скрабалак, СЕ (2008): “сонокатализа” У Хандбоок оф Хетерогенеоус Цаталисис, вол. 4; Ертл, Г.; Кнзингер, Х.; Сцхтх, Ф.; Веиткамп, Ј., ур.; Вилеи-ВЦХ: Веинхеим, 2008, стр. 2006-2017.