Sonokatalys – Ultraljudsassisterad katalys
Ultraljud påverkar katalysatorns reaktivitet under katalys genom förbättrad massöverföring och energitillförsel. I heterogen katalys, där katalysatorn är i en annan fas än reaktanterna, ökar ultraljudsdispersion den yta som är tillgänglig för reaktanterna.
Bakgrund till Sonokatalys
Katalys är en process där hastigheten för en Den kemiska reaktionen ökar (eller minskas) med hjälp av en katalysator. Produktionen av många kemikalier innebär katalys. Påverkan på reaktionshastigheten beror på frekvensen av kontakt mellan reaktanterna i det hastighetsbestämmande steget. I allmänhet ökar katalysatorer reaktionshastigheten och sänker aktiveringsenergin genom att tillhandahålla en alternativ reaktionsväg till reaktionsprodukten. För detta reagerar katalysatorerna med en eller flera reaktanter för att bilda intermediärer som sedan ger slutprodukten. Det senare steget regenererar katalysatorn. Vid Sänkning av aktiveringsenerginhar fler molekylära kollisioner den energi som behövs för att nå övergångstillståndet. I vissa fall används katalysatorer för att ändra selektiviteten hos en kemisk reaktion.
Den diagram till höger illustrerar effekten av en katalysator i en kemisk reaktion X+Y för att producera Z. Katalysatorn ger en alternativ väg (grön) med en lägre aktiveringsenergi Ea.
Effekter av ultraljud
Akustisk våglängd i vätskor sträcker sig från ca 110 till 0,15 mm för frekvenser mellan 18 kHz och 10 MHz. Detta är betydligt över de molekylära dimensionerna. Av denna anledning finns det ingen direkt koppling av det akustiska fältet med molekyler av en kemisk art. Effekterna av ultraljud är till stor del ett resultat av ultraljud kavitation i vätskor. Därför kräver ultraljudsassisterad katalys att minst ett reagens är i flytande fas. Ultraljud bidrar till heterogen och homogen katalys på många sätt. Individuella effekter kan främjas eller minskas genom att anpassa ultraljudsamplituden och vätsketrycket.
Ultraljud dispergering och emulgering
Kemiska reaktioner som involverar reagenser och en katalysator av mer än en fas (heterogen katalys) är begränsade till fasgränsen eftersom detta är den enda plats där reagenset såväl som katalysatorn är närvarande. Exponeringen av reagenserna och katalysatorn för varandra är en nyckelfaktor för många kemiska reaktioner i flera faser. Av denna anledning blir den specifika ytan av fasgränsen inflytelserik för den kemiska reaktionshastigheten.
Ultraljud är ett mycket effektivt medel för dispersion av fasta ämnen och för att Emulgering av vätskor. Genom att minska partikel-/droppstorleken ökar samtidigt den totala ytan av fasgränsen. Grafiken till vänster visar sambandet mellan partikelstorlek och ytarea vid sfäriska partiklar eller droppar (Klicka för större bild!). När fasgränsytan ökar, ökar också den kemiska reaktionshastigheten. För många material kan ultraljudskavitation göra partiklar och droppar av mycket fin storlek – ofta betydligt under 100 nanometer. Om dispersionen eller emulsionen blir åtminstone tillfälligt stabil ska appliceringen av Ultraljud kan endast krävas i en inledande fas av den kemiska reaktionen. En inline ultraljudsreaktor för den initiala blandningen av reagenserna och katalysatorn kan generera fina partiklar/droppar på mycket kort tid och vid höga flödeshastigheter. Den kan även appliceras på mycket viskösa medier.
Massöverföring
När reagenser reagerar vid en fasgräns ackumuleras produkterna från den kemiska reaktionen vid kontaktytan. Detta blockerar andra reagensmolekyler från att interagera vid denna fasgräns. Mekaniska skjuvkrafter som orsakas av kavitationella jetströmmar och akustisk strömning resulterar i turbulent flöde och materialtransport från och till partikel- eller droppytor. När det gäller droppar kan den höga skjuvningen leda till sammansmältning och efterföljande bildning av nya droppar. Eftersom den kemiska reaktionen fortskrider över tiden kan en upprepad ultraljudsbehandling, t.ex. tvåstegs eller recirkulation, krävas för att Maximera exponeringen av reagenserna.
Tillförsel av energi
Ultraljudskavitation är ett unikt sätt att Sätt energi i kemiska reaktioner. En kombination av vätskestrålar med hög hastighet, högt tryck (>1000atm) och höga temperaturer (>5000K), enorma värme- och kylhastigheter (>109Ks-1) förekommer lokalt koncentrerade under den implosiva kompressionen av kavitationsbubblor. Kenneth Suslick Säger: “Kavitation är en extraordinär metod för att koncentrera den diffusa energin i ljud till en kemiskt användbar form.”
Ökad reaktivitet
Kavitationserosion på partikelytor Genererar opassiverade, mycket reaktiva ytor. Kortlivade höga temperaturer och tryck bidrar till molekylär nedbrytning och öka reaktiviteten av många kemiska arter. Ultraljudsbestrålning kan användas vid framställning av katalysatorer, t.ex. för att producera aggregat av finstora partiklar. Detta ger amorfa katalysatorer partiklar med hög specifik yta område. På grund av denna aggregatstruktur kan sådana katalysatorer separeras från reaktionsprodukterna (dvs. genom filtrering).
Rengöring med ultraljud
Ofta involverar katalys oönskade biprodukter, föroreningar eller föroreningar i reagenserna. Detta kan leda till nedbrytning och nedsmutsning på ytan av fasta katalysatorer. Nedsmutsning minskar den exponerade katalysatorytan och minskar därför dess effektivitet. Det behöver inte avlägsnas vare sig under processen eller i återvinningsintervaller med andra processkemikalier. Ultraljud är ett effektivt sätt att Rengör katalysatorer eller hjälp till med återvinningsprocessen för katalysatorer. Ultraljudsrengöring är förmodligen den vanligaste och mest kända tillämpningen av ultraljud. Påverkan av kavitationella vätskestrålar och stötvågor på upp till 104ATM kan skapa lokala skjuvkrafter, erosion och ytgropfrätning. För finstora partiklar leder kollisioner mellan partiklar med hög hastighet till yterosion och till och med Slipning och malning. Dessa kollisioner kan orsaka lokala transienta kollisionstemperaturer på ca 3000K. Suslick visade, att ultraljud effektivt Tar bort ytoxidbeläggningar. Avlägsnandet av sådana passiverande beläggningar förbättrar dramatiskt reaktionshastigheterna för en mängd olika reaktioner (Suslick 2008). Appliceringen av ultraljud hjälper till att sänka nedsmutsningsproblemet med en fast dispergerad katalysator under katalys och bidrar till rengöringen under katalysatoråtervinningsprocessen.
Exempel på ultraljudskatalys
Det finns många exempel på ultraljudsassisterad katalys och för ultraljudspreparering av heterogena katalysatorer. Vi rekommenderar att du Sonokatalys artikel av Kenneth Suslick för en omfattande introduktion. Hielscher levererar ultraljudsreaktorer för framställning av katalysatorer eller katalys, såsom Katalytisk transesterifiering för produktion av metylestrar (dvs. fettmetylester = biodiesel).
Ultraljudsutrustning för sonokatalys
Hielscher tillverkar ultraljudsapparater för användning vid vilken skala som helst och för en Olika processer. Detta inkluderar Ultraljudsbehandling i labb i små injektionsflaskor samt Industriella reaktorer och flödesceller. För inledande processtest i labbskala ska UP400S (400 watt) är mycket lämplig. Den kan användas för batchprocesser samt för inline ultraljudsbehandling. För processtestning och optimering före uppskalning rekommenderar vi att du använder UIP1000hd (1000 watt), eftersom dessa enheter är mycket anpassningsbara och resultaten kan skalas linjärt till vilken större kapacitet som helst. För fullskalig produktion erbjuder vi ultraljudsenheter på upp till 10kW och 16kW ultraljud kraft. Kluster av flera sådana enheter ger mycket hög bearbetningskapacitet.
Vi hjälper dig gärna med processtestning, optimering och uppskalning. Prata med oss om lämplig utrustning eller Besök vårt processlaboratorium.
Litteratur om Sonokatalys och ultraljudsassisterad katalys
Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Akustisk kavitation och dess kemiska konsekvenser, i: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonokatalys” I Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., red.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, s. 2006-2017.