Ultraljud påverkar katalysatorn reaktivitet under katalys genom förbättrad Mass överföring och energi input. I heterogena katalys, där katalysatorn är i en annan fas till reaktanter, ökar ultraljud dispersion ytan tillgänglig för reaktanter.

Bakgrund av Sonocatalysis

Katalys är en process där andelen kemisk reaktion ökas (eller minskat) med hjälp av en katalysator. Produktionen av många kemikalier innebär katalys. Påverkan på reaktionen klassar beror på frekvensen av kontakten av reaktanterna i det klassar-bestämma kliver. I allmänhet, katalysatorer öka reaktions hastigheten och sänka Aktiverings energin genom att tillhandahålla en alternativ reaktions väg till reaktions produkten. För detta reagerar katalysatorer med en eller flera reaktanter för att bilda intermediärer som därefter ger produkten. Det senare steget återskapar katalysatorn. Av sänka Aktiverings energin, mer molekyl ära kollisioner har den energi som behövs för att nå över gången tillstånd. I vissa fall används katalysatorer för att ändra selektiviteten hos en kemisk reaktion.

De 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 aktivering Energy EA.

Effekter av ultraljud

Akustisk våglängd i vätskor varierar från ca. 110 till 0,15mm för frekvenser mellan 18kHz och 10MHz. Detta är betydligt över molekylära dimensioner. 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 den ultraljud kavitation i vätskor. Därför kräver ultraljud assisterad katalys minst en reagens vara i vätske fas. Ultraljud bidrar till heterogena och homogena katalys på många sätt. Individuella effekter kan främjas eller minskas anpassa ultraljud amplitud och vätske tryck.

Ultraljud dispergering och emulgering

Kemiska reaktioner som inbegriper reagenser och en katalysator av mer än en fas (heterogen katalys) är begränsade till fasgränsen eftersom detta är den enda platsen, där reagensen såväl som katalysatorn förekommer. Exponering av reagenserna och av katalysatorn för varandra är en viktig faktor för många flerfaskemiska reaktioner. Av denna anledning, den specifika ytan av fas gränsen blir inflytelse rik för den kemiska reaktions hastigheten.

Ultraljud är ett mycket effektivt sätt för dispersion av fasta ämnen och för emulgering av vätskor. Genom att minska partikeln/droppstorleken ökar den totala ytan av fasgränsen samtidigt. Grafiken till vänster visar korrelationen mellan partikelstorlek och yta vid sfäriska partiklar eller droppar (Klicka för större vy!). Eftersom fasgränsen ytan ökar så gör den kemiska reaktionshastigheten. För många material ultraljud kavitation kan göra partiklar och droppar av mycket fin storlek – ofta betydligt under 100 nanometer. Om dispersionen eller emulsionen blir åtminstone tillfälligt stabil, ska applicering av ultraljud kan krävas endast i en inledande fas av den kemiska reaktionen. En inline ultraljud reaktor för den första blandningen av reagenser och katalysatorn kan generera fina partiklar/droppar i mycket kort tid och vid höga flöden. Det kan appliceras även på mycket trög flytande media.

Mass överföring

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 orsakade av cavitational 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 att nya droppar bildas i efterhand. Allt eftersom den kemiska reaktionen fortskrider över tiden kan en upprepad ultraljudsbehandling, t ex tvåstegs- eller återcirkulation, krävas för att maximera exponeringen av reagenserna.

Energi inmatning

Ultraljud kavitation är ett unikt sätt att sätta energi på kemiska reaktioner. En kombination av hög hastighet flytande Jets, högt tryck (>1000atm) och höga temperaturer (>5000K), enorma värme-och kylnings hastigheter (>10⁹Ks^-1) uppstår lokalt koncentrerad under implosiva kompression av cavitational bubblor. Mer från Kenneth Suslick Säger: “Kavitation är en extraordinär metod för att koncentrera den diffusa energin av ljud till en kemiskt användbar form.”

Ökning av reaktivitet

Cavitational erosion på partikel ytor genererar icke-passiverat, mycket reaktiva ytor. Kortlivade höga temperaturer och tryck bidrar till att molekyl nedbrytning och öka reaktiviteten av många kemiska arter. Ultraljud bestrålning kan användas i beredningen av katalysatorer, e.g. att producera aggregat av fina-storlek partiklar. Detta ger amorfa katalysatorer partiklar med hög specifik yta Området. På grund av denna aggregerade struktur kan sådana katalysatorer separeras från reaktions produkterna (dvs. genom filtrering).

Ultraljudsrengöring

Ofta catalysis innebär oönskade produkter, föroreningar eller föroreningar i reagenserna. Detta kan leda till nedbrytning och påväxt på ytan av fasta katalysatorer. Påväxt minskar den exponerade katalysatorytan och minskar därför dess effektivitet. Det behöver inte avlägsnas vare sig under processen eller i återvinningsintervall med hjälp av andra processkemikalier. Ultraljud är ett effektivt medel för att ren katalysatorer eller hjälpa katalysatorn återvinnings processen. Ultraljudsrengöring är förmodligen den vanligaste och mest kända tillämpningen av ultraljud. Den impingement av cavitational flytande Jets och chock vågor på upp till 10⁴ATM kan skapa lokaliserade skjuvkrafter, erosion och yta gropfrätning. För partiklar med hög hastighet leder kollisioner mellan partiklar till yterosion och till och med slipning och fräsning. Dessa kollisioner kan orsaka lokal övergående påverkan temperaturer av ca. 3000K. Suslick visat, att ultraljud effektivt avlägsnar ytoxidbeläggningar. Avlägsnandet av sådana passivera beläggningar förbättrar dramatiskt reaktions frekvenser för en mängd olika reaktioner (Suslick 2008). Tillämpningen av ultraljud bidrar till att sänka påväxt problemet med en solid spridda katalysator under katalys och bidrar till rengöring under katalysatorn återvinnings processen.

Exempel på ultraljud katalys

Det finns många exempel för ultraljud assisterad katalys och för ultraljud beredning av heterogena katalysatorer. Vi rekommenderar Sonocatalysis artikel av Kenneth Suslick för en omfattande introduktion. Hielscher levererar ultraljud reaktorer för beredning av katalysatorer eller katalys, t. ex. katalytisk transesterifiering för framställning av fettsyrametylester (dvs. fet metylester = bio diesel).

Ultraljud utrustning för Sonocatalys

Hielscher tillverkar ultraljud enheter för användning på någon skala och för en olika processer. Detta inbegriper Lab ultraljudsbehandling i små flaskor samt industri reaktorer och flödes celler. För inledande process test i laboratorie skala UP400S (400 watt) är mycket lämplig. Det kan användas för batchprocesser samt för inline ultraljudsbehandling. För process testning och optimering innan skala upp, rekommenderar vi att du använder UIP1000hd (1000 watt), eftersom dessa enheter är mycket anpassningsbar och resultat con skalas linjär till någon större kapacitet. För fullskalig produktion erbjuder vi ultraljudsenheter på upp till 10 kW och 16kW ultraljud makt. Kluster av flera sådana enheter ger mycket hög bearbetnings kapacitet.

Vi kommer att vara glada att stödja din process testning, optimering och skala upp. Prata med oss om lämplig utrustning eller Besök vårt process laboratorium.

Litteratur om Sonocatalys och ultraljud assisterad 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 Consequences, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalysis” I hand bok för heterogena katalys, Vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., EDS.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, PP. 2006-2017.