Hielscher ultraljud teknik

Sonocatalysis – Ultrasoniskt assisterad katalys

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 katalys

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.

Diagram illustrerar effekten av en katalysator i en kemisk reaktion X + Y för att producera Z 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 0,15 mm för frekvenser mellan 18kHz och 10MHz. Detta är betydligt över molekyl ära dimensioner. Av denna anledning finns det ingen direkt koppling av det akustiska fältet med molekyler av en kemisk art. Effekterna av ultraljud är i stor utsträckning ett resultat av 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 involverar reagenser och en katalysator av mer än en fas (heterogen katalys) är begränsade till fas gränsen eftersom detta är den enda plats där REA gen sen och katalysatorn är närvarande. Exponeringen av reagenser och 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.

Grafiken visar sambandet mellan partikel storlek och ytareaUltraljud är ett mycket effektivt sätt för dispersion av fasta ämnen och för emulgering av vätskor. Genom att minska partikel/droplet-storleken, ökar den totala ytan av fas gränsen på samma gång. Bilden till vänster visar sambandet mellan partikel storlek och ytarea i händelse av sfäriska partiklar eller droppar (Klicka för större vy!). Som fas gräns ytan ökar så gör den kemiska reaktionen hastighet. 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 reagenserna reagerar vid en fas gräns samlas produkterna från den kemiska reaktionen på kontakt ytan. Detta blockerar andra REA gen smed Els molekyler från att interagera i denna fas gräns. Mekaniska skjuvkrafter som orsakas av cavitational Jet strömmar och akustisk streaming resultera i turbulent flöde och material transport från och till partikel-eller droplet ytor. När det gäller droppar, kan den höga skjuvning leda till koalescens och efterföljande bildandet av nya droppar. Som den kemiska reaktionen fortskrider över tid, en upprepad ultraljudsbehandling, t. ex. två steg eller recirkulation, kan 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 says: "Cavitation is an extraordinary method of concentrating the diffuse energy of sound into a chemically usable 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 katalys innebär oönskade biprodukter, föroreningar eller föroreningar i reagenserna. Detta kan leda till nedbrytning och nedsmutsande på ytan av fasta katalysatorer. Nedsmutsande reducerar den exponerade katalysatorns yta och minskar därmed dess verknings grad. Den behöver inte avlägsnas vare sig under processen eller i återvinnings intervall med hjälp av andra process kemikalier. Ultraljud är ett effektivt sätt 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

Ultrasonic Reactor med 7 x 1kW ultraljud processorer UIP1000hdHielscher 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.

Begär mer information!

Vänligen fyll detta formulär för att begära mer information om sonocatalys och ultraljud assisterad katalys.









Observera att våra Integritetspolicy.


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.