ปรับปรุงตัวเร่งปฏิกิริยา Fischer-Tropsch ด้วยการใช้คลื่นอัลตราโซนิก

การปรับปรุงการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา Fischer-Tropsch ด้วยคลื่นอัลตราโซนิก: การปรับสภาพอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยคลื่นอัลตราโซนิกใช้เพื่อวัตถุประสงค์หลายประการ การสังเคราะห์ด้วยคลื่นอัลตราโซนิกช่วยสร้างอนุภาคนาโนที่ผ่านการดัดแปรหรือเติมหมู่ฟังก์ชัน ซึ่งมีความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยาสูง ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แล้วและถูกสารพิษทำให้เสื่อมสภาพสามารถฟื้นฟูได้อย่างง่ายดายและรวดเร็วด้วยการปรับสภาพพื้นผิวด้วยคลื่นอัลตราโซนิก ซึ่งขจัดคราบสะสมที่ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาหมดความว่องไว สุดท้าย การสลายกลุ่มอนุภาคและการกระจายตัวด้วยคลื่นอัลตราโซนิกทำให้อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยากระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและมีขนาดเดียวกัน เพื่อให้มีพื้นที่ผิวอนุภาคที่ว่องไวสูงและมีการถ่ายเทมวลที่เอื้อต่อการเปลี่ยนสารด้วยปฏิกิริยาเร่งอย่างเหมาะสมที่สุด

ข้อดีของการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยคลื่นอัลตราโซนิกสำหรับกระบวนการ Fischer-Tropsch

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกมีข้อดีอย่างมากในการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา Fischer-Tropsch โดยหลักแล้วเป็นผลจากความสามารถในการควบคุมสัณฐานวิทยาของตัวเร่งปฏิกิริยาและการกระจายของตำแหน่งกัมมันต์ได้อย่างละเอียด คาวิเทชันพลังงานสูงที่เกิดจากคลื่นอัลตราโซนิกทำให้เกิดการผสมอย่างรวดเร็วและการสลายกลุ่มอนุภาคของวัสดุสารตั้งต้นอย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้มีการกระจายขนาดอนุภาคที่สม่ำเสมออย่างยิ่งและมีพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น ความเป็นเนื้อเดียวกันที่เพิ่มขึ้นนี้ทำให้องค์ประกอบกัมมันต์กระจายตัวได้ดีขึ้น ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มจำนวนตำแหน่งเกิดปฏิกิริยาที่เข้าถึงได้ให้มากที่สุด นอกจากนี้ จลนพลศาสตร์ของการผสมที่ควบคุมได้มักนำไปสู่การก่อตัวของโครงสร้างที่มีความเสถียรสูงและมีรูพรุน จึงช่วยปรับปรุงสมรรถนะในการเร่งปฏิกิริยา ความเลือกจำเพาะ และความเสถียรในระยะยาวของตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้สภาวะปฏิกิริยาที่รุนแรง

ผลของคลื่นอัลตราโซนิกต่อตัวเร่งปฏิกิริยา

คลื่นอัลตราโซนิกกำลังสูงเป็นที่รู้จักกันดีว่ามีอิทธิพลเชิงบวกต่อปฏิกิริยาเคมี เมื่อส่งคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงเข้าสู่ตัวกลางของเหลว จะเกิดคาวิเทชันเชิงเสียง คาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิกก่อให้เกิดสภาวะรุนแรงเฉพาะจุด โดยมีอุณหภูมิสูงมากถึง 5,000K ความดันประมาณ 2,000atm และเจ็ตของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280m/s ปรากฏการณ์คาวิเทชันเชิงเสียงและผลที่มีต่อกระบวนการทางเคมีเรียกว่าโซโนเคมี
การประยุกต์ใช้คลื่นอัลตราโซนิกที่พบได้ทั่วไปคือการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์: แรงจากคาวิเทชันของคลื่นอัลตราโซนิกกระตุ้นพื้นที่ผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา เนื่องจากการกร่อนจากคาวิเทชันสร้างพื้นผิวที่ไม่มีชั้นพาสซีฟและมีความว่องไวต่อปฏิกิริยาสูง นอกจากนี้ การไหลแบบปั่นป่วนของของเหลวยังช่วยปรับปรุงการถ่ายเทมวลอย่างมาก การชนกันอย่างรุนแรงของอนุภาคที่เกิดจากคาวิเทชันเชิงเสียงขจัดชั้นออกไซด์ที่เคลือบพื้นผิวของอนุภาคผง ส่งผลให้พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยากลับมาว่องไวอีกครั้ง
 

การสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เจือด้วยแพลเลเดียม โดยใช้เครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hdT
การศึกษาและภาพ: ©Prekob et al., 2020

การเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยา Fischer-Tropsch ด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

กระบวนการ Fischer-Tropsch ประกอบด้วยปฏิกิริยาเคมีหลายปฏิกิริยาที่เปลี่ยนส่วนผสมของคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจนเป็นไฮโดรคาร์บอนเหลว การสังเคราะห์ Fischer-Tropsch สามารถใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาได้หลากหลายชนิด แต่ที่ใช้บ่อยที่สุดคือโลหะแทรนซิชัน ได้แก่ โคบอลต์ เหล็ก และรูทีเนียม การสังเคราะห์ Fischer-Tropsch ที่อุณหภูมิสูงดำเนินการโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็ก
เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยา Fischer-Tropsch ไวต่อการเสื่อมสภาพจากสารพิษที่เป็นสารประกอบที่มีกำมะถัน การทำให้กลับมาว่องไวด้วยคลื่นอัลตราโซนิกจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยาและความเลือกจำเพาะไว้อย่างเต็มที่

การสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบแกน–เปลือกด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

โครงสร้างนาโนแบบแกน–เปลือกคืออนุภาคนาโนที่ถูกห่อหุ้มและปกป้องด้วยเปลือกชั้นนอก ซึ่งแยกอนุภาคนาโนออกจากกันและป้องกันการเคลื่อนย้ายและการรวมตัวเข้าด้วยกันระหว่างปฏิกิริยาเร่ง

Pirola et al. (2010) ได้เตรียมตัวเร่งปฏิกิริยา Fischer-Tropsch ที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลักบนตัวรองรับซิลิกา โดยมีปริมาณโลหะกัมมันต์สูง การศึกษาของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าการอิมเพรกเนชันตัวรองรับซิลิกาโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยปรับปรุงการสะสมของโลหะและเพิ่มความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยา ผลการสังเคราะห์ Fischer-Tropsch บ่งชี้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมด้วยคลื่นอัลตราโซนิกมีประสิทธิภาพสูงที่สุด โดยเฉพาะเมื่อดำเนินการอิมเพรกเนชันด้วยคลื่นอัลตราโซนิกในบรรยากาศอาร์กอน

การทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยากลับมาว่องไวด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

การปรับสภาพพื้นผิวอนุภาคด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่รวดเร็วและง่ายในการฟื้นฟูและทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แล้วและมีชั้นพาสซีฟกลับมาว่องไว ความสามารถในการฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้สามารถกระตุ้นให้กลับมาว่องไวและนำกลับมาใช้ใหม่ได้ จึงเป็นขั้นตอนของกระบวนการที่ประหยัดและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
การปรับสภาพอนุภาคด้วยคลื่นอัลตราโซนิกขจัดชั้นพาสซีฟ คราบสะสม และสิ่งเจือปนที่ทำให้อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาหมดความว่องไวและปิดกั้นตำแหน่งเกิดปฏิกิริยาเร่ง การใช้คลื่นอัลตราโซนิกกับสารแขวนลอยข้นของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แล้วทำให้เกิดการล้างพื้นผิวอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยเจ็ต จึงขจัดสารที่สะสมอยู่บนตำแหน่งกัมมันต์สำหรับการเร่งปฏิกิริยา หลังการใช้คลื่นอัลตราโซนิก ความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาจะฟื้นคืนจนมีประสิทธิผลเท่ากับตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ นอกจากนี้ การใช้คลื่นอัลตราโซนิกยังสลายกลุ่มอนุภาคและทำให้อนุภาคที่มีขนาดเดียวกันกระจายตัวเป็นเนื้อเดียวกันอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งเพิ่มพื้นที่ผิวอนุภาคและเพิ่มพื้นที่กัมมันต์สำหรับการเร่งปฏิกิริยา ดังนั้น การฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยคลื่นอัลตราโซนิกจึงให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้รับการฟื้นฟูและมีพื้นที่ผิวกัมมันต์สูง เพื่อให้การถ่ายเทมวลดีขึ้น
การฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยคลื่นอัลตราโซนิกใช้ได้กับอนุภาคแร่และโลหะ อนุภาคที่มีรูพรุน (รวมถึงรูพรุนระดับเมโซ) และวัสดุนาโนคอมโพสิต
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แล้วด้วยคลื่นอัลตราโซนิก!

เครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา Fischer-Tropsch ด้วยโซโนเคมี

เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ได้รับความนิยมอย่างมากในการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา เนื่องจากการออกแบบที่แข็งแกร่ง ความแม่นยำ และความสามารถในการขยายขนาด ซึ่งให้ข้อดีอย่างมากเมื่อเทียบกับอุปกรณ์อัลตราโซนิกทั่วไป เครื่องเหล่านี้ให้พลังงานอัลตราโซนิกความเข้มสูงที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำให้วัสดุสารตั้งต้นกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ และช่วยให้การเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นไปอย่างแม่นยำ ระบบควบคุมที่ซับซ้อนช่วยให้นักวิจัยควบคุมพารามิเตอร์ต่าง ๆ เช่น กำลังขาออกและระยะเวลาพัลส์ได้อย่างแม่นยำ ทำให้ได้ผลการทดลองที่ทำซ้ำได้ – ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญอย่างยิ่งในวัสดุศาสตร์ นอกจากนี้ เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ยังเป็นที่รู้จักในด้านความทนทานและความสามารถในการรองรับการทำงานหลายขนาด ตั้งแต่การผลิตแบบแบตช์ขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการจนถึงการดำเนินงานในโรงงานนำร่อง จึงช่วยให้สามารถนำสูตรตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีแนวโน้มดีจากการวิจัยระดับโต๊ะปฏิบัติการไปสู่การใช้งานในอุตสาหกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ มาตรฐานด้านวิศวกรรมและการผลิตของเยอรมนีช่วยให้มั่นใจว่าอุปกรณ์อัลตราโซนิก Hielscher สามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ในโหมด 24/7 ภายใต้ภาระงานหนัก

ตารางด้านล่างแสดงขีดความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.