การเร่งปฏิกิริยาด้วยเสียง – การเร่งปฏิกิริยาที่ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วย

การเร่งปฏิกิริยาด้วยเสียง หรือการเร่งปฏิกิริยาที่ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วย เป็นกระบวนการที่เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีและประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างมีนัยสำคัญ โดยอาศัยแรงทางกายภาพจากคาวิเทชันที่เกิดจากคลื่นเสียง เมื่อคลื่นอัลตราซาวนด์แพร่ผ่านส่วนผสมของปฏิกิริยา จะทำให้เกิดฟองขนาดจุลภาคที่ขยายตัวและยุบตัวด้วยพลังงานมหาศาล การยุบตัวเข้าด้านในอย่างรุนแรงนี้ก่อให้เกิด “จุดร้อน” เฉพาะที่ซึ่งมีอุณหภูมิและความดันสูงอย่างยิ่ง พร้อมกับลำพุ่งของของไหลขนาดจุลภาคและความปั่นป่วนที่รุนแรง ผลเหล่านี้เปลี่ยนแปลงการเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธุ์ได้อย่างมากเป็นพิเศษ โดยเพิ่มการถ่ายเทมวลผ่านรอยต่อระหว่างเฟสอย่างมาก ขจัดชั้นออกไซด์ที่ทำให้ผิวเฉื่อย และป้องกันการสะสมของสิ่งตกค้างบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ผลลัพธ์คือสภาวะแวดล้อมของปฏิกิริยาที่มีความว่องไวสูง ซึ่งลดพลังงานกระตุ้น เพิ่มอัตราการเปลี่ยนสาร และทำให้มั่นใจได้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาจะมีเสถียรภาพในระยะยาวและสามารถนำกลับมาใช้ซ้ำได้

การเร่งปฏิกิริยาด้วยเสียงคืออะไร? คลื่นอัลตราซาวนด์เพิ่มประสิทธิภาพปฏิกิริยาที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างไร

การเร่งปฏิกิริยาแบบดั้งเดิมทำให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดเร็วขึ้นโดยลดพลังงานกระตุ้น แต่ระบบวิวิธพันธุ์มักเผชิญข้อจำกัดที่มีอยู่ในตัวระบบ เช่น อัตราการแพร่ที่ช้าและการสะสมของสิ่งตกค้างบนพื้นผิว การเร่งปฏิกิริยาด้วยเสียง – การเร่งปฏิกิริยาที่ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วย – เอาชนะอุปสรรคเหล่านี้โดยนำพลังงานเสียงความเข้มสูงเข้าสู่สภาวะแวดล้อมของปฏิกิริยาโดยตรง
เมื่อคลื่นอัลตราซาวนด์แพร่ผ่านตัวกลางของเหลว จะทำให้เกิดฟองคาวิเทชันขนาดจุลภาคที่ขยายตัวและยุบตัวอย่างรุนแรง การยุบตัวเข้าด้านในนี้ก่อให้เกิดสภาวะเฉพาะที่ที่รุนแรงอย่างยิ่ง ซึ่งทำให้พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาสดใหม่อยู่เสมอ ส่งผลให้การถ่ายเทมวล จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา และประสิทธิภาพโดยรวมของกระบวนการดีขึ้นอย่างมาก ผลลัพธ์คืออัตราการเปลี่ยนสารที่เร็วขึ้น ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ลดลง ความเลือกจำเพาะที่สูงขึ้น และเส้นทางการสังเคราะห์ทางเคมีที่ยั่งยืนยิ่งขึ้น
แผนภาพด้านบนแสดงผลของตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาเคมี X+Y เพื่อผลิต Z ตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้เกิดเส้นทางทางเลือก (สีเขียว) ที่มีพลังงานกระตุ้น Ea ต่ำกว่า

กลไกสำคัญ: คลื่นอัลตราซาวนด์เพิ่มประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาได้อย่างไร

ความยาวคลื่นเสียงในของเหลว (โดยทั่วไปตั้งแต่ 110 mm ลงไปถึง 0.15 mm สำหรับความถี่ระหว่าง 20 kHz และ 1 MHz) มีขนาดใหญ่กว่าขนาดของโมเลกุลอย่างมาก ดังนั้น คลื่นอัลตราซาวนด์จึงไม่เกิดอันตรกิริยาโดยตรงกับพันธะเคมี แต่ส่งผลในการเร่งปฏิกิริยาผ่านคาวิเทชันที่เกิดจากคลื่นเสียง – การก่อตัว การขยายตัว และการยุบตัวแบบไม่สมมาตรของฟองขนาดจุลภาคในตัวกลางของเหลว ปรากฏการณ์นี้ต้องมีเฟสของเหลวอย่างน้อยหนึ่งเฟส และช่วยให้ควบคุมความเข้มของปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำด้วยการปรับแอมพลิจูด ความดัน และระยะเวลาการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์

การกระจายตัวและการเกิดอิมัลชันด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์

ปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธุ์มีข้อจำกัดโดยธรรมชาติ คือเกิดได้เฉพาะบริเวณรอยต่อระหว่างเฟสที่ตัวเร่งปฏิกิริยาและสารทำปฏิกิริยาอยู่ร่วมกัน การเพิ่มพื้นที่รอยต่อนี้ให้มากที่สุดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความเร็วของปฏิกิริยา การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์มีประสิทธิภาพโดดเด่นในการทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งและสารทำปฏิกิริยาที่เป็นของเหลวแตกตัวเป็นระบบกระจายตัวและอิมัลชันที่มีขนาดต่ำกว่าไมครอนหรือระดับนาโน การลดขนาดหยดและอนุภาคลงอย่างมากทำให้การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เพิ่มพื้นที่ผิวที่พร้อมสำหรับอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล ภาพกราฟิกด้านซ้ายแสดงความสัมพันธ์ระหว่างขนาดอนุภาคกับพื้นที่ผิว สำหรับหลายระบบ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วงสั้น ๆ ในขั้นเริ่มต้นทำให้เกิดส่วนผสมที่มีเสถียรภาพและมีพื้นที่ผิวสูง ซึ่งรักษาจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาให้รวดเร็วตลอดการดำเนินกระบวนการแบบแบตช์ เครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์แบบอินไลน์มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษสำหรับกระบวนการต่อเนื่อง โดยรองรับได้แม้กระทั่งสารแขวนลอยข้นที่มีความหนืดหรือความเข้มข้นสูง

การเพิ่มการถ่ายเทมวลและการสลายชั้นขอบเขต

ในเครื่องปฏิกรณ์แบบทั่วไป ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยามักสะสมบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้เกิดชั้นการแพร่ที่หยุดนิ่งซึ่งขัดขวางสารตั้งต้นที่เข้ามาใหม่ คาวิเทชันจากคลื่นอัลตราซาวนด์ก่อให้เกิดลำพุ่งของของไหลขนาดจุลภาคที่รุนแรง การไหลเวียนจากคลื่นเสียง และความปั่นป่วนเฉพาะที่ ซึ่งสลายชั้นขอบเขตนี้อย่างต่อเนื่อง ผลเสมือนการ “ขัดล้าง” อย่างต่อเนื่องนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าสารตั้งต้นจะถูกลำเลียงไปยังตำแหน่งกัมมันต์อย่างรวดเร็ว และผลิตภัณฑ์จะถูกนำออกอย่างฉับไว จึงขจัดข้อจำกัดจากการแพร่ได้อย่างมีประสิทธิผล สำหรับปฏิกิริยาที่ดำเนินเป็นเวลานาน การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นระยะหรือในระบบหมุนเวียนกลับจะรักษาประสิทธิภาพการถ่ายเทมวลให้อยู่ในระดับสูงสุด และป้องกันไม่ให้ปฏิกิริยาช้าลงเมื่อเวลาผ่านไป

การป้อนพลังงานผ่านคาวิเทชันที่เกิดจากคลื่นเสียง

คาวิเทชันเป็นวิธีส่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง โดยไม่อาศัยความร้อนในมวลตัวกลางโดยรวม และทำให้พลังงานเข้มข้นอยู่ในระดับโมเลกุล ระหว่างที่ฟองยุบตัว จุดร้อนเฉพาะที่มีอุณหภูมิสูงเกิน 5,000 K และความดันสูงกว่า 1,000 atm โดยมีอัตราการเพิ่ม/ลดอุณหภูมิสูงเกิน 10⁹ K/s สภาวะที่รุนแรงอย่างยิ่งเหล่านี้สามารถทำลายพันธะโมเลกุล ก่อให้เกิดอนุมูลอิสระ และลดพลังงานกระตุ้นโดยรวมที่จำเป็นต่อปฏิกิริยาได้ ดังที่ Kenneth Suslick นักวิจัยผู้บุกเบิกได้กล่าวไว้ คาวิเทชันเปลี่ยนพลังงานเสียงที่กระจายตัวให้เป็นแรงทางเคมีที่มีความว่องไวสูง ทำให้เกิดเส้นทางปฏิกิริยาที่ไม่มีประสิทธิภาพหรือเป็นไปไม่ได้ภายใต้การกวนเชิงกลแบบทั่วไป

การกระตุ้นพื้นผิวและการทำความสะอาดตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่อง

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งมักเกิดการสะสมของสิ่งตกค้าง – การสะสมของผลิตภัณฑ์พลอยได้ คราบคาร์บอน หรือชั้นออกไซด์ที่ทำให้ผิวเฉื่อย ซึ่งปิดกั้นตำแหน่งกัมมันต์ การทำความสะอาดด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์อาศัยแรงเฉือนจากคาวิเทชันและคลื่นกระแทก (สูงถึง 1,000 atm) เพื่อขจัดชั้นที่ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเสื่อมสภาพเหล่านี้ด้วยวิธีทางกายภาพโดยไม่ใช้สารเคมีรุนแรง การทำความสะอาด ณ ตำแหน่งใช้งานนี้รักษาความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยาให้สม่ำเสมอ ยืดอายุการใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยา และทำให้การนำกลับมาใช้ใหม่ง่ายขึ้น นอกจากนี้ แรงกระแทกเชิงกลจากฟองที่ยุบตัวยังสามารถกัดผิวอนุภาค ทำให้ระนาบผลึกที่สดใหม่และมีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาสูงเปิดออก และเพิ่มอัตราการหมุนเวียนของวัฏจักรการเร่งปฏิกิริยาโดยรวม

การประยุกต์ใช้ที่ได้รับการพิสูจน์และกรณีศึกษาด้านการเร่งปฏิกิริยาด้วยเสียง

การเร่งปฏิกิริยาด้วยเสียงได้พัฒนาจากการวิจัยในห้องปฏิบัติการไปสู่กระบวนการอุตสาหกรรมที่ผ่านการตรวจสอบยืนยันแล้วในหลายภาคส่วนที่มีมูลค่าสูง การประยุกต์ใช้ที่สำคัญ ได้แก่:

• การผลิตไบโอดีเซล (ทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน): การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยลดเวลาการเกิดปฏิกิริยาจากหลายชั่วโมงเหลือเพียงไม่กี่นาที ทำให้ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ความเข้มข้นต่ำลงได้ และเพิ่มผลได้ของ FAME พร้อมทั้งทำให้การทำให้บริสุทธิ์ในขั้นปลายกระบวนการง่ายขึ้น
  สำรวจข้อดีของทรานส์เอสเทอริฟิเคชันสำหรับผลิตไบโอดีเซลด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์!
• ออกซิเดชันขั้นสูง (กระบวนการ Sono-Fenton): การเพิ่มการสร้างอนุมูลไฮดรอกซิลช่วยเร่งการย่อยสลายสารมลพิษอินทรีย์ที่ย่อยสลายได้ยากในน้ำเสีย ลดการใช้สารเคมีและการเกิดตะกอน
  ค้นพบว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพปฏิกิริยา Fenton ได้อย่างไร!
• การสังเคราะห์วัสดุนาโนและตัวเร่งปฏิกิริยา: การเกิดนิวเคลียสอย่างรวดเร็วและการเติบโตของอนุภาคที่ควบคุมได้ทำให้ได้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความสม่ำเสมอและพื้นที่ผิวสูง พร้อมเสถียรภาพทางความร้อนและความแข็งแรงเชิงกลที่ดีขึ้น
• เคมีสีเขียวและสารเคมีละเอียด: เส้นทางปฏิกิริยาที่สะอาดขึ้น การใช้พลังงานที่ลดลง และของเสียจากตัวทำละลายที่น้อยลง ทำให้การเร่งปฏิกิริยาด้วยเสียงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับสารมัธยันตร์ทางเภสัชกรรมและสารเคมีเฉพาะทาง

อุปกรณ์เร่งปฏิกิริยาด้วยเสียงระดับอุตสาหกรรมและความสามารถในการขยายขนาดแบบเชิงเส้น

Hielscher ผลิตเครื่องประมวลผลด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์ที่ปรับให้เหมาะสมกับกระบวนการ และออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับงานเร่งปฏิกิริยาที่มีความต้องการสูง ระบบของเราให้คาวิเทชันที่สม่ำเสมอและทำซ้ำได้ในทุกขนาดการผลิต โดยมีวิศวกรรมด้านเสียงที่เข้มงวดและการตรวจติดตามกระบวนการแบบเรียลไทม์รองรับ

• ห้องปฏิบัติการและการวิจัยและพัฒนา: UP400St (400 W) รองรับการทดสอบแบบแบตช์และแบบอินไลน์อย่างยืดหยุ่น เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการคัดกรองสภาวะปฏิกิริยาและสูตรตัวเร่งปฏิกิริยา
• ระดับนำร่องและการพัฒนากระบวนการ: >UIP1000hdT (1,000 W) เชื่อมต่อระหว่างห้องปฏิบัติการกับการผลิต โดยมีเซลล์ไหลแบบโมดูลาร์และพารามิเตอร์ที่ปรับได้สำหรับการศึกษาการขยายขนาดอย่างแม่นยำ
• การผลิตระดับอุตสาหกรรม: เครื่องประมวลผล UIP10000hdT (10 kW) และ UIP16000hdT (16 kW) ของเราสำหรับงานอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบรองรับกระบวนการต่อเนื่องที่มีปริมาณสูง สามารถเชื่อมต่อหลายเครื่องเป็นเครือข่ายกลุ่มขนานเพื่อให้ได้ปริมาณการประมวลผลต่อหน่วยเวลาที่แทบไม่จำกัด พร้อมรักษาความเข้มเสียงให้สม่ำเสมอ

ความสามารถในการขยายขนาดของการเร่งปฏิกิริยาด้วยเสียงทำได้โดยปรับความหนาแน่นกำลังให้เหมาะสม (วัตต์/ลิตร) แทนการขยายขนาดตามรูปทรงเรขาคณิตอย่างง่าย ทีมวิศวกรรมของเราให้การสนับสนุนกระบวนการอย่างครบถ้วน – ตั้งแต่การศึกษาความเป็นไปได้เบื้องต้นและการสร้างแบบจำลองทางเสียง ไปจนถึงการนำระบบไปใช้งานเต็มรูปแบบและการฝึกอบรมผู้ปฏิบัติงาน – เพื่อให้มั่นใจว่ากระบวนการเร่งปฏิกิริยาของคุณทำงานด้วยประสิทธิภาพสูงสุด

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• Suslick, Kenneth; Skrabalak, Sara (2008): Sonocatalysis. In: Handbook of Heterogeneous Catalysis; Wiley-VCH 2008.Pages 1350-1357.
• Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
• Naeem, Marwa; Al-Sakkari, Eslam; Boffito, D; Rene, Eldon; Gadalla, Mamdouh; Ashour, Fatma (2023): Single-stage waste oil conversion into biodiesel via sonication over bio-based bifunctional catalyst: Optimization, preliminary techno-economic and environmental analysis. Fuel, 2023.
• Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.