โซโนคัตาไลซิส – ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยอัลตราโซนิก

อัลตราโซนิกมีผลต่อปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยาระหว่างการเร่งปฏิกิริยาโดยการถ่ายเทมวลที่เพิ่มขึ้นและการป้อนพลังงาน ในการเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในเฟสที่แตกต่างจากสารตั้งต้นการกระจายตัวของอัลตราโซนิกจะเพิ่มพื้นที่ผิวที่มีให้สําหรับสารตั้งต้น

ความเป็นมาของ Sonocatalysis

ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นกระบวนการที่อัตราการเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาเคมีเพิ่มขึ้น (หรือลดลง) โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา การผลิตสารเคมีหลายชนิดเกี่ยวข้องกับการเร่งปฏิกิริยา อิทธิพลต่ออัตราปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความถี่ของการสัมผัสของสารตั้งต้นในขั้นตอนการกําหนดอัตรา โดยทั่วไปตัวเร่งปฏิกิริยาจะเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาและลดพลังงานกระตุ้นโดยให้เส้นทางปฏิกิริยาทางเลือกสําหรับผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา ด้วยเหตุนี้ตัวเร่งปฏิกิริยาจะทําปฏิกิริยากับสารตั้งต้นอย่างน้อยหนึ่งตัวเพื่อสร้างตัวกลางที่ให้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายในภายหลัง ขั้นตอนหลังสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ โดย ลดพลังงานกระตุ้นการชนกันของโมเลกุลมากขึ้นมีพลังงานที่จําเป็นในการไปถึงสถานะการเปลี่ยนผ่าน ในบางกรณีมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนการคัดเลือกของปฏิกิริยาเคมี

พื้นที่ แผนผัง ทางด้านขวาแสดงให้เห็นถึงผลของตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาเคมี X+Y เพื่อผลิต Z ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นเส้นทางทางเลือก (สีเขียว) ที่มี Energy Ea ที่กระตุ้นต่ํากว่า

ผลของอัลตราโซนิก

ความยาวคลื่นอะคูสติกในของเหลวมีตั้งแต่ประมาณ 110 ถึง 0.15 มม. สําหรับความถี่ระหว่าง 18kHz ถึง 10MHz สิ่งนี้สูงกว่าขนาดโมเลกุลอย่างมีนัยสําคัญ ด้วยเหตุนี้จึงไม่มีการมีเพศสัมพันธ์โดยตรงของสนามอะคูสติกกับโมเลกุลของสายพันธุ์เคมี ผลกระทบของอัลตราโซนิกเป็นผลมาจาก โพรงอากาศอัลตราโซนิก ในของเหลว ดังนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยอัลตราโซนิกจึงต้องใช้รีเอเจนต์อย่างน้อยหนึ่งตัวที่อยู่ในเฟสของเหลว อัลตราโซนิกมีส่วนช่วยในการเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันและเป็นเนื้อเดียวกัน ในหลาย ๆ ด้าน เอฟเฟกต์ส่วนบุคคลสามารถส่งเสริมหรือลดการปรับแอมพลิจูดอัลตราโซนิกและความดันของเหลว

การกระจายอัลตราโซนิกและอิมัลชัน

ปฏิกิริยาทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับรีเอเจนต์และตัวเร่งปฏิกิริยามากกว่าหนึ่งเฟส (ตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน) ถูกจํากัดไว้ที่ขอบเขตเฟส เนื่องจากเป็นสถานที่เดียวที่มีรีเอเจนต์และตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ การสัมผัสของรีเอเจนต์และตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งกันและกันเป็น ปัจจัยสําคัญสําหรับปฏิกิริยาเคมีหลายเฟส. ด้วยเหตุนี้ พื้นที่ผิวจําเพาะของขอบเขตเฟสจึงมีอิทธิพลต่ออัตราปฏิกิริยาทางเคมี

Ultrasonication เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากสําหรับ การกระจายตัวของของแข็ง และสําหรับ อิมัลชันของของเหลว. ด้วยการลดขนาดอนุภาค/หยด พื้นที่ผิวทั้งหมดของขอบเขตเฟสจะเพิ่มขึ้นพร้อมกัน กราฟิกทางด้านซ้ายแสดงความสัมพันธ์ระหว่างขนาดอนุภาคและพื้นที่ผิวในกรณีที่มีอนุภาคทรงกลมหรือหยดน้ํา (คลิกเพื่อดูขนาดใหญ่!). เมื่อพื้นผิวขอบเขตเฟสเพิ่มขึ้น อัตราปฏิกิริยาเคมีก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน สําหรับวัสดุหลายชนิดการโพรงอากาศอัลตราโซนิกสามารถสร้างอนุภาคและหยดของ ขนาดที่ละเอียดมาก – มักจะต่ํากว่า 100 นาโนเมตรอย่างมีนัยสําคัญ. หากการกระจายตัวหรืออิมัลชันมีเสถียรภาพอย่างน้อยชั่วคราวให้ใช้ อาจต้องใช้อัลตราโซนิกในระยะเริ่มต้นเท่านั้น ของปฏิกิริยาเคมี เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกแบบอินไลน์สําหรับการผสมรีเอเจนต์และตัวเร่งปฏิกิริยาเบื้องต้นสามารถสร้างอนุภาค / หยดขนาดละเอียดในเวลาอันสั้นและที่อัตราการไหลสูง สามารถใช้ได้แม้กระทั่งกับสื่อที่มีความหนืดสูง

การถ่ายโอนมวล

เมื่อรีเอเจนต์ทําปฏิกิริยาที่ขอบเขตเฟสผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาเคมีจะสะสมที่พื้นผิวสัมผัส สิ่งนี้จะปิดกั้นโมเลกุลของรีเอเจนต์อื่นๆ ไม่ให้มีปฏิสัมพันธ์ที่ขอบเขตเฟสนี้ แรงเฉือนเชิงกลที่เกิดจากกระแสเจ็ทโพรงอากาศและการสตรีมเสียงส่งผลให้เกิดการไหลของความปั่นป่วนและการขนส่งวัสดุจากและไปยังพื้นผิวอนุภาคหรือหยดน้ํา ในกรณีของหยดน้ําแรงเฉือนสูงอาจนําไปสู่การรวมตัวกันและการก่อตัวของหยดน้ําใหม่ในภายหลัง เมื่อปฏิกิริยาเคมีดําเนินไปเมื่อเวลาผ่านไปอาจจําเป็นต้องมีการ sonication ซ้ําเช่นสองขั้นตอนหรือการหมุนเวียน เพิ่มการสัมผัสของรีเอเจนต์ให้สูงสุด.

อินพุตพลังงาน

โพรงอากาศอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่ไม่เหมือนใครในการ ใส่พลังงานในปฏิกิริยาเคมี. การรวมกันของไอพ่นของเหลวความเร็วสูงแรงดันสูง (>1000atm) และอุณหภูมิสูง (>5000K) อัตราการให้ความร้อนและความเย็นมหาศาล (>10⁹เคเอส^-1) เกิดขึ้นเฉพาะที่ในระหว่างการบีบอัดฟองอากาศแบบระเบิด เคนเน็ธ ซัสลิค บอก ว่า: “โพรงอากาศเป็นวิธีพิเศษในการรวมพลังงานกระจายของเสียงให้อยู่ในรูปแบบที่ใช้งานได้ทางเคมี”

ปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น

การกัดเซาะโพรงอากาศบนพื้นผิวอนุภาค สร้างพื้นผิวที่ไม่ทู่และมีปฏิกิริยาสูง. อุณหภูมิและความดันสูงที่มีอายุสั้นมีส่วนทําให้เกิด การสลายตัวของโมเลกุลและเพิ่มปฏิกิริยา ของสารเคมีหลายชนิด การฉายรังสีอัลตราโซนิกสามารถใช้ในการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาเช่นเพื่อผลิตมวลรวมของอนุภาคขนาดเล็ก สิ่งนี้ทําให้เกิดตัวเร่งปฏิกิริยาอสัณฐาน อนุภาคของพื้นผิวจําเพาะสูง บริเวณ ตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวจึงสามารถแยกออกจากผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาได้ (เช่น โดยการกรอง)

การทําความสะอาดอัลตราโซนิก

บ่อยครั้งที่ตัวเร่งปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการการปนเปื้อนหรือสิ่งสกปรกในรีเอเจนต์ สิ่งนี้สามารถนําไปสู่การเสื่อมสภาพและการเปรอะเปื้อนบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง การเปรอะเปื้อนจะช่วยลดพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาที่สัมผัสและลดประสิทธิภาพ ไม่จําเป็นต้องถอดออกในระหว่างกระบวนการหรือในช่วงเวลาการรีไซเคิลโดยใช้สารเคมีในกระบวนการอื่นๆ Ultrasonication เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการ ทําความสะอาดตัวเร่งปฏิกิริยาหรือช่วยกระบวนการรีไซเคิลตัวเร่งปฏิกิริยา. การทําความสะอาดอัลตราโซนิกน่าจะเป็นการประยุกต์ใช้อัลตราโซนิกที่พบบ่อยที่สุดและเป็นที่รู้จักมากที่สุด การกระแทกของไอพ่นของเหลวโพรงอากาศและคลื่นกระแทกสูงถึง 10⁴ตู้เอทีเอ็มสามารถสร้างแรงเฉือนเฉพาะที่ การกัดเซาะ และการเกิดรูพรุนบนพื้นผิว สําหรับอนุภาคขนาดละเอียดการชนกันระหว่างอนุภาคด้วยความเร็วสูงจะนําไปสู่การกัดเซาะพื้นผิวและแม้กระทั่ง การเจียรและการกัด. การชนกันเหล่านี้อาจทําให้เกิดอุณหภูมิการกระแทกชั่วคราวในท้องถิ่นประมาณ 3000K Suslick แสดงให้เห็นว่าอัลตราโซนิกมีประสิทธิภาพ ขจัดสารเคลือบออกไซด์บนพื้นผิว. การกําจัดสารเคลือบทู่ดังกล่าวช่วยเพิ่มอัตราปฏิกิริยาสําหรับปฏิกิริยาที่หลากหลาย (Suslick 2008). การประยุกต์ใช้อัลตราโซนิกช่วยลดปัญหาการเปรอะเปื้อนของตัวเร่งปฏิกิริยาที่กระจายตัวของแข็งในระหว่างการเร่งปฏิกิริยาและมีส่วนช่วยในการทําความสะอาดระหว่างกระบวนการรีไซเคิลตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวอย่างของตัวเร่งปฏิกิริยาอัลตราโซนิก

มีตัวอย่างมากมายสําหรับการเร่งปฏิกิริยาด้วยอัลตราโซนิกและสําหรับการเตรียมอัลตราโซนิกของตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน เราขอแนะนํา โซโนคัตาไลซิส บทความโดย Kenneth Suslick สําหรับการแนะนําที่ครอบคลุม Hielscher จัดหาเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกสําหรับการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาหรือตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันแบบเร่งปฏิกิริยาสําหรับการผลิตเมทิลเอสเทอร์ (เช่น ไขมันเมทิลเอสเทอร์ = ไบโอดีเซล).

อุปกรณ์อัลตราโซนิกสําหรับ Sonocatalysis

Hielscher ผลิตอุปกรณ์อัลตราโซนิกสําหรับใช้ที่ ทุกขนาด และสําหรับ กระบวนการที่หลากหลาย. ซึ่งรวมถึง ห้องปฏิบัติการ sonication ในขวดขนาดเล็กเช่นเดียวกับ เครื่องปฏิกรณ์อุตสาหกรรมและโฟลว์เซลล์. สําหรับการทดสอบกระบวนการเริ่มต้นในระดับห้องปฏิบัติการ UP400S (400 วัตต์) เหมาะมาก สามารถใช้สําหรับกระบวนการแบทช์เช่นเดียวกับการ sonication แบบอินไลน์ สําหรับการทดสอบกระบวนการและการเพิ่มประสิทธิภาพก่อนขยายขนาด เราขอแนะนําให้ใช้ปุ่ม UIP1000hd (1000 วัตต์)เนื่องจากหน่วยนี้สามารถปรับเปลี่ยนได้มากและผลลัพธ์สามารถปรับขนาดเป็นเส้นตรงตามความจุที่ใหญ่กว่า สําหรับการผลิตเต็มรูปแบบเรามีอุปกรณ์อัลตราโซนิกสูงถึง 10 กิโลวัตต์ และ 16 กิโลวัตต์ พลังงานอัลตราโซนิก กลุ่มของหน่วยดังกล่าวหลายหน่วยให้ความสามารถในการประมวลผลที่สูงมาก

เรายินดีที่จะสนับสนุนการทดสอบกระบวนการ การเพิ่มประสิทธิภาพ และการขยายขนาดของคุณ พูดคุยกับเรา เกี่ยวกับอุปกรณ์ที่เหมาะสมหรือ เยี่ยมชมห้องปฏิบัติการกระบวนการของเรา.

วรรณกรรมเกี่ยวกับการเร่งปฏิกิริยาด้วยคลื่นเสียงและตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยคลื่นเสียงช่วย

ซัสลิค, KS; ดิเดนโก, วาย.; ฝาง, เอ็มเอ็ม; ฮยอน, ที.; โคลเบ็ค, เคเจ; แมคนามารา ดับเบิลยูบี III; เอ็มดเลเลนี, เอ็มเอ็ม; หว่อง, เอ็ม. (1999): โพรงอากาศอะคูสติกและผลทางเคมีใน: ฟิล ทรานส์. รอย. สค. ก, 1999, 357, 335-353.

ซัสลิค, KS; สคราบาลัค, SE (2008): “โซโนคัตาไลซิส” ในคู่มือการเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน เล่ม 4; เอิร์ตล, จี.; Knzinger, H.; ชธ, เอฟ.; ไวท์แคมป์, เจ., เอ็ด.; Wiley-VCH: ไวน์ไฮม์, 2008, หน้า 2006-2017.