sonokataliz – Ultrasonik Yardımlı Kataliz

Ultrasonikasyon, gelişmiş kütle transferi ve enerji girişi ile kataliz sırasında katalizör reaktivitesini etkiler. Katalizörün reaktanlardan farklı bir fazda olduğu heterojen katalizde, ultrasonik dispersiyon, reaktanlar için mevcut yüzey alanını arttırır.

Sonokatalizin Arka Planı

Kataliz, bir Kimyasal reaksiyon artar (veya azaltılır) bir katalizör vasıtasıyla. Birçok kimyasalın üretimi katalizi içerir. Reaksiyon hızı üzerindeki etki, hız belirleme adımındaki reaktanların temas sıklığına bağlıdır. Genel olarak katalizörler, reaksiyon ürününe alternatif bir reaksiyon yolu sağlayarak reaksiyon hızını arttırır ve aktivasyon enerjisini düşürür. Bunun için katalizörler, daha sonra nihai ürünü veren ara ürünler oluşturmak için bir veya daha fazla reaktan ile reaksiyona girer. İkinci adım, katalizörü yeniden oluşturur. Tarafından Aktivasyon enerjisinin düşürülmesi, daha fazla moleküler çarpışma, geçiş durumuna ulaşmak için gereken enerjiye sahiptir. Bazı durumlarda, bir kimyasal reaksiyonun seçiciliğini değiştirmek için katalizörler kullanılır.

bu diyagram sağda, Z üretmek için X+Y kimyasal reaksiyonundaki bir katalizörün etkisini göstermektedir. Katalizör, daha düşük aktivasyon Enerji Ea'sı ile alternatif bir yol (yeşil) sağlar.

Ultrasonikasyonun Etkileri

Sıvılardaki akustik dalga boyu, 18kHz ile 10MHz arasındaki frekanslar için yaklaşık 110 ila 0,15 mm arasında değişir. Bu, moleküler boyutların önemli ölçüde üzerindedir. Bu nedenle, akustik alanın bir kimyasal türün molekülleri ile doğrudan bir bağlantısı yoktur. Ultrasonication etkileri büyük ölçüde bir sonucudur ultrasonik kavitasyon sıvılarda. Bu nedenle, ultrasonik destekli kataliz, en az bir reaktifin sıvı fazda olmasını gerektirir. Ultrasonication heterojen ve homojen katalize katkıda bulunur birçok yönden. Bireysel efektler, ultrasonik genlik ve sıvı basıncına uyum sağlayarak teşvik edilebilir veya azaltılabilir.

Ultrasonik Dispersiyon ve Emülsifiye Etme

Reaktifleri ve birden fazla fazlı bir katalizörü (heterojen kataliz) içeren kimyasal reaksiyonlar, reaktifin yanı sıra katalizörün de bulunduğu tek yer olduğu için faz sınırı ile sınırlıdır. Reaktiflerin ve katalizörün birbirine maruz kalması, Birçok çok fazlı kimyasal reaksiyon için anahtar faktör. Bu nedenle, faz sınırının spesifik yüzey alanı, kimyasal reaksiyon hızı için etkili hale gelir.

Ultrasonikasyon için çok etkili bir araçtır Katıların dağılımı ve için sıvıların emülsifikasyonu. Parçacık/damlacık boyutunu küçülterek, faz sınırının toplam yüzey alanı aynı anda artar. Soldaki grafik, küresel parçacıklar veya damlacıklar (Daha büyük görmek için tıklayın!). Faz sınır yüzeyi arttıkça kimyasal reaksiyon hızı da artar. Birçok malzeme için ultrasonik kavitasyon, parçacıklar ve damlacıklar yapabilir. çok ince boyut – genellikle 100 nanometrenin altında önemli ölçüde. Dispersiyon veya emülsiyon en azından geçici olarak kararlı hale gelirse, Ultrasonikler sadece başlangıç aşamasında gerekli olabilir kimyasal reaksiyonun. Reaktiflerin ve katalizörün ilk karıştırılması için bir satır içi ultrasonik reaktör, çok kısa sürede ve yüksek akış hızlarında ince boyutlu parçacıklar / damlacıklar üretebilir. Yüksek viskoziteli ortamlara bile uygulanabilir.

Kütle Transferi

Reaktifler bir faz sınırında reaksiyona girdiğinde, kimyasal reaksiyonun ürünleri temas yüzeyinde birikir. Bu, diğer reaktif moleküllerinin bu faz sınırında etkileşime girmesini engeller. Kavitasyonel jet akımlarının ve akustik akışın neden olduğu mekanik kesme kuvvetleri, türbülanslı akışa ve parçacık veya damlacık yüzeylerinden ve bu yüzeylere malzeme taşınmasına neden olur. Damlacıklar söz konusu olduğunda, yüksek kayma birleşmeye ve ardından yeni damlacıkların oluşumuna yol açabilir. Kimyasal reaksiyon zamanla ilerledikçe, tekrarlanan bir sonikasyon, örneğin iki aşamalı veya devridaim gerekebilir. Reaktiflerin maruziyetini en üst düzeye çıkarmak.

Enerji Girişi

Ultrasonik kavitasyon, benzersiz bir yoldur kimyasal reaksiyonlara enerji koymak. Yüksek hızlı sıvı jetleri, yüksek basınç (>1000atm) ve yüksek sıcaklıklar (>5000K), muazzam ısıtma ve soğutma hızları (>10⁹Ks (Türkçe)^-1) kavitasyonel kabarcıkların patlatıcı sıkıştırması sırasında lokal olarak konsantre olarak meydana gelir. Kenneth Suslick'in fotoğrafı. Diyor: “Kavitasyon, sesin dağınık enerjisini kimyasal olarak kullanılabilir bir forma yoğunlaştırmak için olağanüstü bir yöntemdir.”

Reaktivitede artış

Parçacık yüzeylerinde kavitasyonel erozyon Pasifleştirilmemiş, yüksek reaktif yüzeyler oluşturur. Kısa ömürlü yüksek sıcaklıklar ve basınçlar aşağıdakilere katkıda bulunur: moleküler ayrışma ve reaktiviteyi arttırma birçok kimyasal türden. Ultrasonik ışınlama, katalizörlerin hazırlanmasında, örneğin ince boyutlu parçacıkların agregalarını üretmek için kullanılabilir. Bu amorf katalizörler üretir yüksek özgül yüzeyli parçacıklar alan. Bu agrega yapısı nedeniyle, bu tür katalizörler reaksiyon ürünlerinden ayrılabilir (yani filtrasyon yoluyla).

Ultrasonik Temizleme

Genellikle kataliz, reaktiflerdeki istenmeyen yan ürünleri, kontaminasyonları veya safsızlıkları içerir. Bu, katı katalizörlerin yüzeyinde bozulmaya ve kirlenmeye neden olabilir. Kirlenme, açıkta kalan katalizör yüzeyini azaltır ve bu nedenle verimliliğini azaltır. Proses sırasında veya diğer proses kimyasalları kullanılarak geri dönüşüm aralıklarında çıkarılmasına gerek yoktur. Ultrasonikasyon etkili bir araçtır Katalizörleri temizleyin veya katalizör geri dönüşüm sürecine yardımcı olun. Ultrasonik temizleme muhtemelen ultrasoniklerin en yaygın ve bilinen uygulamasıdır. Kavitasyonel sıvı jetlerinin çarpması ve 10'a kadar şok dalgaları⁴ATM, lokalize kesme kuvvetleri, erozyon ve yüzey çukurlaşması oluşturabilir. İnce boyutlu parçacıklar için, yüksek hızlı parçacıklar arası çarpışmalar yüzey erozyonuna ve hatta Taşlama ve frezeleme. Bu çarpışmalar, yaklaşık 3000K'lık yerel geçici darbe sıcaklıklarına neden olabilir. Suslick, ultrasonikasyonun etkili bir şekilde gösterildiğini gösterdi yüzey oksit kaplamalarını temizler. Bu tür pasifleştirici kaplamaların çıkarılması, çok çeşitli reaksiyonlar için reaksiyon hızlarını önemli ölçüde artırır (Suslick 2008). Ultrasonik uygulama, kataliz sırasında katı dağılmış bir katalizörün kirlenme problemini azaltmaya yardımcı olur ve katalizör geri dönüşüm işlemi sırasında temizliğe katkıda bulunur.

Ultrasonik Kataliz Örnekleri

Ultrasonik destekli kataliz ve heterojen katalizörlerin ultrasonik hazırlanması için çok sayıda örnek vardır. Tavsiye ediyoruz sonokataliz Kenneth Suslick'in makalesi kapsamlı bir giriş için. Hielscher katalizörlerin veya katalizin hazırlanması için ultrasonik reaktörler sağlar, gibi Metilesterlerin üretimi için katalitik transesterifikasyon (yani yağlı metilester = biyodizel).

Sonocatalysis için Ultrasonik Ekipman

Hielscher, kullanım için ultrasonik cihazlar üretmektedir. herhangi bir ölçek ve bir için Süreç çeşitliliği. Bu içerir laboratuvar sonikasyonu küçük şişelerde yanı sıra Endüstriyel Reaktörler ve Akış Hücreleri. Laboratuvar ölçeğinde ilk proses testi için UP400S (400 watt) çok uygundur. Toplu işlemler için olduğu kadar satır içi sonikasyon için de kullanılabilir. Ölçeği büyütmeden önce süreç testi ve optimizasyonu için UIP1000hd (1000 watt), çünkü bu birimler çok uyarlanabilir ve sonuçlar daha büyük bir kapasiteye doğrusal olarak ölçeklendirilebilir. Tam ölçekli üretim için en fazla ultrasonik cihazlar sunuyoruz. 10kW (10kW) ve 16kW ultrasonik güç. Bu tür birkaç birimden oluşan kümeler çok yüksek işleme kapasiteleri sağlar.

Süreç testinizi, optimizasyonunuzu ve ölçek büyütmenizi desteklemekten memnuniyet duyarız. Bizimle iletişime geçin Uygun ekipman hakkında veya Proses laboratuvarımızı ziyaret edin.

Sonokataliz ve Ultrasonik Yardımlı Kataliz Literatürü

Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Diş, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K.J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Akustik Kavitasyon ve Kimyasal Sonuçları, içinde: Phil. Çev. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “sonokataliz” Heterojen Kataliz El Kitabında, cilt 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Ed.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, s. 2006-2017.