Сонокаталіз – Каталіз за допомогою ультразвуку

Ультразвук впливає на реакційну здатність каталізатора під час каталізу шляхом посилення масообміну та надходження енергії. При гетерогенному каталізі, коли каталізатор знаходиться в іншій фазі, ніж реагуючі речовини, ультразвукова дисперсія збільшує площу поверхні, доступну для реагуючих речовин.

Передумови сонокаталізу

Каталіз - це процес, при якому швидкість Хімічна реакція посилюється (або зменшена) за допомогою каталізатора. Виробництво багатьох хімічних речовин включає в себе каталіз. Вплив на швидкість реакції залежить від частоти контакту реагентів на етапі визначення швидкості. Загалом каталізатори збільшують швидкість реакції та знижують енергію активації, забезпечуючи альтернативний шлях реакції до продукту реакції. Для цього каталізатори реагують з одним або декількома реагентами, утворюючи проміжні продукти, які згодом дають кінцевий продукт. На останньому етапі відбувається регенерація каталізатора. Автор зниження енергії активації, більша кількість молекулярних зіткнень має енергію, необхідну для досягнення перехідного стану. У деяких випадках використовуються каталізатори, які змінюють вибірковість хімічної реакції.

Об'єкт Діаграма праворуч ілюструє дію каталізатора в хімічній реакції X+Y з утворенням Z. Каталізатор забезпечує альтернативний шлях (зелений) з меншою активацією енергії Еа.

Ефекти ультразвуку

Довжина акустичної хвилі в рідинах коливається приблизно від 110 до 0,15 мм для частот від 18 кГц до 10 МГц. Це значно перевищує молекулярні розміри. З цієї причини немає прямого зв'язку акустичного поля з молекулами хімічного виду. Ефекти ультразвуку в значній мірі є результатом ультразвукова кавітація в рідинах. Тому для каталізу за допомогою ультразвуку потрібно, щоб хоча б один реагент знаходився в рідкій фазі. Ультразвук сприяє утворенню неоднорідного і гомогенного каталізу багато в чому. Окремі ефекти можна посилювати або зменшувати, адаптуючи амплітуду ультразвуку і тиск рідини.

Ультразвукове диспергування та емульгування

Хімічні реакції за участю реагентів і каталізатора більш ніж однієї фази (гетерогенний каталіз) обмежені межею фаз, оскільки це єдине місце, де присутній реагент, а також каталізатор. Вплив реагентів і каталізатора один на одного є Ключовий фактор для багатьох багатофазних хімічних реакцій. З цієї причини питома площа поверхні фазової межі стає впливовою на хімічну швидкість реакції.

Ультразвук є дуже ефективним засобом для диспергування сухих речовин і для емульгування рідин. При зменшенні розміру частинки/краплі одночасно збільшується загальна площа поверхні фазової межі. На графіку зліва показана кореляція між розміром частинок і площею поверхні у випадку сферичних частинок або крапель (Натисніть, щоб переглянути більше!). Зі збільшенням поверхні кордону фаз зростає і швидкість хімічної реакції. Для багатьох матеріалів ультразвукова кавітація може утворювати частинки і краплі дуже тонкий розмір – часто значно нижче 100 нанометрів. Якщо дисперсія або емульсія стає хоча б тимчасово стабільною, застосування УЗД може знадобитися тільки на початковому етапі хімічної реакції. Вбудований ультразвуковий реактор для початкового змішування реагентів і каталізатора може генерувати частинки/краплі дрібного розміру за дуже короткий час і з високою швидкістю потоку. Його можна наносити навіть на високов'язкі середовища.

Масовий переказ

Коли реагенти реагують на межі фаз, продукти хімічної реакції накопичуються на поверхні контакту. Це блокує взаємодію інших молекул реагенту на цій межі фази. Механічні зсувні сили, спричинені кавітаційними струменевими потоками та акустичними потоками, призводять до турбулентного потоку та перенесення матеріалу з поверхонь частинок або крапель та до них. У випадку з краплями високий зсув може призвести до злиття і подальшого утворення нових крапель. Оскільки хімічна реакція прогресує з часом, може знадобитися повторне ультразвукове дослідження, наприклад, двоетапне або рециркуляційне, щоб максимізувати вплив реагентів.

Споживання енергії

Ультразвукова кавітація є унікальним способом вкладати енергію в хімічні реакції. Комбінація високошвидкісних струменів рідини, високого тиску (>1000 атм) і високих температур (>5000 К), величезні швидкості нагріву та охолодження (>10⁹Кс^-1) виникають локально сконцентровані під час імплозивного стиснення кавітаційних бульбашок. Кеннет Суслік Каже: “Кавітація - це надзвичайний метод концентрації дифузної енергії звуку в хімічно придатну форму.”

Підвищення реактивності

Кавітаційна ерозія на поверхнях частинок утворює непасивовані, високореактивні поверхні. Короткочасні високі температури і тиск сприяють молекулярне розкладання і підвищення реакційної здатності багатьох хімічних видів. Ультразвукове опромінення може використовуватися при приготуванні каталізаторів, наприклад, для отримання агрегатів дрібнодисперсних частинок. При цьому утворюються аморфні каталізатори частинки високої питомої поверхні площа. Завдяки такій агрегатній структурі такі каталізатори можуть бути відокремлені від продуктів реакції (тобто шляхом фільтрації).

Ультразвукова чистка

Часто каталіз включає в себе небажані побічні продукти, забруднення або домішки в реагентах. Це може призвести до деградації та забруднення на поверхні твердих каталізаторів. Забруднення зменшує оголену поверхню каталізатора і, отже, знижує його ефективність. Його не потрібно видаляти ні під час процесу, ні в проміжках переробки за допомогою інших хімічних речовин. Ультразвук є ефективним засобом для очищати каталізатори або допомагати процесу переробки каталізатора. Ультразвукова чистка є, мабуть, найпоширенішим і відомим застосуванням ультразвуку. Апірування кавітаційних струменів рідини і ударних хвиль до 10⁴ATM може створювати локалізовані сили зсуву, ерозію та ямки на поверхні. Для частинок дрібного розміру високошвидкісні зіткнення між частинками призводять до поверхневої ерозії і навіть до шліфування та фрезерування. Ці зіткнення можуть спричинити локальні перехідні ударні температури приблизно 3000 К. Суслік продемонстрував, що ультразвук ефективний видаляє поверхневі оксидні покриття. Видалення таких пасивуючих покриттів різко покращує швидкість реакції для широкого спектру реакцій (Suslick 2008). Застосування ультразвуку допомагає знизити проблему забруднення твердодисперсного каталізатора під час каталізу та сприяє очищенню під час процесу переробки каталізатора.

Приклади ультразвукового каталізу

Існує безліч прикладів каталізу за допомогою ультразвуку і ультразвукового приготування гетерогенних каталізаторів. Ми рекомендуємо Сонокаталіз стаття Кеннета Сусліка для всебічного ознайомлення. Hielscher поставляє ультразвукові реактори для приготування каталізаторів або каталізу, Наприклад, каталітична переетерифікація для виробництва метилестерів (тобто жирний метилестер = біодизель).

Ультразвукове обладнання для сонокаталізу

Компанія Hielscher виробляє ультразвукові апарати для використання при будь-якого масштабу і для різноманіття процесів,. Це включає в себе Лабораторне УЗД в невеликих флаконах, а також Промислові реактори та проточні комірки. Для початкового випробування процесу в лабораторних масштабах UP400S (400 Вт) дуже підходить. Його можна використовувати як для пакетних процесів, так і для вбудованого ультразвуку. Для тестування та оптимізації процесу перед масштабуванням ми рекомендуємо використовувати метод UIP1000hd (1000 Вт), оскільки ця одиниця дуже адаптивна, і результати можна масштабувати лінійно до будь-якої більшої ємності. Для повномасштабного виробництва ми пропонуємо ультразвукові апарати до 10 кВт і 16 кВт ультразвукове живлення. Кластери з декількох таких агрегатів забезпечують дуже високі обчислювальні потужності.

Ми будемо раді допомогти вам у тестуванні, оптимізації та масштабуванні процесів. Зв'яжіться з нами про відповідне обладнання або Відвідайте нашу технологічну лабораторію.

Література з сонокаталізу та ультразвукового каталізу

Суслік, К. С.; Діденко, Ю.; Фанг, М. М.; Хьон, Т.; Колбек, К. Дж.; Макнамара, В. Б. III; Мдлелені, М. М.; Вонг, М. (1999): Акустична кавітація та її хімічні наслідки, в: Phil. Trans. Roy. Соц. А, 1999, 357, 335-353.

Суслік, К. С.; Скрабалак, С. Є. (2008): “Сонокаталіз” У Довіднику з гетерогенного каталізу, т. 4; Ертль, Г.; Кнцінгер, Х.; Шт, Ф.; Вейткамп Дж., Ред.; Вайлі-ВЧ: Вайнхайм, 2008, с. 2006-2017.