Sonokataliz – Ultrasonik yordamli kataliz

Ultrasonikatsiya kengaytirilgan massa uzatish va energiya kiritish orqali kataliz paytida katalizator reaktivligiga ta'sir qiladi. Heterojen katalizda, katalizator reaktivlarga nisbatan boshqa fazada bo'lsa, ultratovush dispersiyasi reaktivlar uchun mavjud bo'lgan sirt maydonini oshiradi.

Sonokataliz haqida ma'lumot

Kataliz - bu a tezligi bo'lgan jarayon kimyoviy reaksiya kuchayadi katalizator yordamida (yoki kamayadi). Ko'pgina kimyoviy moddalarni ishlab chiqarish katalizni o'z ichiga oladi. Reaktsiya tezligiga ta'siri tezlikni aniqlash bosqichida reaktivlarning aloqa chastotasiga bog'liq. Umuman olganda, katalizatorlar reaksiya tezligini oshiradi va reaksiya mahsulotiga muqobil reaksiya yo'lini taqdim etish orqali aktivlanish energiyasini pasaytiradi. Buning uchun katalizatorlar bir yoki bir nechta reaktivlar bilan reaksiyaga kirishib, keyinchalik yakuniy mahsulotni beradigan oraliq mahsulotlarni hosil qiladi. Oxirgi bosqich katalizatorni qayta tiklaydi. tomonidan faollashtirish energiyasini kamaytirish, ko'proq molekulyar to'qnashuvlar o'tish holatiga erishish uchun zarur bo'lgan energiyaga ega. Ba'zi hollarda katalizatorlar kimyoviy reaktsiyaning selektivligini o'zgartiradi.

The diagramma o'ng tomonda X+Y kimyoviy reaksiyasida katalizatorning Z hosil qilish uchun ta'siri tasvirlangan. Katalizator energiya Ea faollashuvi pastroq bo'lgan muqobil yo'lni (yashil) ta'minlaydi.

Ultrasonikatsiyaning ta'siri

Suyuqlikdagi akustik to'lqin uzunligi taxminan. 18 kHz dan 10 MGts gacha bo'lgan chastotalar uchun 110 dan 0,15 mm gacha. Bu molekulyar o'lchamlardan sezilarli darajada yuqori. Shu sababli, akustik maydonning kimyoviy turdagi molekulalar bilan bevosita bog'lanishi yo'q. Ultrasonikatsiyaning ta'siri katta darajada ultratovushli kavitatsiya suyuqliklarda. Shuning uchun ultratovushli kataliz uchun kamida bitta reagent suyuq fazada bo'lishini talab qiladi. Ultrasonication heterojen va bir hil kataliz hissa qo'shadi ko'p jihatdan. Ultrasonik amplituda va suyuqlik bosimiga moslashgan holda individual effektlarni oshirish yoki kamaytirish mumkin.

Ultrasonik dispersiyalash va emulsiyalash

Reagentlar va bir necha fazali katalizatorlar ishtirokidagi kimyoviy reaksiyalar (heterojen kataliz) fazalar chegarasi bilan chegaralanadi, chunki bu reagent va katalizator mavjud bo'lgan yagona joy. Reagentlar va katalizatorlarning bir-biriga ta'siri a ko'p fazali kimyoviy reaktsiyalar uchun asosiy omil. Shu sababli, kimyoviy reaktsiya tezligiga fazalar chegarasining o'ziga xos sirt maydoni ta'sir qiladi.

Ultrasonikatsiya juda samarali vositadir qattiq moddalarning tarqalishi va uchun suyuqliklarning emulsifikatsiyasi. Zarrachalar / tomchilar hajmini kamaytirish orqali fazalar chegarasining umumiy sirt maydoni bir vaqtning o'zida ortadi. Chapdagi grafik sharsimon zarrachalar yoki tomchilar holatida zarracha hajmi va sirt maydoni o'rtasidagi bog'liqlikni ko'rsatadi (Kattaroq ko'rish uchun bosing!). Faza chegarasi yuzasi ortishi bilan kimyoviy reaksiya tezligi ham oshadi. Ko'pgina materiallar uchun ultratovushli kavitatsiya zarrachalar va tomchilarni hosil qilishi mumkin juda nozik o'lcham – ko'pincha 100 nanometrdan sezilarli darajada past. Dispersiya yoki emulsiya hech bo'lmaganda vaqtinchalik barqaror bo'lib qolsa, qo'llanilishi ultratovush faqat dastlabki bosqichda talab qilinishi mumkin kimyoviy reaksiyadan. Reagentlar va katalizatorni dastlabki aralashtirish uchun inline ultratovushli reaktor juda qisqa vaqt ichida va yuqori oqim tezligida mayda o'lchamdagi zarrachalar/tomchilar hosil qilishi mumkin. U hatto yuqori yopishqoq muhitga ham qo'llanilishi mumkin.

Mass-transfer

emulsiya Reagentlar fazalar chegarasida reaksiyaga kirishganda kimyoviy reaksiya mahsulotlari kontakt yuzasida to‘planadi. Bu boshqa reagent molekulalarining ushbu faza chegarasida o'zaro ta'sirini bloklaydi. Kavitatsion reaktiv oqimlar va akustik oqimlar natijasida yuzaga keladigan mexanik kesish kuchlari turbulent oqimga va zarrachalar yoki tomchilar yuzalaridan va undan material tashishga olib keladi. Tomchilar bo'lsa, yuqori kesish yangi tomchilarning birlashishi va keyinchalik shakllanishiga olib kelishi mumkin. Kimyoviy reaktsiya vaqt o'tishi bilan davom etar ekan, takroriy sonikatsiya, masalan, ikki bosqichli yoki resirkulyatsiya talab qilinishi mumkin. reagentlarning ta'sirini maksimal darajada oshirish.

energiya kiritish

Ultrasonik kavitatsiya - bu o'ziga xos usul energiyani kimyoviy reaktsiyalarga kiriting. Yuqori tezlikdagi suyuqlik oqimlarining kombinatsiyasi, yuqori bosim (>1000atm) va yuqori haroratlar (>5000K), katta isitish va sovutish tezligi (>10⁹Ks^-1) kavitatsion pufakchalarning implosiv siqilishi paytida mahalliy joyga jamlanganda paydo bo'ladi. Kennet Saslik deydi: “Kavitatsiya tovushning tarqoq energiyasini kimyoviy foydalanish mumkin bo'lgan shaklga to'plashning g'ayrioddiy usulidir.”

Reaktivlikning oshishi

Zarrachalar yuzalarida kavitatsion eroziya passiv bo'lmagan, yuqori reaktiv sirtlarni hosil qiladi. Qisqa muddatli yuqori harorat va bosimlarga hissa qo'shadi molekulyar parchalanish va reaktivlikni oshiradi ko'plab kimyoviy turlardan iborat. Ultrasonik nurlanish katalizatorlarni tayyorlashda, masalan, nozik o'lchamdagi zarrachalarning agregatlarini ishlab chiqarishda ishlatilishi mumkin. Bu amorf katalizatorlarni hosil qiladi yuqori o'ziga xos sirt zarralari hudud. Bunday agregat strukturasi tufayli bunday katalizatorlarni reaksiya mahsulotlaridan (ya’ni filtrlash yo‘li bilan) ajratish mumkin.

Ultrasonik tozalash

Ko'pincha kataliz istalmagan yon mahsulotlar, ifloslanishlar yoki reagentlardagi aralashmalarni o'z ichiga oladi. Bu qattiq katalizatorlar yuzasida buzilish va ifloslanishga olib kelishi mumkin. Kirlanish katalizatorning ochiq yuzasini pasaytiradi va shuning uchun uning samaradorligini pasaytiradi. Uni jarayon davomida yoki boshqa kimyoviy moddalar yordamida qayta ishlash oralig'ida olib tashlash kerak emas. Ultrasonikatsiya samarali vositadir katalizatorlarni tozalang yoki katalizatorni qayta ishlash jarayoniga yordam bering. Ultrasonik tozalash, ehtimol, ultratovushning eng keng tarqalgan va ma'lum qo'llanilishidir. Kavitatsion suyuqlik oqimlarining to'qnashuvi va 10 gacha zarba to'lqinlari⁴atm mahalliy kesish kuchlarini, eroziya va sirt chuqurligini yaratishi mumkin. Yupqa o'lchamli zarralar uchun yuqori tezlikda zarrachalararo to'qnashuvlar sirt eroziyasiga olib keladi va hatto maydalash va maydalash. Ushbu to'qnashuvlar taxminan mahalliy vaqtinchalik ta'sir haroratiga olib kelishi mumkin. 3000 ming. Suslik ultratovushni samarali ekanligini ko'rsatdi sirt oksidi qoplamalarini olib tashlaydi. Bunday passivlashtiruvchi qoplamalarni olib tashlash turli xil reaktsiyalar uchun reaktsiya tezligini sezilarli darajada yaxshilaydi (Suslick 2008). Ultratovushni qo'llash kataliz paytida qattiq dispers katalizatorning ifloslanish muammosini kamaytirishga yordam beradi va katalizatorni qayta ishlash jarayonida tozalashga yordam beradi.

Ultrasonik katalizga misollar

Ultrasonik yordamli kataliz va heterojen katalizatorlarning ultratovushli tayyorlanishi uchun ko'plab misollar mavjud. ni tavsiya qilamiz Sonokataliz Kennet Suslikning maqolasi keng qamrovli kirish uchun. Hielscher katalizatorlar yoki katalizlarni tayyorlash uchun ultratovushli reaktorlarni etkazib beradi, Biodizel nasosi kabi metilesterlarni ishlab chiqarish uchun katalitik transesterifikatsiya (ya'ni yog'li metilester = biodizel).

Sonokataliz uchun ultratovushli uskunalar

Hielscher da foydalanish uchun ultratovush qurilmalar ishlab chiqaradi har qanday o'lchov va a uchun jarayonlarning xilma-xilligi. Bunga kiradi laboratoriya sonikatsiyasi kichik flakonlarda, shuningdek sanoat reaktorlari va oqim xujayralari. Laboratoriya miqyosida dastlabki jarayon sinovi uchun UP400S (400 vatt) juda mos keladi. U ommaviy jarayonlar uchun, shuningdek, inline sonication uchun ishlatilishi mumkin. Masshtabni kengaytirishdan oldin jarayonni sinab ko'rish va optimallashtirish uchun dan foydalanishni tavsiya etamiz UIP1000hd (1000 vatt), chunki bu birliklar juda moslashtiriladi va natijalar har qanday kattaroq sig'imga chiziqli o'lchanadi. To'liq miqyosda ishlab chiqarish uchun biz ultratovushli qurilmalarni taklif qilamiz 10 kVt va 16 kVt ultratovush kuchi. Bir nechta bunday birliklarning klasterlari juda yuqori qayta ishlash quvvatlarini ta'minlaydi.

Jarayonni sinovdan o'tkazish, optimallashtirish va kengaytirishni qo'llab-quvvatlashdan mamnun bo'lamiz. Biz bilan gaplashing tegishli uskunalar haqida yoki texnologik laboratoriyamizga tashrif buyuring.

Sonokataliz va ultratovushli kataliz bo'yicha adabiyotlar

Suslik, KS; Didenko, Y.; Fang, MM; Xyon, T.; Kolbek, KJ; MakNamara, VB III; Mdleleni, MM; Vong, M. (1999): Akustik kavitatsiya va uning kimyoviy oqibatlari, in: Fil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslik, KS; Skrabalak, SE (2008): “Sonokataliz” Heterojen kataliz qo'llanmasida, jild. 4; Ertl, G.; Knzinger, X.; Shth, F.; Weitkamp, J., Tahrirlar; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, s. 2006-2017.