Cải tiến chất xúc tác Fischer-Tropsch bằng xử lý siêu âm

Cải tiến quá trình tổng hợp chất xúc tác Fischer-Tropsch bằng siêu âm: Xử lý các hạt xúc tác bằng siêu âm được sử dụng cho nhiều mục đích. Tổng hợp bằng siêu âm giúp tạo ra các hạt nano được biến tính hoặc chức năng hóa, có hoạt tính xúc tác cao. Các chất xúc tác đã qua sử dụng và bị ngộ độc có thể được phục hồi dễ dàng và nhanh chóng bằng phương pháp xử lý bề mặt siêu âm, giúp loại bỏ cặn bám gây mất hoạt tính khỏi chất xúc tác. Cuối cùng, quá trình phá kết tụ và phân tán bằng siêu âm tạo ra sự phân bố đồng đều, đơn phân tán của các hạt xúc tác, bảo đảm diện tích bề mặt hoạt tính của hạt lớn và khả năng truyền khối cao để đạt hiệu quả chuyển hóa xúc tác tối ưu.

Ưu điểm của việc điều chế chất xúc tác bằng siêu âm cho các quá trình Fischer-Tropsch

Xử lý siêu âm mang lại những ưu điểm đáng kể trong quá trình tổng hợp chất xúc tác Fischer-Tropsch, chủ yếu nhờ khả năng kiểm soát tinh vi hình thái chất xúc tác và sự phân bố các tâm hoạt tính. Hiện tượng xâm thực năng lượng cao do sóng siêu âm tạo ra bảo đảm quá trình trộn nhanh và phá kết tụ hiệu quả các vật liệu tiền chất, tạo ra sự phân bố kích thước hạt rất đồng đều và tăng diện tích bề mặt. Tính đồng nhất được cải thiện này giúp các thành phần hoạt tính phân tán tốt hơn, điều này rất quan trọng để tối đa hóa số lượng tâm phản ứng có thể tiếp cận. Hơn nữa, động học trộn được kiểm soát thường dẫn đến sự hình thành các cấu trúc rất ổn định và xốp, qua đó cải thiện hiệu năng xúc tác, độ chọn lọc và độ ổn định lâu dài của chất xúc tác trong các điều kiện phản ứng khắc nghiệt.

Tác động của siêu âm lên chất xúc tác

Siêu âm công suất cao được biết đến rộng rãi nhờ ảnh hưởng tích cực đến các phản ứng hóa học. Khi sóng siêu âm cường độ cao được đưa vào môi trường lỏng, hiện tượng xâm thực âm được tạo ra. Xâm thực siêu âm tạo ra các điều kiện cực đoan cục bộ với nhiệt độ rất cao lên đến 5.000K, áp suất khoảng 2.000atm và các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280m/s. Hiện tượng xâm thực âm và tác động của nó lên các quá trình hóa học được biết đến với thuật ngữ hóa siêu âm.
Một ứng dụng phổ biến của siêu âm là điều chế các chất xúc tác dị thể: lực xâm thực siêu âm hoạt hóa bề mặt chất xúc tác vì sự xói mòn do xâm thực tạo ra các bề mặt không bị thụ động hóa, có khả năng phản ứng cao. Hơn nữa, khả năng truyền khối được cải thiện đáng kể nhờ dòng chất lỏng chảy rối. Sự va chạm mạnh giữa các hạt do xâm thực âm gây ra loại bỏ các lớp oxit phủ trên bề mặt hạt bột, giúp tái hoạt hóa bề mặt chất xúc tác.

Tổng hợp chất xúc tác pha tạp paladi bằng siêu âm. Máy siêu âm UIP1000hdT được sử dụng để khử các ion paladi thành các hạt nano Pd và lắng đọng chúng lên bề mặt các ống nano cacbon pha tạp nitơ (N-BCNT).

Tổng hợp chất xúc tác pha tạp paladi bằng máy siêu âm UIP1000hdT
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Prekob và cộng sự, 2020

Điều chế chất xúc tác Fischer-Tropsch bằng siêu âm

Quá trình Fischer-Tropsch bao gồm một số phản ứng hóa học chuyển hóa hỗn hợp cacbon monoxit và hydro thành các hydrocacbon lỏng. Có thể sử dụng nhiều chất xúc tác khác nhau cho quá trình tổng hợp Fischer-Tropsch, nhưng được sử dụng thường xuyên nhất là các kim loại chuyển tiếp coban, sắt và rutheni. Quá trình tổng hợp Fischer-Tropsch ở nhiệt độ cao được thực hiện với chất xúc tác sắt.
Do các chất xúc tác Fischer-Tropsch dễ bị ngộ độc bởi các hợp chất chứa lưu huỳnh, việc tái hoạt hóa bằng siêu âm có tầm quan trọng lớn trong việc duy trì đầy đủ hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc.

Ưu điểm của tổng hợp chất xúc tác bằng siêu âm

Kết tủa hoặc kết tinh
Các hạt (nano) có kích thước và hình dạng được kiểm soát tốt
Các tính chất bề mặt được biến tính và chức năng hóa
Tổng hợp các hạt pha tạp hoặc hạt lõi–vỏ
Tạo cấu trúc mao quản trung bình

Tổng hợp chất xúc tác lõi–vỏ bằng siêu âm

Các cấu trúc nano lõi–vỏ là các hạt nano được bao bọc và bảo vệ bởi một lớp vỏ ngoài, giúp cách ly các hạt nano và ngăn chúng di chuyển cũng như hợp nhất trong các phản ứng xúc tác

Pirola và cộng sự (2010) đã điều chế các chất xúc tác Fischer-Tropsch nền sắt trên chất mang silica với hàm lượng kim loại hoạt tính cao. Nghiên cứu của họ cho thấy việc tẩm chất mang silica có hỗ trợ siêu âm giúp cải thiện sự lắng đọng kim loại và tăng hoạt tính của chất xúc tác. Kết quả tổng hợp Fischer-Tropsch cho thấy các chất xúc tác được điều chế bằng siêu âm có hiệu quả cao nhất, đặc biệt khi quá trình tẩm bằng siêu âm được thực hiện trong môi trường argon.

Trong video này, máy đồng hóa siêu âm Hielscher UP200St công suất 200 oát với đầu phát siêu âm 7mm được lắp vào một khớp nối thủy tinh tiêu chuẩn ở đáy thiết bị phản ứng bằng thủy tinh. Có thể lắp theo phương ngang, phương thẳng đứng hoặc bất kỳ hướng nào khác. Có thể lắp nhiều đầu dò siêu âm vào cùng một bình phản ứng, chẳng hạn ở các độ cao khác nhau. Thông thường, phương án lắp từ bên hông hoặc từ đáy được ưu tiên vì hoạt động tốt hơn khi mức chất lỏng thay đổi. Có thể kết hợp khuấy bằng siêu âm với các máy khuấy cơ thông thường có động cơ đặt phía trên.

Tái hoạt hóa chất xúc tác bằng siêu âm

Xử lý bề mặt hạt bằng siêu âm là phương pháp nhanh chóng và dễ thực hiện để tái sinh và tái hoạt hóa các chất xúc tác đã qua sử dụng và bị thụ động hóa. Khả năng tái sinh của chất xúc tác cho phép tái hoạt hóa và tái sử dụng, qua đó tạo nên một công đoạn tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường.
Xử lý hạt bằng siêu âm loại bỏ các lớp thụ động hóa gây mất hoạt tính, cặn bám và tạp chất khỏi hạt xúc tác, vốn che lấp các tâm phản ứng xúc tác. Xử lý huyền phù chất xúc tác đã qua sử dụng bằng siêu âm giúp rửa bề mặt hạt xúc tác bằng các tia chất lỏng, qua đó loại bỏ các chất lắng đọng khỏi tâm hoạt tính xúc tác. Sau khi xử lý siêu âm, hoạt tính xúc tác được khôi phục về mức hiệu quả tương đương chất xúc tác mới. Hơn nữa, siêu âm phá vỡ các khối kết tụ và tạo ra sự phân bố đồng nhất, đồng đều của các hạt đơn phân tán, làm tăng diện tích bề mặt hạt và qua đó tăng diện tích tâm hoạt tính xúc tác. Vì vậy, phục hồi chất xúc tác bằng siêu âm tạo ra các chất xúc tác tái sinh có diện tích bề mặt hoạt tính lớn để cải thiện khả năng truyền khối.
Tái sinh chất xúc tác bằng siêu âm có hiệu quả đối với các hạt khoáng và kim loại, các hạt xốp (bao gồm hạt có mao quản trung bình) và vật liệu nanocompozit.
Đọc thêm về tái sinh chất xúc tác đã qua sử dụng bằng siêu âm!

Máy siêu âm hiệu năng cao để tổng hợp chất xúc tác Fischer-Tropsch bằng phương pháp hóa siêu âm

Máy siêu âm Hielscher rất được ưa chuộng trong tổng hợp chất xúc tác nhờ thiết kế bền chắc, độ chính xác và khả năng mở rộng quy mô, mang lại những ưu điểm đáng kể so với các thiết bị siêu âm thông thường. Các thiết bị này cung cấp năng lượng siêu âm cường độ cao có thể kiểm soát chính xác, điều rất quan trọng để phân tán đồng đều các vật liệu tiền chất và hỗ trợ quá trình tạo mầm cũng như phát triển hạt xúc tác một cách chính xác. Các hệ thống điều khiển tinh vi cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh chính xác các thông số như công suất đầu ra và thời lượng xung, bảo đảm khả năng tái lập kết quả thí nghiệm – một yếu tố thiết yếu trong khoa học vật liệu. Hơn nữa, máy siêu âm Hielscher được biết đến nhờ độ bền và khả năng xử lý ở nhiều quy mô khác nhau, từ các mẻ nhỏ trong phòng thí nghiệm đến vận hành nhà máy thí điểm, qua đó cho phép chuyển đổi hiệu quả các công thức chất xúc tác đầy triển vọng từ nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm sang ứng dụng công nghiệp. Các tiêu chuẩn kỹ thuật và sản xuất của Đức bảo đảm thiết bị siêu âm Hielscher có thể vận hành tin cậy 24/7 dưới tải nặng.

Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:

Thể tích mẻ	Lưu lượng	Thiết bị được khuyến nghị
1 đến 500mL	10 đến 200mL/min	UP100H
10 đến 2000mL	20 đến 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 đến 20L	0,2 đến 4L/min	UIP2000hdT
10 đến 100L	2 đến 10L/min	UIP4000hdT
không áp dụng	10 đến 100L/min	UIP16000
không áp dụng	lớn hơn	cụm thiết bị UIP16000

Liên hệ với chúng tôi! / Hỏi chúng tôi!

Chủ đề liên quan

Những thông tin đáng biết

Phản ứng Fischer-Tropsch là gì?

Phản ứng Fischer-Tropsch là một quá trình hóa học xúc tác chuyển hóa khí tổng hợp, một hỗn hợp cacbon monoxit và hydro, thành các hydrocacbon như ankan, anken, sáp và nhiên liệu lỏng. Đây là một con đường quan trọng để sản xuất nhiên liệu tổng hợp và hóa chất từ than đá, khí tự nhiên, sinh khối hoặc khí tổng hợp có nguồn gốc từ CO₂.

Chất xúc tác Fischer-Tropsch là gì?

Chất xúc tác Fischer-Tropsch là một vật liệu xúc tác rắn thúc đẩy quá trình hydro hóa và chuyển hóa cacbon monoxit với hydro thành hydrocacbon thông qua sự phát triển mạch. Các kim loại hoạt tính được sử dụng rộng rãi nhất là sắt, coban và rutheni, thường được phân tán trên các chất mang như alumina, silica, titania hoặc cacbon để cải thiện diện tích bề mặt, độ ổn định và độ chọn lọc.

Những ngành công nghiệp nào sử dụng phản ứng Fischer-Tropsch?

Phản ứng Fischer-Tropsch được sử dụng trong ngành công nghiệp nhiên liệu tổng hợp, công nghiệp hóa dầu, sản xuất nhiên liệu lỏng từ khí, sản xuất nhiên liệu lỏng từ than đá, sản xuất nhiên liệu lỏng từ sinh khối và các lĩnh vực mới nổi như sản xuất nhiên liệu lỏng từ điện năng và thu giữ, sử dụng cacbon. Các phản ứng này đặc biệt phù hợp để sản xuất dầu diesel, nhiên liệu phản lực, chất bôi trơn, sáp, olefin và các nguyên liệu hydrocacbon khác.

Chất xúc tác Fischer-Tropsch có những ứng dụng gì?

Tổng hợp Fischer–Tropsch là một nhóm các quá trình xúc tác được áp dụng trong sản xuất nhiên liệu và hóa chất từ khí tổng hợp (hỗn hợp CO và H₂), có thể thu được từ khí tự nhiên, than đá hoặc sinh khối. Trong quá trình Fischer-Tropsch, chất xúc tác chứa kim loại chuyển tiếp được sử dụng để sản xuất hydrocacbon từ các nguyên liệu ban đầu rất cơ bản là hydro và cacbon monoxit, vốn có thể thu được từ nhiều nguồn tài nguyên chứa cacbon như than đá, khí tự nhiên, sinh khối và thậm chí cả chất thải.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

Prekob, Á., Muránszky, G., Kocserha, I. et al. (2020): Sonochemical Deposition of Palladium Nanoparticles Onto the Surface of N-Doped Carbon Nanotubes: A Simplified One-Step Catalyst Production Method. Catalysis Letters 150, 2020. 505–513.
Hajdu Viktória; Prekob Ádám; Muránszky Gábor; Kocserha István; Kónya Zoltán; Fiser Béla; Viskolcz Béla; Vanyorek László (2020): Catalytic activity of maghemite supported palladium catalyst in nitrobenzene hydrogenation. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 2020.
Pirola, C.; Bianchi, C.L.; Di Michele, A.; Diodati, P.; Boffito, D.; Ragaini, V. (2010): Ultrasound and microwave assisted synthesis of high loading Fe-supported Fischer–Tropsch catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Vol.17/3, 2010, 610-616.
Suslick, K.S.; Hyeon, T.; Fang, M.; Cichowlas, A. A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering A204, 1995, 186-192.