Sonocatalysis – Ultrasonically hỗ trợ xúc tác

Ultrasonication ảnh hưởng đến chất xúc tác phản ứng trong quá trình xúc tác bằng tăng cường khối lượng chuyển giao và năng lượng đầu vào. Trong xúc tác không đồng nhất, trong đó chất xúc tác nằm trong một giai đoạn khác nhau để phản ứng, siêu âm phân tán làm tăng diện tích bề mặt có sẵn cho các chất phản ứng.

Bối cảnh của Sonocatalysis

Xúc tác là quá trình trong đó tỷ lệ của một phản ứng hóa học tăng (hoặc giảm) bằng phương tiện của một chất xúc tác. Việc sản xuất nhiều chất hóa học liên quan đến xúc tác. Ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tần số tiếp xúc của các chất chống trong bước xác định tỷ lệ. Nói chung, chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng và giảm năng lượng kích hoạt bằng cách cung cấp một con đường phản ứng thay thế cho sản phẩm phản ứng. Đối với điều này, các chất xúc tác phản ứng với một hoặc nhiều động cơ để tạo thành trung gian mà sau đó cung cấp cho các sản phẩm cuối cùng. Bước thứ hai tái tạo chất xúc tác. Bởi giảm năng lượng kích hoạt, va chạm phân tử nhiều hơn có năng lượng cần thiết để đạt được trạng thái chuyển tiếp. Trong một số trường hợp chất xúc tác được sử dụng thay đổi tính chọn lọc của một phản ứng hóa học.

Các Sơ đồ ở bên phải minh họa hiệu quả của một chất xúc tác trong một phản ứng hóa học X + Y để sản xuất Z. Chất xúc tác cung cấp một con đường thay thế (màu xanh lá cây) với một năng lượng kích hoạt thấp hơn EA.

Tác dụng của Ultrasonication

Bước sóng âm thanh trong chất lỏng dao động từ khoảng 110 đến 0,15 mm đối với tần số giữa 18kHz và 10MHz. Điều này là đáng kể trên kích thước phân tử. Vì lý do này, không có các khớp nối trực tiếp của các lĩnh vực âm thanh với các phân tử của một loài hóa học. Những ảnh hưởng của ultrasonication là đến một mức độ lớn là kết quả của cavitation siêu âm trong chất lỏng. Do đó, xúc tác hỗ trợ ultrasonically đòi hỏi ít nhất một thuốc thử trong pha lỏng. Ultrasonication đóng góp vào các chất xúc tác không đồng nhất theo nhiều cách. Tác dụng cá nhân có thể được thúc đẩy hoặc giảm thích ứng với biên độ siêu âm và áp lực chất lỏng.

Siêu âm phân tán và Emulsifying

Phản ứng hóa học liên quan đến thuốc thử và chất xúc tác của nhiều hơn một giai đoạn (xúc tác không đồng nhất) được giới hạn ở ranh giới pha vì đây là nơi duy nhất, nơi thuốc thử cũng như chất xúc tác có mặt. Tiếp xúc với thuốc thử và chất xúc tác với nhau là một yếu tố quan trọng đối với nhiều phản ứng hóa học đa pha. Vì lý do này, diện tích bề mặt cụ thể của ranh giới pha trở nên có ảnh hưởng đối với tỷ lệ phản ứng hóa học.

Ultrasonication là một phương tiện rất hiệu quả cho sự phân tán chất rắn và cho nhũ tương chất lỏng. Bằng việc giảm kích thước hạt/giọt, tổng diện tích bề mặt của ranh giới pha tăng cùng một lúc. Đồ họa bên trái cho thấy sự tương quan giữa kích thước hạt và diện tích bề mặt trong trường hợp các hạt hình cầu hoặc các giọt (Nhấp để xem lớn hơn!). Khi bề mặt ranh giới pha tăng lên tỷ lệ phản ứng hóa học. Đối với nhiều vật liệu siêu âm cavitation có thể làm cho các hạt và giọt Kích thước rất tốt – thường là đáng kể dưới 100 nanomet. Nếu sự phân tán hoặc nhũ tương trở nên ít nhất là tạm thời ổn định, việc áp dụng Ultrasonics có thể được yêu cầu chỉ ở giai đoạn ban đầu của phản ứng hóa học. Một lò phản ứng siêu âm nội tuyến cho sự pha trộn ban đầu của thuốc thử và chất xúc tác có thể tạo ra các hạt/giọt kích thước tốt trong thời gian rất ngắn và ở tỷ lệ lưu lượng cao. Nó có thể được áp dụng ngay cả với các phương tiện truyền thông có nhớt cao.

MASS-chuyển giao

Khi thuốc thử phản ứng ở ranh giới pha, các sản phẩm phản ứng hóa học tích tụ ở bề mặt liên lạc. Điều này ngăn chặn các phân tử thuốc thử khác tương tác ở ranh giới pha này. Lực cắt cơ học gây ra bởi cavitational dòng máy bay phản lực và streaming âm thanh kết quả trong dòng chảy hỗn loạn và vận chuyển vật liệu từ và đến các bề mặt hạt hoặc giọt. Trong trường hợp của các giọt, cắt cao có thể dẫn đến sự kết dính và hình thành tiếp theo của các giọt mới. Khi phản ứng hóa học tiến triển theo thời gian, một sonication lặp lại, ví dụ như hai giai đoạn hoặc tuần hoàn, có thể được yêu cầu để tối đa hóa sự tiếp xúc của thuốc thử.

Năng lượng đầu vào

Siêu âm cavitation là một cách duy nhất để đưa năng lượng vào phản ứng hóa học. Một sự kết hợp của các máy bay phản lực chất lỏng tốc độ cao, áp lực cao (>1000atm) và nhiệt độ cao (>5000K), tỷ lệ sưởi ấm và làm mát rất lớn (>10⁹KS^-1) xảy ra tập trung tại địa phương trong quá trình nén implosive của cavitational bong bóng. Phan Nói: “Cavitation là một phương pháp phi thường tập trung năng lượng khuếch tán của âm thanh thành một hình thức có thể sử dụng hóa học.”

Tăng phản ứng

Cavitational xói mòn trên bề mặt hạt tạo ra các bề mặt không thể thụ động, phản ứng cao. Nhiệt độ và áp suất cao trong ngắn ngủi đóng góp vào phân hủy và tăng phản ứng của nhiều loài hóa học. Chiếu xạ siêu âm có thể được sử dụng trong việc chuẩn bị các chất xúc tác, ví dụ như để sản xuất các tập hợp các hạt kích thước nhỏ. Điều này tạo ra chất xúc tác vô định hình Các hạt của bề mặt cụ thể cao Khu vực. Do cấu trúc tổng hợp này, các chất xúc tác như vậy có thể được tách ra khỏi các sản phẩm phản ứng (tức là bằng cách lọc).

Làm sạch siêu âm

Thường xúc tác liên quan đến các sản phẩm phụ không mong muốn, nhiễm bẩn hoặc tạp chất trong thuốc thử. Điều này có thể dẫn đến suy thoái và bẩn trên bề mặt của chất xúc tác rắn. Fouling làm giảm bề mặt chất xúc tác tiếp xúc và do đó làm giảm hiệu quả của nó. Nó không cần phải được loại bỏ hoặc trong quá trình hoặc trong khoảng thời gian tái chế bằng cách sử dụng hóa chất quá trình khác. Ultrasonication là một phương tiện hiệu quả để chất xúc tác làm sạch hoặc hỗ trợ quá trình tái chế. Làm sạch siêu âm có lẽ là ứng dụng phổ biến nhất và được biết đến của Ultrasonics. Các đáva của cavitational máy bay phản lực chất lỏng và sóng sốc lên đến 10⁴ATM có thể tạo lực cắt địa phương, xói mòn và pitting bề mặt. Đối với các hạt kích thước mịn, va chạm giữa các hạt tốc độ cao dẫn đến xói mòn bề mặt và thậm chí mài và phay. Những va chạm có thể gây ra nhiệt độ tác động tạm thời của địa phương khoảng 3000K. Suslick đã chứng minh, ultrasonication có hiệu quả loại bỏ lớp phủ oxit bề mặt. Việc loại bỏ lớp phủ thụ động như vậy cải thiện đáng kể tỷ lệ phản ứng cho một loạt các phản ứng (Cô 2008). Các ứng dụng của Ultrasonics giúp giảm các vấn đề bẩn của một chất xúc tác phân tán rắn trong quá trình xúc tác và góp phần vào việc làm sạch trong quá trình tái chế chất xúc tác.

Ví dụ về chất xúc tác siêu âm

Có rất nhiều ví dụ cho xúc tác hỗ trợ ultrasonically và cho việc chuẩn bị siêu âm của các chất xúc tác không đồng nhất. Chúng tôi khuyên bạn nên Sonocatalysis Bài viết của Kenneth Suslick cho một giới thiệu toàn diện. Hielscher cung cấp lò phản ứng siêu âm để chuẩn bị các chất xúc tác hoặc xúc tác, chẳng hạn như transesterification xúc tác để sản xuất methyleste (tức là béo methylester = diesel sinh học).

Thiết bị siêu âm cho Sonocatalysis

Hielscher sản xuất các thiết bị siêu âm để sử dụng tại bất kỳ quy mô nào và cho một nhiều quy trình khác nhau. Điều này bao gồm Phòng thí nghiệm sonication trong lọ nhỏ cũng như lò phản ứng công nghiệp và các tế bào dòng chảy. Để kiểm tra quy trình ban đầu ở quy mô phòng thí UP400S (400 watt) là rất phù hợp. Nó có thể được sử dụng cho các quá trình hàng loạt cũng như cho sonication nội tuyến. Để thử nghiệm và tối ưu hóa quy trình trước khi mở rộng, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng UIP1000hd (1000 watt), vì các đơn vị này là rất thích ứng và kết quả con được thu nhỏ tuyến tính đến bất kỳ công suất lớn hơn. Đối với sản xuất quy mô đầy đủ chúng tôi cung cấp thiết bị siêu âm lên đến 10kW và 16kW công suất siêu âm. Các cụm của một số đơn vị như vậy cung cấp năng lực xử lý rất cao.

Chúng tôi sẽ rất vui khi được hỗ trợ quá trình kiểm tra, tối ưu hóa và tăng quy mô. Nói chuyện với chúng tôi thiết bị phù hợp hoặc truy cập phòng thí nghiệm quy trình.

Văn học về Sonocatalysis và Ultrasonically hỗ trợ xúc tác

Suslick, KS; Didenko, Y .; Fang, MM; Hyeon, T .; Kolbeck, KJ; McNamara, WB III; Mdleleni, MM; Wong, M. (1999): Acoustic Cavitation và Hậu quả Hóa học của nó, trong: Phil. Xuyên. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

^ Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalysis” Trong sổ tay của xúc tác không đồng nhất, Vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.