Sonocatalysis – Xúc tác hỗ trợ siêu âm

Ultrasonication ảnh hưởng đến phản ứng xúc tác trong quá trình xúc tác bằng cách tăng cường truyền khối lượng và năng lượng đầu vào. Trong xúc tác không đồng nhất, trong đó chất xúc tác ở pha khác với các chất phản ứng, phân tán siêu âm làm tăng diện tích bề mặt có sẵn cho các chất phản ứng.

Bối cảnh của Sonocatalysis

Xúc tác là quá trình trong đó tốc độ của một phản ứng hóa học được tăng lên (hoặc giảm) bằng chất xúc tác. Việc sản xuất nhiều hóa chất liên quan đến xúc tác. Ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tần suất tiếp xúc của các chất phản ứng trong bước xác định tốc độ. 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 chất phản ứng để tạo thành các chất trung gian sau đó tạo ra sản phẩm cuối cùng. Bước sau tái tạo chất xúc tác. Bằng cách giảm năng lượng kích hoạt, nhiều va chạm phân tử hơn có năng lượng cần thiết để đạt đến trạng thái chuyển tiếp. Trong một số trường hợp, chất xúc tác được sử dụng, thay đổi tính chọn lọc của phản ứng hóa học.

Các biểu đồ ở bên phải minh họa tác dụng của chất xúc tác trong phản ứng hóa học X + Y để tạo ra Z. Chất xúc tác cung cấp một con đường thay thế (màu xanh lá cây) với Năng lượng Ea kích hoạt thấp hơn.

Ảnh hưởng của Ultrasonication

Bước sóng âm trong chất lỏng nằm trong khoảng từ khoảng 110 đến 0,15mm đối với tần số từ 18kHz đến 10MHz. Điều này là đáng kể trên kích thước phân tử. Vì lý do này, không có sự kết hợp trực tiếp của trường âm thanh với các phân tử của một loài hóa học. Các hiệu ứng của ultrasonication là ở một mức độ lớn là kết quả của siêu âm cavitation trong chất lỏng. Do đó, xúc tác hỗ trợ siêu âm đòi hỏi ít nhất một thuốc thử ở pha lỏng. Ultrasonication góp phần xúc tác không đồng nhất và đồng nhất theo nhiều cách. Hiệu ứng cá nhân có thể được thúc đẩy hoặc giảm thích ứng biên độ siêu âm và áp suất chất lỏng.

Siêu âm phân tán và nhũ tương hóa

Các phản ứng hóa học liên quan đến thuốc thử và chất xúc tác của nhiều pha (xúc tác không đồng nhất) bị giới hạn ở ranh giới pha vì đây là nơi duy nhất, nơi có thuốc thử cũng như chất xúc tác. Sự tiếp xúc của thuốc thử và chất xúc tác với nhau là một Yếu tố chính cho nhiều phản ứng hóa học nhiều pha. Vì lý do này, diện tích bề mặt cụ thể của ranh giới pha trở nên ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học.

Ultrasonication là một phương tiện rất hiệu quả cho Phân tán chất rắn và cho nhũ hóa chất lỏng. Bằng cách giảm kích thước hạt / giọt, tổng diện tích bề mặt của ranh giới pha tăng cùng một lúc. Đồ họa bên trái cho thấy mối tương quan giữa kích thước hạt và diện tích bề mặt trong trường hợp các hạt hoặc giọt hình cầu (Nhấp để xem lớn hơn!). Khi bề mặt ranh giới pha tăng lên, tốc độ phản ứng hóa học cũng tăng theo. Đối với nhiều vật liệu siêu âm cavitation có thể làm cho các hạt và giọt của kích thước rất mịn – thường dưới 100 nanomet đáng kể. Nếu sự phân tán hoặc nhũ tương trở nên ít nhất là tạm thời ổn định, việc áp dụng Siêu âm 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 tốc độ dòng chảy cao. Nó có thể được áp dụng ngay cả với môi trường có độ nhớt cao.

Chuyển giao hàng loạt

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

Năng lượng đầu vào

Siêu âm cavitation là một cách độc đáo để Đưa năng lượng vào phản ứng hóa học. Một sự kết hợp của máy bay phản lực chất lỏng tốc độ cao, áp suất cao (>1000atm) và nhiệt độ cao (>5000K), tốc độ sưởi ấm và làm mát khổng lồ (>10⁹Ks^-1) xảy ra tập trung cục bộ trong quá trình nén bùng nổ của bong bóng xâm thực. Kenneth Suslick Nói: “Cavitation là một phương pháp phi thường để tập trung năng lượng khuếch tán của âm thanh thành một dạng có thể sử dụng hóa học.”

Tăng khả năng phản ứng

Xói mòn hang động trên bề mặt hạt tạo ra các bề mặt không thụ động, phản ứng cao. Nhiệt độ và áp suất cao trong thời gian ngắn góp phần vào phân hủy phân tử và tăng khả năng phản ứng của nhiều loài hóa chất. Chiếu xạ siêu âm có thể được sử dụng trong việc chuẩn bị các chất xúc tác, ví dụ như để sản xuất cốt liệu của các hạt kích thước tốt. Điều này tạo ra các chất xúc tác vô định hình Các hạt có bề mặt riêng 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

Thông thường xúc tác liên quan đến các sản phẩm phụ không mong muốn, ô nhiễm hoặc tạp chất trong thuốc thử. Điều này có thể dẫn đến suy thoái và bám bẩn trên bề mặt chất xúc tác rắn. Bám bẩn 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 trong quá trình hoặc trong khoảng thời gian tái chế bằng cách sử dụng các hóa chất xử lý khác. Ultrasonication là một phương tiện hiệu quả để Chất xúc tác sạch hoặc hỗ trợ quá trình tái chế chất xúc tác. Làm sạch siêu âm có lẽ là ứng dụng phổ biến nhất và được biết đến của siêu âm. Sự va chạm của các tia chất lỏng xâm thực và sóng xung kích lên đến 10⁴ATM có thể tạo ra lực cắt cục bộ, xói mòn và rỗ bề mặt. Đối với các hạt có 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 này có thể gây ra nhiệt độ tác động thoáng qua cục bộ khoảng 3000K. Suslick đã chứng minh, rằng ultrasonication hiệu quả loại bỏ lớp phủ oxit bề mặt. Việc loại bỏ các lớp phủ thụ động như vậy cải thiện đáng kể tốc độ phản ứng cho nhiều phản ứng khác nhau (Suslick 2008). Việc áp dụng siêu âm giúp giảm vấn đề bẩn thỉu của chất xúc tác phân tán rắn trong quá trình xúc tác và góp phần làm sạch trong quá trình tái chế chất xúc tác.

Ví dụ về xúc tác siêu âm

Có rất nhiều ví dụ cho xúc tác hỗ trợ siêu âm và cho việc chuẩn bị siêu âm các chất xúc tác không đồng nhất. Chúng tôi đề xuất Sonocatalysis bài viết của Kenneth Suslick để giới thiệu toàn diện. Hielscher cung cấp lò phản ứng siêu âm để điều chế chất xúc tác hoặc xúc tác, chẳng hạn như transester hóa xúc tác để sản xuất methylester (tức là methylester béo = 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 Quy trình đa dạng. Điều này bao gồm Sonication phòng thí nghiệm trong lọ nhỏ cũng như lò phản ứng công nghiệp và tế bào dòng chảy. Đối với thử nghiệm quy trình ban đầu trong quy mô phòng thí nghiệm, UP400S (400 watt) rất phù hợp. Nó có thể được sử dụng cho các quá trình hàng loạt cũng như cho sonication nội tuyến. Để kiểm tra và tối ưu hóa quy trình trước khi mở rộng quy mô, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng UIP1000hd (1000 watt), vì thiết bị này rất dễ thích ứng và kết quả được thu nhỏ tuyến tính đến bất kỳ công suất lớn hơn nào. Đối với sản xuất quy mô đầy đủ, chúng tôi cung cấp các thiết bị siêu âm lên đến 10kW và 16kW công suất siêu âm. Các cụm của một số đơn vị như vậy cung cấp khả năng xử lý rất cao.

Chúng tôi sẽ sẵn lòng hỗ trợ thử nghiệm quy trình, tối ưu hóa và mở rộng quy mô của bạn. Nói chuyện với chúng tôi về thiết bị phù hợp hoặc Ghé thăm phòng thí nghiệm quy trình của chúng tôi.

Tài liệu về Sonocatalysis và Ultrasonically Assisted Catalysis

Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Phương, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, WB III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Acoustic Cavitation và hậu quả hóa học của nó, trong: Phil. Trans. Roy. Soc. Đáp, 1999, 357, 335-353.

Suslick, KS; Skrabalak, SE (2008): “Sonocatalysis” Trong Handbook of Heterogeneous Catalysis, tập 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., biên tập.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, trang 2006-2017.