Ультразвуковой катализ

Обработка ультразвуком воздействует на реактивность катализатора во время катализа путём усиления массопереноса и потребляемой энергии. При гетерогенном катализе, когда катализатор находится в другой фазе по сравнению с реагентами, ультразвуковая дисперсия увеличивает площадь поверхности у реагентов.

Предпосылки катализа

Катализ – это процесс, при котором скорость химической реакции возрастает (или снижается) посредством катализатора. Получение многих химических продуктов охватывает катализ. Влияние на скорость реакции зависит от частоты контактов реагентов на этапе определения скорости. В целом, катализатор увеличивает скорость реакции и уменьшает активационную энергию, предоставляя продукту альтернативный ход реакции. Для этого катализаторы вступают в реакцию с одним и более реагентов, чтобы образовать промежуточные вещества, которые в дальнейшем дадут конечный продукт. Этот последний этап регенерирует катализатор. Снижение активационной энергии придаёт большему количеству молекулярных столкновений ту энергию, которая им требуется для достижения переходного состояния. В некоторых случаях катализаторы используются для изменения селективности химической реакции.

Energy – энергия, reaction progress – ход реакции, with catalyst – с катализатором, no catalyst – без катализатора Диаграмма слева иллюстрирует действие катализатора в химической реакции X+Y для получения Z. Катализатор обеспечивает альтернативный ход реакции (показан зелёным) при более низкой активационной энергии (activation Energy Ea).

Эффекты ультразвуковой обработки

Длина акустических волн в жидкостях лежит в диапазоне примерно от 110 до 0.15 мм при частотах от 18 кГц до 10 МГц, что значительно превышает молекулярные размеры. По этой причине нет прямой связи между акустическим полем и молекулами химических веществ. Эффекты ультразвуковой обработки в большей степени являются результатом ультразвуковой кавитации в жидкостях. Поэтому, катализ с помощью ультразвука требует наличия, как минимум, одного реагента в жидкой фазе.

Обработка ультразвуком способствует проведению гетерогенного и гомогенного катализов многими путями. Отдельные эффекты могут быть усилены или уменьшены регулированием амплитуды ультразвука и давления жидкости.

Ультразвуковое диспергирование и эмульгирование

Химические реакции, задействующие реагенты и катализатор, имеющий более одной фазы (гетерогенный катализ), ограничиваются границей фазы, поскольку это единственное место, где присутствуют и реагент, и катализатор. Воздействие реагентов и катализатора друг на друга является ключевым фактором для многих многофазных химических реакций. По этой причине удельная площадь поверхности фазовой границы становится фактором, влияющим на химическую скорость реакции.

Particle size – размер частицы, total particle surface – общая площадь поверхности частицы, Impact of particle…- влияние размера частицы на площадь поверхности Ультразвуковая обработка – это очень эффективное средство для диспергирования твёрдых веществ и для эмульгирования жидкостей. Сокращение размера частицы/капли одновременно увеличивает общую площадь поверхности фазовой границы. График справа показывает корреляцию между размером частиц и площадью поверхности для сферических частиц и капель (кликните здесь, чтобы увеличить изображение). Поскольку поверхность фазовой границы увеличивается, увеличивается и скорость химической реакции. У многих материалов ультразвуковая кавитация может создать частицы и капли очень мелкого размера – часто значительно ниже 100 нанометров. Если дисперсия или эмульсия становятся устойчивыми, по крайней мере, на какое-то время, то применение ультразвука может потребоваться только на начальной стадии химической реакции. Поточная ультразвуковая реакционная камера для исходного смешения реагентов и катализатора может генерировать частицы/капли мелкого размера за очень короткое время и при высоких скоростях потоков. Она также может применяться для высоковязких сред.

Массоперенос

Когда реагенты вступают в реакцию на фазовой границе, продукты химической реакции накапливаются на поверхности контакта, что мешает молекулам других реагентов взаимодействовать на этой границе. Механические силы сдвига, вызванные потоками кавитационных струй и акустическими потоками, приводят к турбулентности и к переносу материала с одной поверхности частиц или капель на другую. В случае с каплями сильный сдвиг может привести к слиянию и последующему образованию новых капель. По мере развития химической реакции с течением времени, может потребоваться повторная ультразвуковая обработка, например, двухстадийная или оборотная, для доведения до максимума воздействия на реагенты.

Потребляемая энергия

Ультразвуковая кавитация является единственным способом для подачи энергии в химические реакции. Сочетание высоких скоростей струй жидкости, высокого давления (>1000атм.) и высоких температур (>5000K), вызывает огромные скорости нагрева и охлаждения (>109Ks-1), которые концентрируются по месту во время имплозивного сжатия кавитационных пузырьков. Кеннет Суслик (Кenneth Suslick) говорит: "Кавитация – это необыкновенный метод концентрирования рассеянной звуковой энергии в химически применяемую форму."

Увеличение реакционной способности

Кавитационная эрозия на поверхностях частиц генерирует непассивированные, высокореактивные поверхности. Кратковременные высокие температуры и давление способствуют молекулярному разложению и увеличивают реакционную способность многих химических веществ. Ультразвуковое излучение может быть использовано при подготовке катализаторов, например, для получения скоплений мелкоразмерных частиц, производя, тем самым, частицы аморфных катализаторов с высокой удельной площадью поверхности. Благодаря такой агрегатной структуре, такие катализаторы могут отделяться от продуктов реакции (например, посредством фильтрации).

Ультразвуковая чистка

Часто катализ захватывает и нежелательные сопутствующие продукты, загрязняющие вещества или примеси, присутствующие в реактивах. Это может привести к уменьшению или засорению поверхности твёрдых катализаторов. Засорение снижает подвергаемую воздействию поверхность катализатора, а, следовательно, его эффективность. Засорение следует ликвидировать либо во время процесса, либо во время повторяющихся перерывов с помощью других химических продуктов. Ультразвуковая обработка является эффективным средством для чистки катализаторов или содействовать процессу утилизации катализаторов.

Ультразвуковая чистка, возможно, является наиболее распространённым и известным применением ультразвука. Столкновение кавитационных жидких струй и ударных волн до 10&sup4;атм. может создать локализованные силы сдвига, эрозию и поверхностное окрашивание. У мелких частиц высокоскоростные столкновения друг с другом приводят к поверхностной эрозии и даже к дроблению и измельчению. Такие столкновения могут вызвать при ударе местную переходную температуру около 3000 K. Суслик продемонстрировал, что ультразвуковая обработка эффективно удаляет окисные покрытия с поверхностей. Удаление таких пассивирующих покрытий значительно улучшает скорости у большого количества различных реакций (Suslick 2008). Применение ультразвука помогает решению проблемы загрязнения катализатором рассеиваемых твёрдых веществ во время катализа и способствует чистке во время возврата в процесс катализатора.

Примеры ультразвукового катализа

Имеются многочисленные примеры катализа с помощью ультразвука и для ультразвукового приготовления гетерогенных катализаторов. Для более полного понимания темы мы рекомендуем статью Кеннета Суслика «Сонокатализ» (Sonocatalysis). Компания Hielscher поставляет ультразвуковые реакционные камеры для приготовления катализаторов или для катализа, например, каталитическая переэтерификация для производства метиловых эфиров (т.е. жирный метиловый эфир = биодизелю).

Ультразвуковое оборудование для сонокатализа

Компания Hielscher изготавливает ультразвуковые устройства для применения в любых масштабах и для многообразия технологий. Они включают в себя лабораторную ультразвуковую обработку в небольших сосудах, а также промышленные реакционные камеры и проточные кюветы. Прибор UP400S (400 Вт) очень подходит для исходных испытаний процесса в лабораторном масштабе. Его можно применять в процессах периодического действия, а также в поточной ультразвуковой обработке. Для проверки и оптимизации процессов перед их осуществлением в больших масштабах мы рекомендуем использовать UIP1000hd (1000 Вт), т.к. эти устройства очень легко адаптируются, а результаты могут масштабироваться линейно в соответствии с любой более крупной производительностью. Для полномасштабного производства мы предлагаем ультразвуковые устройства мощностью до 10кВт и 16кВт. Группы из нескольких таких устройств обеспечивают очень высокую производительность обработки.

Мы будем рады помочь вам в проведении технологических испытаний, оптимизации и масштабировании результатов. Расскажите нам, какое оборудование вам подходит, или посетите нашу лабораторию.

Устройство	Порционный объем, мл	Расход, мл/мин
UP400S	5.0 – 4000	20 - 400
UIP1000hd	100 – 20000	200 - 4000
UIP10000		1000 - 10000
UIP16000	-	10000 – 100000