超聲強化在催化劑制備及催化反應中的應用

第41卷第11期化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)Vol 41 No 112012年11月Technology development of Chemical IndustryNov,2012狼迷與進(jìn)超聲強化在催化劑制備及催化反應中的應用楊永輝(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,安徽淮南232001)摘要:超聲空化作用產(chǎn)生的極端微環(huán)境可以強化界面間的化學(xué)反應過(guò)程和傳質(zhì)及傳熱過(guò)程,使聲化學(xué)反應表現出極大的優(yōu)越性。在催化劑制備過(guò)程中,超聲空化現象及附加效應可以改善催化劑的表面形態(tài)和表面組成,提高活性組分在載體上的分散性,從而明顯改善催化劑的催化性能等。綜述了近年來(lái)超聲強化在催化化學(xué)領(lǐng)域應用研究的新進(jìn)展,包括超聲技術(shù)在催化劑制備及催化反應中的應用,并探討了超聲強化應用中存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞:聲化學(xué);超聲空化;超聲制備;催化中圖分類(lèi)號:TQ4266文獻標識碼:A文章編號:16719905(2012)1003203超聲波是指振動(dòng)頻率較高的物體在介質(zhì)中所產(chǎn)主動(dòng)力。超聲對化學(xué)反應的影響主要來(lái)源于空化作生的頻率高于20kH的彈性波。超聲波作為一種用( Cavitation)?？栈侵复嬖谟谝后w中的微小氣波動(dòng)形式,可以用來(lái)作為探測與負載信息的載體或泡核在聲場(chǎng)作用下振動(dòng)、生長(cháng)和崩潰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,媒介;作為一種能量形式,當其強度超過(guò)一定值時(shí),是集中聲場(chǎng)能量并迅速釋放的過(guò)程?？栈饔玫木呖梢酝ㄟ^(guò)它與傳聲媒質(zhì)的相互作用,去影響、改變甚體過(guò)程包括:氣泡的形成、成長(cháng)和崩潰。當空化泡崩至破壞后者的狀態(tài)、性質(zhì)及結構。潰時(shí),局部可產(chǎn)生5000K以上的高溫和50MPa以上早在1927年, Richards等首次報道了超聲波對的高壓,溫度變化率高達10K·s,并伴以強烈的化學(xué)反應所起的影響,他們發(fā)現超聲波有加速硫酸二沖擊波以及時(shí)速高達400km的射流,這樣的極端微甲酯水解和亞硫酸還原碘化鉀的作用。超聲波技環(huán)境就有可能為一些化學(xué)反應開(kāi)啟新的通道,因而術(shù)作為一種物理手段和工具,能夠在化學(xué)反應常用的聲化學(xué)反應表現出極大的優(yōu)越性。介質(zhì)中產(chǎn)生一系列接近于極端的條件,如急劇的放超聲空化所引發(fā)的物理、機械熱效應、生物效電、產(chǎn)生局部的和瞬間的高溫、高壓等,這種能量不僅應和化學(xué)效應等在工業(yè)上具有廣闊的應用潛力。在能夠激發(fā)或促進(jìn)許多化學(xué)反應,加快化學(xué)反應速度,催化反應過(guò)程中,超聲空化產(chǎn)生的高速微射流會(huì )使甚至還可以改變某些化學(xué)反應的方向。直到20世界面之間形成強烈的機械攪拌效應,能增大非均相紀80年代后期超聲波化學(xué)( onochemistry)才發(fā)展成應界面并使反應界面迅速更新,同時(shí)所產(chǎn)生的渦為新興的交叉學(xué)科。隨著(zhù)聲化學(xué)的發(fā)展超聲波在催流效應會(huì )突破層流邊界層的限制,從而強化界面間化劑制備及催化反應中的應用日益增多。在催化反的化學(xué)反應過(guò)程和傳質(zhì)及傳熱過(guò)程。在催化劑制備應領(lǐng)域,超聲更發(fā)揮了其獨特的作用,利用超聲產(chǎn)生過(guò)程中,超聲空化產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫、高壓局部環(huán)境,的空化現象及附加效應,可以改善催化劑的表面形導致固液體系中分子間強烈的碰撞和聚集,對催化態(tài),提高催化活性組分在載體上的分散性等劑固體表面形態(tài)和表面組成都有極其重要的作用本文綜述了超聲波在催化劑制備及催化反應領(lǐng)域中的應用現狀及進(jìn)展,并探討了其存在的問(wèn)題和超聲強化在催化劑制備中的應用研究方向在催化劑制備過(guò)程中,利用超聲產(chǎn)生的空化現象及附加效應,可以改善催化劑的表面形態(tài)和表面超聲強化應用在催化化學(xué)領(lǐng)域的組成提高催化活性組分在載體上的分散性,從而明作用原理顯改善催化劑的催化性能等。近年來(lái)大量的研究表明,空化機制是聲化學(xué)的Dantsin基金項目:淮南市科技計劃項目(2010A03118)作者簡(jiǎn)介:楊永輝(1977,男,碩士,講師,研究方向:催化新材料,E-ml:jxyhHa中國煤化工備了Mo2CCNMHG收稿日期:201209-10第11期楊永輝:超聲強化在催化劑制備及催化反應中的應用ZSM5雙功能催化劑,該催化劑在甲烷脫氫芳構化研究結果表明,最佳工藝條件下酚和COD的去除率制芳烴反應中表現出很高的催化活性。 Bianchi等的分別達到874%和422%。此法的處理效果明顯優(yōu)采用超聲浸漬法制備了高度分散的PAC催化劑,并于單一超聲法和單一 Fenton法。許海燕等用超聲將其用于1-己已烯、44二甲基-1-戊烯、苯丙酮和苯乙電解與 Fenton試劑處理焦化廢水的試驗得出,在相酮的加氫反應,結果表明反應達到90%轉化率所需同的時(shí)間內,單獨使用超聲處理或超聲加HO2處理,的時(shí)間比普通浸漬法制備的催化劑明顯縮短。楊永有一定的脫色效果,但是COD去除率只有2%左輝等以球形y-Al2O3和6-Al2O3為載體,分別釆右。采用超聲與 Fenton試劑聯(lián)合處理效果明顯,色用超聲浸漬和普通浸漬方法制備了Pd含量為0.3%度可降低16倍,COD下降到37.8mg·L,脫色效的負載型催化劑,并將其用于蒽醌加氫反應。結果果十分顯著(zhù),藥品投加量降低,反應時(shí)間明顯縮短。表明,與普通浸漬法相比,超聲浸漬法制備的負載型Seli等人研究超聲波-光催化降解汽油添加劑甲Pd催化劑金屬分散度明顯提高,因而對蒽醌加氫反基叔丁基醚(MTBE)時(shí)發(fā)現,在間歇攪拌條件下經(jīng)應表現出較高的催化活性?；舫壤捎贸暭歼^(guò)148min,MTBE降解率達到了90%,大大高于單術(shù)制備摻鋇納米氧化鎂,并以其為載體,以RuCO)2獨光催化和單獨超聲波降解。為前驅體,采用浸漬法制備了一系列釕基氨合成催超聲作為過(guò)程強化技術(shù)應用于酯交換反應制備化劑并評價(jià)了其催化活性。結果表明,以超聲技術(shù)生物柴油也有較多報道。 Stavarache等對超聲強制備的摻鋇納米氧化鎂有較大的比表面積和規則的化NaOH和KOH催化酯交換反應制備生物柴油進(jìn)孔道結構,并增強了鋇、鎂之間的相互作用,使鋇更行了研究,結果表明,超聲可以縮短反應時(shí)間,降低均勻地分散于載體中極大地提高了鋇的促進(jìn)作用,催化劑用量,并且反應條件溫和。Hamh等采用從而使其負載的釕基催化劑的活性大幅度提高。孫40kHz功率超聲強化KOH催化甘油三油酸酯與甲振宇等通過(guò)高能量超聲作用下發(fā)生的還原反應,醇酯交換反應,并與傳統方法進(jìn)行對比,結果表明使原位生成的貴金屬或雙金屬納米顆粒負載于各種超聲作用下,在醇油物質(zhì)的量比為6:1時(shí),催化劑載體的表面,制備了一系列石墨烯基-、碳納米管基、用量由1.5%降低到1.0%,反應時(shí)間也由4h縮短為金屬氧化物(二氧化鈰、α-三氧化二鐵、二氧化鈦)30min。錢(qián)衛衛等對 KF/Ca0固體堿催化劑在超基-負載型貴金屬納米催化材料。結果表明,貴金屬聲輔助條件下用于催化大豆油與甲醇酯交換反應制納米顆粒在載體的表面均勻分布顆粒的尺寸較小,備生物柴油進(jìn)行了研究,研究表明,在超聲條件下酯分布較窄;顆粒的尺寸可以通過(guò)金屬在載體中的負交換反應速率加快,生物柴油的收率提高?？?。這種方法為負載型貴金屬納來(lái)催化劑的制備提4超聲強化應用的發(fā)展趨勢供了一種有效的途徑。利用超聲空化技術(shù)來(lái)制備催化劑及應用于催化反應中是近年來(lái)興起的一個(gè)研究領(lǐng)域,正處于蓬勃3超聲強化在催化反應中的應用發(fā)展的階段,前景廣闊。超聲的空化作用以及在溶液中形成的沖擊波和雖然超聲技術(shù)在催化化學(xué)研究領(lǐng)域已取得了微射流,可以快速活化反應中的催化劑,并大幅度地些進(jìn)展,為催化材料的制備提供了新途徑但是超聲提高其活化反應性參數(包括聲強頻率、作用時(shí)間等)對催化劑的表在超聲波處理污水的時(shí)候,加入催化劑會(huì )促進(jìn)面形態(tài)和組成的影響還要進(jìn)一步研究。另外,超聲水體中憎水性、難揮發(fā)性污染物的降解速度,如酚并不是對所有的催化反應都起作用,因此有必要建類(lèi)、氯代苯、硝基苯、甲基藍等。常用的催化劑有立超聲控制下的催化反應機理模型,探討并控制超SnO2、TiO2、SiO2、MnO2、H2O2、CuSO4、NaCl、 Fenton聲對催化反應動(dòng)力學(xué)的影響。同時(shí),超聲波反應器試劑等。 Okouchi等在對酚類(lèi)降解速度的研究在超聲應用方面具有決定性的作用,應該重點(diǎn)發(fā)展中,發(fā)現金屬離子Fe和MnO2能提高酚降解速度;新型的超聲波反應器,以適應不同的需要。為提高Berlan等發(fā)現Ni在酚的降解過(guò)程中,能夠改變超聲的使用中國煤化工究超聲技術(shù)與中間產(chǎn)物的分布,從而達到提高降解速度的目的。其它技術(shù)的CNMHG超聲/臭氧法、王廣鵬采用超聲 -Fenton工藝處理煉油堿渣廢水,超聲生物法、超聲電化學(xué)法等,把超聲參與技術(shù)從化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)第41卷實(shí)驗室階段放大到工業(yè)級,研究最優(yōu)工作參數,解決載型貴金屬納米催化材料中國科學(xué):化學(xué),2011,升級后的實(shí)際問(wèn)題,使其從技術(shù)和經(jīng)濟上更為可行。41(8):1366-1371參考文獻[11 Okouchi S, Nojima O Cavitation-induced degradation of[1] Richards W T, Loomis A L. 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