Sonochemische Reaktionen und Synthese
Sonochemie ist die Anwendung von Ultraschall auf chemische Reaktionen und Prozesse. Der Mechanismus, der sonochemische Effekte in Flüssigkeiten hervorruft, ist das Phänomen der akustischen Kavitation.
Die Ultraschallgeräte von Hielscher für Labor und Industrie werden in einer Vielzahl sonochemischer Prozesse eingesetzt. Ultraschallkavitation intensiviert und beschleunigt chemische Reaktionen wie Synthese und Katalyse.
Sonochemische Reaktionen
Bei chemischen Reaktionen und Prozessen lassen sich folgende sonochemische Effekte beobachten:
- Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit
- Erhöhung der Reaktionsausbeute
- Effizientere Energienutzung
- Sonochemische Methoden zur Änderung des Reaktionswegs
- Verbesserung der Wirksamkeit von Phasentransferkatalysatoren
- Verzicht auf Phasentransferkatalysatoren
- Verwendung von ungereinigten Reagenzien oder Reagenzien technischer Qualität
- Aktivierung von Metallen und Feststoffen
- Erhöhung der Reaktivität von Reagenzien oder Katalysatoren (Klicken Sie hier, um mehr über ultraschallunterstützte Katalyse zu erfahren)
- Verbesserung der Partikelsynthese
- Beschichtung von Nanopartikeln
7 Ultraschallhomogenisatoren des Modells UIP1000hdT (7x 1kW Ultraschallleistung), installiert als Verbund für sonochemische Reaktionen im industriellen Maßstab.
Vorteile ultraschallintensivierter chemischer Reaktionen
Ultraschallgestützte chemische Reaktionen sind eine etablierte Technik zur Prozessintensivierung im Bereich der chemischen Synthese und Verarbeitung. Durch die Nutzung der Leistung von Ultraschallwellen bieten diese Reaktionen zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen Methoden und verbessern die chemische Katalyse und Synthese. Extrem schnelle Umsatzraten, hervorragende Ausbeuten, erhöhte Selektivität, verbesserte Energieeffizienz und geringere Umweltbelastung sind die wichtigsten Vorteile sonochemischer Reaktionen.
Die folgende Tabelle zeigt einige wesentliche Vorteile ultraschallgestützter Reaktionen gegenüber konventionellen chemischen Reaktionen:
| Reaktion | Reaktionszeit Konventionell |
Reaktionszeit Mit Ultraschall |
Ausbeute Konventionell (%) |
Ausbeute Mit Ultraschall (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder-Cyclisierung | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oxidation von Indan zu Indan-1-on | 3 h | 3 h | Weniger als 27% | 73% |
| Reduktion von Methoxyaminosilan | Keine Reaktion | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidierung langkettiger ungesättigter Fettsäureester | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidation von Arylalkanen | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michael-Addition von Nitroalkanen an monosubstituierte α,β-ungesättigte Ester | 2 Tage | 2 h | 85% | 90% |
| Permanganatoxidation von 2-Octanol | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Synthese von Chalkonen durch Claisen-Schmidt-Kondensation | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Ullmann-Kupplung von 2-Iodnitrobenzol | 2 h | 2h | Weniger als 1,5% | 70,4% |
| Reformatsky-Reaktion | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultraschallkavitation in Flüssigkeiten
Kavitation bezeichnet die Bildung, das Wachstum und den implosiven Kollaps von Blasen in einer Flüssigkeit. Der Kavitationskollaps erzeugt eine starke lokale Erwärmung (~5000 K), hohe Drücke (~1000 atm), enorme Aufheiz- und Abkühlraten (mehr als 10⁹ K/sec) sowie Flüssigkeitsstrahlen (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitation mit dem UIP1000hd:
Kavitationsblasen sind Vakuumblasen. Das Vakuum entsteht durch eine sich schnell bewegende Oberfläche auf der einen Seite und eine träge Flüssigkeit auf der anderen. Die daraus resultierenden Druckunterschiede überwinden die Kohäsions- und Adhäsionskräfte innerhalb der Flüssigkeit.
Kavitation kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden, beispielsweise durch Venturidüsen, Hochdruckdüsen, Rotation mit hoher Geschwindigkeit oder Ultraschallwandler. In all diesen Systemen wird die zugeführte Energie in Reibung, Turbulenzen, Wellen und Kavitation umgewandelt. Der Anteil der zugeführten Energie, der in Kavitation umgewandelt wird, hängt von mehreren Faktoren ab, welche die Bewegung der kavitationserzeugenden Vorrichtung in der Flüssigkeit beschreiben.
Die Stärke der Beschleunigung ist einer der wichtigsten Faktoren, die die effiziente Umwandlung von Energie in Kavitation beeinflussen. Eine höhere Beschleunigung erzeugt größere Druckunterschiede. Dies wiederum erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Vakuumblasen entstehen, anstatt dass sich Wellen durch die Flüssigkeit ausbreiten. Je höher die Beschleunigung, desto größer ist somit der Anteil der Energie, der in Kavitation umgewandelt wird. Bei einem Ultraschallwandler wird die Stärke der Beschleunigung durch die Schwingungsamplitude beschrieben.
Höhere Amplituden führen zu einer effektiveren Erzeugung von Kavitation. Die Industriegeräte von Hielscher Ultrasonics können Amplituden von bis zu 115 µm erzeugen. Diese hohen Amplituden ermöglichen einen hohen Anteil übertragener Leistung, wodurch wiederum hohe Leistungsdichten von bis zu 100 W/cm³ erzeugt werden können.
Neben der Stärke der Beschleunigung sollte die Flüssigkeit so beschleunigt werden, dass die Verluste durch Turbulenzen, Reibung und Wellenerzeugung möglichst gering sind. Hierfür ist eine Bewegung in nur einer Richtung optimal.
Ultraschallreaktor mit 16.000 Watt für die sonochemisch verstärkte Inline-Umesterung.
- Herstellung aktivierter Metalle durch Reduktion von Metallsalzen
- Erzeugung aktivierter Metalle durch Beschallung
- Sonochemische Synthese von Partikeln durch Fällung von Metalloxiden (Fe, Cr, Mn, Co), beispielsweise zur Verwendung als Katalysatoren
- Imprägnierung von Trägern mit Metallen oder Metallhalogeniden
- Herstellung aktivierter Metalllösungen
- Reaktionen unter Beteiligung von Metallen über in situ erzeugte Organoelement-Spezies
- Reaktionen unter Beteiligung nichtmetallischer Feststoffe
- Kristallisation und Fällung von Metallen, Legierungen, Zeolithen und anderen Feststoffen
- Veränderung der Oberflächenmorphologie und Partikelgröße durch Kollisionen zwischen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit
- Bildung amorpher nanostrukturierter Materialien, darunter Übergangsmetalle mit großer Oberfläche, Legierungen, Carbide, Oxide und Kolloide
- Agglomeration von Kristallen
- Glättung und Entfernung passivierender Oxidschichten
- Mikromanipulation (Fraktionierung) kleiner Partikel
- Dispergierung von Feststoffen
- Herstellung von Kolloiden (Ag, Au, CdS in Quantengröße)
- Interkalation von Gastmolekülen in anorganische Schichtfeststoffe als Wirtsmaterialien
- Sonochemie von Polymeren
- Abbau und Modifizierung von Polymeren
- Synthese von Polymeren
- Sonolyse organischer Schadstoffe in Wasser
Sonochemische Geräte
Die meisten der genannten sonochemischen Prozesse lassen sich für den Inline-Betrieb nachrüsten. Wir unterstützen Sie gerne bei der Auswahl der sonochemischen Geräte für Ihre Prozessanforderungen. Für die Forschung und die Erprobung von Prozessen empfehlen wir unsere Laborgeräte oder das UIP1000hdT-Set.
Bei Bedarf sind FM- und ATEX-zertifizierte Ultraschallgeräte und Reaktoren (z. B. UIP1000-Exd) für die Beschallung entzündlicher Chemikalien und Produktformulierungen in explosionsgefährdeten Umgebungen erhältlich.
Ultraschallkavitation verändert Ringöffnungsreaktionen
Ultraschallbehandlung ist ein alternativer Mechanismus zu Wärme, Druck, Licht oder Elektrizität, um chemische Reaktionen auszulösen. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth und ihr Team an der Fakultät für Chemie der University of Illinois at Urbana-Champaign nutzten Ultraschallleistung, um Ringöffnungsreaktionen auszulösen und zu beeinflussen. Unter Beschallung entstanden bei den chemischen Reaktionen andere Produkte als die durch die Regeln der Orbitalsymmetrie vorhergesagten (Nature 2007, 446, 423). Die Gruppe verknüpfte mechanisch empfindliche 1,2-disubstituierte Benzocyclobuten-Isomere mit zwei Polyethylenglykolketten, führte Ultraschallenergie zu und analysierte die gesamten Lösungen mittels C13-Kernspinresonanzspektroskopie. Die Spektren zeigten, dass sowohl die cis- als auch die trans-Isomere dasselbe ringgeöffnete Produkt liefern, nämlich das vom trans-Isomer erwartete. Während thermische Energie eine zufällige Brownsche Bewegung der Reaktanten verursacht, gibt die mechanische Energie der Ultraschallbehandlung den Atombewegungen eine Richtung vor. Kavitationseffekte lenken daher die Energie effizient, indem sie das Molekül mechanisch beanspruchen und dadurch die potenzielle Energiefläche umformen.
Ultraschallgeräte mit Sonotrode wie der UP400St intensivieren die Synthese von Nanopartikeln. Der sonochemische Weg ist einfach, wirksam und schnell und arbeitet mit ungiftigen Chemikalien unter milden Bedingungen.
Hochleistungsultraschallgeräte für die Sonochemie
Hielscher Ultrasonics liefert Ultraschallprozessoren für Labor und Industrie. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher sind sehr leistungsstarke und robuste Ultraschallmaschinen und für den 24/7-Dauerbetrieb unter Volllast ausgelegt. Digitale Steuerung, programmierbare Einstellungen, Temperaturüberwachung, automatische Datenprotokollierung und Fernsteuerung über den Browser sind nur einige der Funktionen der Ultraschallgeräte von Hielscher. Die Geräte von Hielscher Ultrasonics sind auf hohe Leistung und komfortable Bedienung ausgelegt; Anwender schätzen ihre sichere und einfache Handhabung. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher liefern Amplituden von bis zu 200µm und eignen sich ideal für Anwendungen unter hoher Beanspruchung. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | Höher | Verbund aus UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungsultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.
Literatur / Quellen
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
- Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis (2019): Chapter 4 ENERGY – PI Approaches in Thermodynamic Domain. in: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Published 2019 by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.(page 136)
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Barrera-Salgado, Karen; Ramírez-Robledo, Gabriela; Alvarez-Gallegos, Alberto; Arellano, Carlos; Sierra, Fernando; Perez, J. A.; Silva Martínez, Susana (2016): Fenton Process Coupled to Ultrasound and UV Light Irradiation for the Oxidation of a Model Pollutant. Journal of Chemistry, 2016. 1-7.
Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungsultraschallhomogenisatoren vom Labor- bis zum industriellen Maßstab her.