التفاعلات والتخليق في الكيمياء الصوتية
الكيمياء الصوتية هي تطبيق الموجات فوق الصوتية على التفاعلات والعمليات الكيميائية. وتتمثل الآلية التي تُحدث التأثيرات الكيميائية الصوتية في السوائل في ظاهرة التجويف الصوتي.
تُستخدم أجهزة Hielscher المختبرية والصناعية التي تعمل بالموجات فوق الصوتية في مجموعة واسعة من العمليات الكيميائية الصوتية. ويكثّف التجويف بالموجات فوق الصوتية التفاعلات الكيميائية، مثل التخليق والتحفيز، ويسرّعها.
التفاعلات الكيميائية الصوتية
يمكن ملاحظة التأثيرات الكيميائية الصوتية التالية في التفاعلات والعمليات الكيميائية:
- زيادة سرعة التفاعل
- زيادة ناتج التفاعل
- استخدام الطاقة بكفاءة أكبر
- طرائق كيميائية صوتية لتغيير مسار التفاعل
- تحسين أداء محفزات انتقال الطور
- الاستغناء عن محفزات انتقال الطور
- استخدام كواشف خام أو ذات درجة تقنية
- تنشيط المعادن والمواد الصلبة
- زيادة تفاعلية الكواشف أو المحفزات (انقر هنا لقراءة المزيد عن التحفيز بمساعدة الموجات فوق الصوتية)
- تحسين تخليق الجسيمات
- طلاء الجسيمات النانوية
7 مجانسات بالموجات فوق الصوتية من طراز UIP1000hdT (بقدرة فوق صوتية تبلغ 7x 1kW) مركّبة في مجموعة لإجراء التفاعلات الكيميائية الصوتية على النطاق الصناعي.
مزايا التفاعلات الكيميائية المكثّفة بالموجات فوق الصوتية
تُعدّ التفاعلات الكيميائية المعزّزة بالموجات فوق الصوتية تقنية راسخة لتكثيف العمليات في مجال التخليق والمعالجة الكيميائيين. ومن خلال تسخير قدرة الموجات فوق الصوتية، توفر هذه التفاعلات مزايا عديدة مقارنة بالطرائق التقليدية، مما يحسّن التحفيز والتخليق الكيميائيين. وتتمثل المزايا الرئيسية للتفاعلات الكيميائية الصوتية في معدلات التحويل الفائقة السرعة، والمردود الممتاز، والانتقائية المعزّزة، وتحسين كفاءة الطاقة، وتقليل الأثر البيئي.
يوضح الجدول أدناه بعض المزايا البارزة للتفاعلات المعزّزة بالموجات فوق الصوتية مقارنة بالتفاعلات الكيميائية التقليدية:
| التفاعل | زمن التفاعل بالطريقة التقليدية |
زمن التفاعل بالموجات فوق الصوتية |
المردود بالطريقة التقليدية (%) |
المردود بالموجات فوق الصوتية (%) |
|---|---|---|---|---|
| التحلّق بتفاعل Diels-Alder | 35 h | 3.5 h | 77.9 | 97.3 |
| أكسدة الإندان إلى إندان-1-ون | 3 h | 3 h | أقل من 27% | 73% |
| اختزال ميثوكسي أمينو سيلان | لا يحدث تفاعل | 3 h | 0% | 100% |
| إبوكسدة إسترات الأحماض الدهنية غير المشبعة طويلة السلسلة | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| أكسدة أريل الألكانات | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| إضافة Michael للنيتروألكانات إلى الإسترات غير المشبعة عند الموضعين α,β وأحادية الاستبدال | 2 يوم | 2 h | 85% | 90% |
| أكسدة 2-octanol بالبرمنغنات | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| تخليق الشالكونات بتكاثف Claisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| اقتران UIllmann لمركب 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2h | أقل من 1.5% | 70.4% |
| تفاعل Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
التجويف بالموجات فوق الصوتية في السوائل
التجويف هو تكوّن الفقاعات في سائل ونموّها وانهيارها الانفجاري نحو الداخل. وينتج عن انهيار التجويف تسخين موضعي شديد (~5000 K)، وضغوط مرتفعة (~1000 atm)، ومعدلات هائلة للتسخين والتبريد (>10⁹ K/sec)، وتيارات نفاثة سائلة (~400 km/h). (Suslick 1998)
التجويف باستخدام UIP1000hd:
فقاعات التجويف هي فقاعات فراغ. وينشأ الفراغ بفعل سطح سريع الحركة من جهة وسائل ذي قصور ذاتي من الجهة الأخرى. وتعمل فروق الضغط الناتجة على التغلب على قوى التماسك والتلاصق داخل السائل.
يمكن توليد التجويف بطرائق مختلفة، مثل فوهات Venturi، وفوهات الضغط العالي، والدوران عالي السرعة، أو محوّلات الموجات فوق الصوتية. وفي جميع هذه الأنظمة، تتحول الطاقة الداخلة إلى احتكاك واضطرابات وأمواج وتجويف. وتعتمد نسبة الطاقة الداخلة التي تتحول إلى تجويف على عدة عوامل تصف حركة المعدات المولّدة للتجويف في السائل.
تُعدّ شدة التسارع من أهم العوامل التي تؤثر في كفاءة تحويل الطاقة إلى تجويف. فالتسارع الأعلى يولّد فروق ضغط أكبر. ويزيد ذلك بدوره احتمال تكوّن فقاعات فراغ بدلاً من تكوّن أمواج تنتشر عبر السائل. ومن ثم، كلما ارتفع التسارع، زادت نسبة الطاقة التي تتحول إلى تجويف. وفي حالة محوّل الموجات فوق الصوتية، تُوصَف شدة التسارع بسعة الاهتزاز.
تؤدي السعات الأعلى إلى توليد التجويف بفعالية أكبر. ويمكن للأجهزة الصناعية من Hielscher Ultrasonics توليد سعات تصل إلى 115 µm. وتتيح هذه السعات العالية نسبة مرتفعة لنقل القدرة، مما يسمح بدوره بتوليد كثافات قدرة عالية تصل إلى 100 W/cm³.
إضافة إلى الشدة، ينبغي تسريع السائل بطريقة تقلل الفواقد الناجمة عن الاضطرابات والاحتكاك وتوليد الأمواج إلى أدنى حد. ولهذا، تتمثل الطريقة المثلى في الحركة باتجاه واحد.
مفاعل بالموجات فوق الصوتية بقدرة 16,000 واط لتعزيز الأسترة التبادلية على خط المعالجة بالتأثيرات الكيميائية الصوتية.
- تحضير المعادن المنشّطة باختزال أملاح المعادن
- إنتاج المعادن المنشّطة بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية
- التخليق الكيميائي الصوتي للجسيمات بترسيب أكاسيد المعادن (Fe, Cr, Mn, Co)، لاستخدامها مثلاً كمحفزات
- تشريب الحوامل بالمعادن أو هاليدات المعادن
- تحضير محاليل المعادن المنشّطة
- تفاعلات تتضمن معادن عبر أنواع كيميائية عضوية عنصرية مولّدة في موضع التفاعل
- تفاعلات تتضمن مواد صلبة غير معدنية
- تبلور وترسيب المعادن والسبائك والزيوليتات وغيرها من المواد الصلبة
- تعديل مورفولوجيا السطح وحجم الجسيمات بتصادمات عالية السرعة بين الجسيمات
- تكوين مواد غير متبلورة ذات بنى نانوية، بما في ذلك معادن انتقالية ذات مساحة سطحية كبيرة، وسبائك وكربيدات وأكاسيد وغرويات
- تكتّل البلورات
- تنعيم وإزالة طبقة الأكسيد المخمِّلة
- المناولة الدقيقة (التجزئة) للجسيمات الصغيرة
- تشتيت المواد الصلبة
- تحضير الغرويات (Ag، Au، CdS ذي الحجم الكمي Q)
- إقحام الجزيئات الضيفة داخل المواد الصلبة المضيفة غير العضوية ذات البنية الطبقية
- الكيمياء الصوتية للبوليمرات
- تفكيك البوليمرات وتعديلها
- تخليق البوليمرات
- التحلل بالموجات فوق الصوتية للملوثات العضوية في الماء
معدات الكيمياء الصوتية
يمكن تحديث معظم العمليات الكيميائية الصوتية المذكورة لتعمل على خط المعالجة. ويسعدنا مساعدتكم في اختيار معدات الكيمياء الصوتية التي تلبي احتياجات المعالجة لديكم. وللبحث واختبار العمليات، نوصي بأجهزتنا المختبرية أو مجموعة UIP1000hdT.
عند الحاجة، تتوفر أجهزة ومفاعلات بالموجات فوق الصوتية معتمدة وفق FM وATEX (مثل UIP1000-Exd) لمعالجة المواد الكيميائية القابلة للاشتعال وتركيبات المنتجات بالموجات فوق الصوتية في البيئات الخطرة.
التجويف بالموجات فوق الصوتية يغيّر تفاعلات فتح الحلقة
تُعدّ المعالجة بالموجات فوق الصوتية آلية بديلة للحرارة أو الضغط أو الضوء أو الكهرباء لبدء التفاعلات الكيميائية. Jeffrey S. Moore، وCharles R. Hickenboth، وفريقهما في قسم الكيمياء بجامعة إلينوي في أوربانا-شامبين استخدموا قدرة الموجات فوق الصوتية لإطلاق تفاعلات فتح الحلقة والتحكم فيها. وتحت المعالجة بالموجات فوق الصوتية، ولّدت التفاعلات الكيميائية نواتج مختلفة عن تلك التي تتنبأ بها قواعد التناظر المداري (Nature 2007, 446, 423). وربط الفريق متماكبات بنزوسيكلوبوتين المستبدلة عند الموضعين 1,2 والحساسة ميكانيكياً بسلسلتين من البولي إيثيلين غليكول، وطبّق طاقة الموجات فوق الصوتية، وحلّل المحاليل الكلية باستخدام C13 في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي. وأظهرت الأطياف أن متماكبي cis وtrans كليهما يعطيان ناتج فتح الحلقة نفسه، وهو الناتج المتوقع من متماكب trans. وبينما تسبب الطاقة الحرارية حركة براونية عشوائية للمواد المتفاعلة، توفر الطاقة الميكانيكية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية اتجاهاً للحركات الذرية. ولذلك، توجّه تأثيرات التجويف الطاقة بكفاءة من خلال إجهاد الجزيء، مما يعيد تشكيل سطح طاقة الوضع.
أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار، مثل UP400St ، تكثّف تخليق الجسيمات النانوية. والمسار الكيميائي الصوتي بسيط وفعّال وسريع، ويعمل بمواد كيميائية غير سامة في ظروف معتدلة.
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء للكيمياء الصوتية
توفر Hielscher Ultrasonics أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية للمختبرات والصناعة. وجميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher قوية للغاية ومتينة، ومصممة للتشغيل المستمر 24/7 تحت الحمل الكامل. ويُعدّ التحكم الرقمي، والإعدادات القابلة للبرمجة، ومراقبة درجة الحرارة، والتسجيل التلقائي للبيانات، والتحكم عن بُعد عبر المتصفح، بعضاً من ميزات أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher. وتُصمَّم معدات Hielscher Ultrasonics لتحقيق أداء عالٍ وتشغيل مريح، ويقدّر المستخدمون سهولة التعامل معها وأمانه. وتوفر أجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher سعات تصل إلى 200µm، وهي مثالية للتطبيقات الشاقة. وللحصول على سعات أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية.
يعطيكم الجدول أدناه فكرة عن قدرة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
اتصلوا بنا! / اسألونا!
تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المختبري والتجريبي والصناعي.
المؤلفات / المراجع
- 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.
تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء بأحجام تتراوح من الحجم المختبري إلى الحجم الصناعي.