الكيمياء الصوتية والمفاعلات الكيميائية الصوتية
الكيمياء الصوتية هي فرع الكيمياء الذي تُستخدم فيه الموجات فوق الصوتية عالية الشدة لإحداث التفاعلات الكيميائية وتسريعها وتعديلها (التخليق، والتحفيز، والتحلل، والبلمرة، والتحلل المائي، وغيرها). يتميز التجويف المتولد بالموجات فوق الصوتية بظروف فريدة ذات كثافة طاقة عالية، تعزز التفاعلات الكيميائية وتكثفها. وتجعل معدلات التفاعل الأسرع والمردود الأعلى واستخدام الكواشف الصديقة للبيئة والأقل قسوة من الكيمياء الصوتية أداة مفيدة للغاية لتحسين التفاعلات الكيميائية.
الكيمياء الصوتية
الكيمياء الصوتية هي مجال البحث والمعالجة الذي تخضع فيه الجزيئات لتفاعل كيميائي نتيجة تطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة (مثلًا، 20 kHz). والظاهرة المسؤولة عن التفاعلات الكيميائية الصوتية هي التجويف الصوتي. يحدث التجويف الصوتي أو التجويف بالموجات فوق الصوتية عندما تُقرن موجات فوق صوتية قوية بسائل أو معلق كثيف. وبسبب دورات الضغط المرتفع / الضغط المنخفض المتناوبة التي تسببها الموجات فوق الصوتية عالية القدرة في السائل، تتولد فقاعات فراغية (فجوات تجويفية)، وتنمو على مدى عدة دورات ضغط. وعندما تبلغ الفقاعة الفراغية التجويفية حجمًا معينًا لا تستطيع عنده امتصاص المزيد من الطاقة، تنهار بعنف نحو الداخل وتُنشئ بقعة ساخنة ذات كثافة طاقة عالية جدًا. وتتميز هذه البقعة الساخنة الموضعية بدرجات حرارة وضغوط مرتفعة جدًا، وتدفقات دقيقة لنفاثات سائلة فائقة السرعة.
المفاعل المغلق الذي يعمل على دفعات والمصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ مجهز بـ جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
التجويف الصوتي وتأثيرات المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة
يمكن تمييز شكلين من التجويف الصوتي، الذي يُسمى غالبًا أيضًا التجويف بالموجات فوق الصوتية، وهما التجويف المستقر والتجويف العابر. أثناء التجويف المستقر، تتذبذب فقاعة التجويف مرات عديدة حول نصف قطر اتزانها، بينما تخضع الفقاعة قصيرة العمر أثناء التجويف العابر لتغيرات كبيرة في حجمها خلال بضع دورات صوتية، وتنتهي بانهيار عنيف (Suslick 1988). قد يحدث التجويف المستقر والعابر في المحلول في الوقت نفسه، وقد تتحول فقاعة تخضع للتجويف المستقر إلى فجوة تجويفية عابرة. ويُنشئ انهيار الفقاعة نحو الداخل، وهو سمة مميزة للتجويف العابر والمعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة، ظروفًا فيزيائية متنوعة تشمل درجات حرارة مرتفعة جدًا تبلغ 5000–25,000 K، وضغوطًا تصل إلى عدة أضعاف 1000 bar، وتدفقات سائلة بسرعات تصل إلى 1000m/s. ولأن انهيار فقاعات التجويف / انهيارها نحو الداخل يحدث في أقل من نانوثانية، يمكن رصد معدلات تسخين وتبريد مرتفعة جدًا تتجاوز 1011 K/s. ويمكن لمعدلات التسخين المرتفعة وفروق الضغط هذه أن تبدأ التفاعلات وتسرعها. وبالنسبة إلى التدفقات السائلة المتولدة، تُظهر هذه النفاثات الدقيقة عالية السرعة فوائد كبيرة على نحو خاص في المعلقات الكثيفة غير المتجانسة من المواد الصلبة والسائلة. وتصطدم النفاثات السائلة بالسطح بكامل درجة حرارة الفقاعة المنهارة وضغطها، وتسبب التآكل بفعل التصادم بين الجسيمات، وكذلك الانصهار الموضعي. ونتيجة لذلك، يُلاحظ تحسن كبير في انتقال الكتلة في المحلول.
يتولد التجويف بالموجات فوق الصوتية بأعلى فعالية في السوائل والمذيبات ذات ضغوط البخار المنخفضة. لذلك، تُعد الأوساط ذات ضغوط البخار المنخفضة ملائمة لتطبيقات الكيمياء الصوتية.
نتيجةً للتجويف بالموجات فوق الصوتية، يمكن للقوى الشديدة المتولدة أن تحول مسارات التفاعلات إلى مسارات أكثر كفاءة، بحيث يُتجنب حدوث تحولات أكثر اكتمالًا و/أو إنتاج نواتج ثانوية غير مرغوب فيها.
تُسمى المنطقة ذات كثافة الطاقة العالية التي ينشئها انهيار فقاعات التجويف بالبقعة الساخنة. وقد ثبتت فعالية الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية القدرة في نطاق 20kHz، مع القدرة على توليد سعات عالية، في توليد بقع ساخنة شديدة وتهيئة ظروف ملائمة للكيمياء الصوتية.
تتوفر بسهولة معدات المختبر بالموجات فوق الصوتية، وكذلك المفاعلات الصناعية بالموجات فوق الصوتية للعمليات الكيميائية الصوتية التجارية، وقد ثبت أنها موثوقة وفعالة وصديقة للبيئة على النطاق المخبري والتجريبي والصناعي الكامل. ويمكن إجراء التفاعلات الكيميائية الصوتية على دفعات (أي في وعاء مفتوح) أو كعملية ضمن خط الإنتاج باستخدام مفاعل مغلق بخلية تدفق.
التخليق بالموجات فوق الصوتية
التخليق بالموجات فوق الصوتية، أو التخليق الكيميائي الصوتي، هو تطبيق التجويف المتولد بالموجات فوق الصوتية لبدء التفاعلات الكيميائية وتعزيزها. وتُظهر المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة (مثلًا، عند 20 kHz) تأثيرات قوية في الجزيئات والروابط الكيميائية. فعلى سبيل المثال، قد تؤدي التأثيرات الكيميائية الصوتية الناتجة عن المعالجة المكثفة بالموجات فوق الصوتية إلى شطر الجزيئات، وتوليد الجذور الحرة، و/أو تغيير المسارات الكيميائية. ولذلك يُستخدم التخليق الكيميائي الصوتي بكثافة لإنتاج مجموعة واسعة من المواد ذات البنى النانوية أو تعديلها. ومن أمثلة المواد النانوية المنتجة بالتخليق بالموجات فوق الصوتية الجسيمات النانوية (NPs) (مثل جسيمات الذهب النانوية وجسيمات الفضة النانوية)، والأصباغ، والجسيمات النانوية ذات اللب والقشرة، الهيدروكسي أباتيت النانوي, الأطر الفلزية العضوية (MOFs)، والمكونات الصيدلانية الفعالة (APIs)، والجسيمات النانوية المزينة بكريات مجهرية، والمركبات النانوية، من بين مواد عديدة أخرى.
أمثلة: الأسترة التبادلية لإسترات ميثيل الأحماض الدهنية (الديزل الحيوي) بالموجات فوق الصوتية أو الأسترة التبادلية للبوليولات باستخدام الموجات فوق الصوتية.
صورة بالمجهر الإلكتروني النافذ TEM (A) وتوزيع أحجام الجسيمات (B) لجسيمات الفضة النانوية (Ag-NPs)، التي خُلقت كيميائيًا بالموجات فوق الصوتية في ظروف مثلى.
يُطبق أيضًا على نطاق واسع التبلور المعزز بالموجات فوق الصوتية (التبلور الصوتي)، حيث تُستخدم الموجات فوق الصوتية عالية القدرة لإنتاج محاليل فوق مشبعة، وبدء التبلور / الترسيب، والتحكم في حجم البلورات وشكلها من خلال معلمات عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية. انقر هنا لمعرفة المزيد عن التبلور بالموجات فوق الصوتية!
التحفيز بالموجات فوق الصوتية
يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لمعلق أو محلول كيميائي أن تحسن التفاعلات التحفيزية بدرجة كبيرة. وتقلل الطاقة الكيميائية الصوتية زمن التفاعل، وتحسن انتقال الحرارة والكتلة، مما يؤدي لاحقًا إلى زيادة ثوابت سرعة التفاعل الكيميائي والمردود والانتقائية.
توجد عمليات تحفيزية عديدة تستفيد بدرجة كبيرة من تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة وتأثيراتها الكيميائية الصوتية. ويستفيد أي تفاعل تحفيز بانتقال الطور (PTC) غير متجانس يشتمل على سائلين غير ممتزجين أو أكثر، أو على تركيب من سائل ومادة صلبة، من المعالجة بالموجات فوق الصوتية والطاقة الكيميائية الصوتية وتحسن انتقال الكتلة.
فعلى سبيل المثال، كشف التحليل المقارن للأكسدة التحفيزية الرطبة للفينول بالبيروكسيد في الماء، دون موجات فوق صوتية وبمساعدتها، أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية خفضت حاجز طاقة التفاعل، لكنها لم تؤثر في مساره. ووُجد أن طاقة التنشيط لأكسدة الفينول باستخدام RuI3 بوصفه حفازًا أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية بلغت 13 kJ mol-1، وهي أقل بأربع مرات مقارنةً بعملية الأكسدة دون موجات فوق صوتية (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
يُستخدم التحفيز الكيميائي الصوتي بنجاح لإنتاج المنتجات الكيميائية، وكذلك لتصنيع المواد غير العضوية ذات البنى الميكرونية والنانوية، مثل الفلزات والسبائك والمركبات الفلزية والمواد غير الفلزية والمركبات غير العضوية المركبة. ومن الأمثلة الشائعة لتحفيز انتقال الطور PTC بمساعدة الموجات فوق الصوتية الأسترة التبادلية للأحماض الدهنية الحرة إلى إستر الميثيل (الديزل الحيوي)، والتحلل المائي، وتصبين الزيوت النباتية، وتفاعل فنتون بالموجات فوق الصوتية (العمليات الشبيهة بفنتون)، والتحلل بالتحفيز الصوتي، وغيرها.
اقرأ المزيد عن التحفيز بالموجات فوق الصوتية وتطبيقاته المحددة!
تحسن المعالجة بالموجات فوق الصوتية كيمياء النقر، مثل تفاعلات الإضافة الحلقية للأزيد والألكاين!
تطبيقات أخرى للكيمياء الصوتية
نظرًا إلى تعدد استخدامات أنظمة الكيمياء الصوتية وموثوقيتها وسهولة تشغيلها، فإن أنظمة مثل UP400St أو UIP2000hdT تُعد معدات فعالة للتفاعلات الكيميائية. ويمكن استخدام أجهزة الكيمياء الصوتية من Hielscher Ultrasonics بسهولة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية على دفعات (في كأس مفتوح) وللمعالجة المستمرة ضمن خط الإنتاج باستخدام خلية تدفق كيميائية صوتية. وتُستخدم الكيمياء الصوتية، بما فيها التخليق والتحفيز بالموجات فوق الصوتية والتحلل والبلمرة، على نطاق واسع في الكيمياء وتقنية النانو وعلوم المواد والمستحضرات الصيدلانية وعلم الأحياء الدقيقة، وكذلك في صناعات أخرى.
جهاز معالجة صناعي بالموجات فوق الصوتية UIP2000hdT (2kW) مع مفاعل كيميائي صوتي ضمن خط الإنتاج.
معدات الكيمياء الصوتية عالية الأداء
تُعد Hielscher Ultrasonics موردك الرائد لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية المبتكرة والمتطورة، وخلايا التدفق الكيميائية الصوتية والمفاعلات والملحقات، لإجراء تفاعلات كيميائية صوتية فعالة وموثوقة. تُصمم جميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher وتُصنع وتُختبر حصريًا في مقر Hielscher Ultrasonics في Teltow (بالقرب من برلين)، ألمانيا. وإلى جانب أعلى المعايير التقنية والمتانة الاستثنائية والتشغيل 24/7/365 بكفاءة عالية، تتميز أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة التشغيل وموثوقيته. والكفاءة العالية والبرمجيات الذكية والقائمة سهلة الاستخدام والتسجيل التلقائي للبيانات والتحكم عن بُعد عبر المتصفح ليست سوى بعض الميزات التي تميز Hielscher Ultrasonics عن غيرها من مصنعي معدات الكيمياء الصوتية.
سعات قابلة للضبط بدقة
السعة هي الإزاحة عند مقدمة السونوترود (طرفه)، المعروف أيضًا باسم المسبار أو البوق فوق الصوتي، وهي العامل الرئيسي المؤثر في التجويف بالموجات فوق الصوتية. وتعني السعات الأعلى تجويفًا أشد. وتعتمد شدة التجويف المطلوبة بدرجة كبيرة على نوع التفاعل والكواشف الكيميائية المستخدمة والنتائج المستهدفة للتفاعل الكيميائي الصوتي المحدد. وهذا يعني أن السعة يجب أن تكون قابلة للضبط بدقة لمواءمة شدة التجويف الصوتي مع المستوى المثالي. ويمكن ضبط جميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بموثوقية ودقة على السعة المثالية باستخدام نظام تحكم رقمي ذكي. ويمكن أيضًا استخدام أبواق تعزيز لخفض السعة أو زيادتها ميكانيكيًا. وتستطيع معالجات الموجات فوق الصوتية الصناعية من Ultrasonics توفير سعات عالية جدًا. ويمكن بسهولة التشغيل المستمر بسعات تصل إلى 200µm على مدار 24/7. وللسعات الأعلى من ذلك، تتوفر سونوترودات فوق صوتية مصممة حسب الطلب.
تحكم دقيق في درجة الحرارة أثناء التفاعلات الكيميائية الصوتية
يمكن رصد درجات حرارة مرتفعة للغاية تبلغ عدة آلاف من الدرجات المئوية في البقعة الساخنة الناتجة عن التجويف. إلا أن درجات الحرارة القصوى هذه تقتصر موضعيًا على الحيز الداخلي المتناهي الصغر لفقاعة التجويف المنهارة نحو الداخل والمنطقة المحيطة بها. وفي كتلة المحلول، تكون الزيادة في درجة الحرارة الناتجة عن انهيار فقاعة تجويف واحدة أو بضع فقاعات ضئيلة جدًا. لكن المعالجة المستمرة والمكثفة بالموجات فوق الصوتية لفترات أطول قد تسبب زيادة تدريجية في درجة حرارة كتلة السائل. وتسهم هذه الزيادة في درجة الحرارة في العديد من التفاعلات الكيميائية، وغالبًا ما تُعد مفيدة. إلا أن التفاعلات الكيميائية المختلفة لها درجات حرارة مثلى مختلفة. وعند معالجة مواد حساسة للحرارة، قد يكون التحكم في درجة الحرارة ضروريًا. ولتوفير ظروف حرارية مثالية أثناء العمليات الكيميائية الصوتية، تقدم Hielscher Ultrasonics حلولًا متطورة متنوعة للتحكم الدقيق في درجة الحرارة أثناء هذه العمليات، مثل المفاعلات الكيميائية الصوتية وخلايا التدفق المجهزة بأغلفة تبريد.
تتوفر خلايا التدفق والمفاعلات الكيميائية الصوتية لدينا بأغلفة تبريد تساعد على تبديد الحرارة بفعالية. وللمراقبة المستمرة لدرجة الحرارة، تُجهز أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بمستشعر درجة حرارة قابل للتوصيل، يمكن إدخاله في السائل للقياس المستمر لدرجة حرارة كتلة السائل. وتتيح البرمجيات المتطورة تحديد نطاق لدرجة الحرارة. وعند تجاوز حد درجة الحرارة، يتوقف جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية تلقائيًا مؤقتًا حتى تنخفض درجة حرارة السائل إلى نقطة ضبط محددة، ثم يستأنف المعالجة بالموجات فوق الصوتية تلقائيًا. وتُسجل جميع قياسات درجة الحرارة، إلى جانب بيانات عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية المهمة الأخرى، تلقائيًا على بطاقة SD مدمجة، ويمكن مراجعتها بسهولة للتحكم في العملية.
درجة الحرارة معلمة حاسمة في العمليات الكيميائية الصوتية. وتساعدك تقنية Hielscher المتطورة على إبقاء درجة حرارة تطبيقك الكيميائي الصوتي ضمن النطاق المثالي.
- كفاءة عالية
- تقنية متطورة
- سهولة التشغيل وأمانه
- الموثوقية والمتانة
- المعالجة على دفعات وضمن خط الإنتاج
- لأي حجم
- برمجيات ذكية
- ميزات ذكية (مثل تسجيل البيانات)
- CIP (التنظيف في المكان)
مفاعل كيميائي صوتي: تبدأ المعالجة المكثفة بالموجات فوق الصوتية والتجويف الناتج عنها التفاعلات الكيميائية وتكثفها، ويمكنها حتى تغيير مساراتها.
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على القدرة التقريبية لمعالجة المواد بأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| 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 |
تواصل معنا! / اسألنا!
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المخبري والتجريبي والصناعي.
أمثلة على التفاعلات الكيميائية المحسنة بالموجات فوق الصوتية مقارنةً بالتفاعلات التقليدية
يقدم الجدول أدناه نظرة عامة على عدة تفاعلات كيميائية شائعة. ولكل نوع من التفاعلات، تُقارن التفاعلات المنفذة تقليديًا بالتفاعلات المكثفة بالموجات فوق الصوتية من حيث المردود وسرعة التحول.
| التفاعل | زمن التفاعل – بالطريقة التقليدية | زمن التفاعل – بالموجات فوق الصوتية | المردود – بالطريقة التقليدية (%) | المردود – بالموجات فوق الصوتية (%) |
|---|---|---|---|---|
| تكوين الحلقة 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 الميثوكسي أمينو سيلان | لا يحدث تفاعل | 3 h | 0% | 100% |
| إبوكسدة الإسترات الدهنية غير المشبعة طويلة السلسلة | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| أكسدة الأريل ألكانات | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| إضافة Michael للنيترو ألكانات إلى الإسترات أحادية الاستبدال غير المشبعة عند α,β | 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% |
(راجع Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification، الطبعة الأولى. نُشر عام 2019 بواسطة Wiley)
المؤلفات / المراجع
- 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.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء تتراوح أحجامها من النطاق المخبري إلى النطاق الصناعي.