سونوكيمياء ومفاعلات سونوكيميائية
Sonochemistry هو مجال الكيمياء حيث يتم استخدام الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة للحث على التفاعلات الكيميائية وتسريعها وتعديلها (التوليف ، الحفز ، التدهور ، البلمرة ، التحلل المائي ، إلخ). يتميز التجويف المتولد بالموجات فوق الصوتية بظروف فريدة كثيفة الطاقة ، والتي تعزز وتكثف التفاعلات الكيميائية. معدلات التفاعل الأسرع والعوائد الأعلى واستخدام الكواشف الخضراء الأكثر اعتدالا تحول الكيمياء الصوتية إلى أداة مفيدة للغاية من أجل الحصول على تفاعلات كيميائية محسنة.
سونوكيمياء
Sonochemistry هو مجال البحث والمعالجة الذي تخضع فيه الجزيئات لتفاعل كيميائي بسبب تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة (على سبيل المثال ، 20 كيلو هرتز). الظاهرة المسؤولة عن التفاعلات الكيميائية الصوتية هي التجويف الصوتي. يحدث التجويف الصوتي أو بالموجات فوق الصوتية عندما تقترن الموجات فوق الصوتية القوية بسائل أو ملاط. بسبب دورات الضغط العالي / الضغط المنخفض المتناوبة التي تسببها موجات الموجات فوق الصوتية القوية في السائل ، يتم إنشاء فقاعات فراغ (فراغات التجويف) ، والتي تنمو على مدى عدة دورات ضغط. عندما تصل فقاعة الفراغ التجويفي إلى حجم معين حيث لا يمكنها امتصاص المزيد من الطاقة ، تنفجر فقاعة الفراغ بعنف وتخلق نقطة ساخنة كثيفة الطاقة. تتميز هذه البقعة الساخنة التي تحدث محليا بدرجات حرارة عالية جدا وضغوط وتدفق دقيق للنفاثات السائلة السريعة للغاية.
تم تجهيز مفاعل الدفعات المغلق المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ ب الموجات فوق الصوتية UIP2000hdT (2kW ، 20kHz).
التجويف الصوتي وآثار الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة
يمكن تمييز التجويف الصوتي ، الذي يطلق عليه غالبا التجويف بالموجات فوق الصوتية ، إلى شكلين ، التجويف المستقر والعابر. أثناء التجويف المستقر ، تتذبذب فقاعة التجويف عدة مرات حول نصف قطر توازنها ، بينما أثناء التجويف العابر ، حيث تخضع الفقاعة قصيرة العمر لتغيرات جذرية في الحجم في بضع دورات صوتية وتنتهي بانهيار عنيف (Suslick 1988). قد يحدث التجويف المستقر والعابر في وقت واحد في المحلول وقد تصبح الفقاعة التي تخضع لتجويف مستقر تجويفا عابرا. يخلق انفجار الفقاعة ، الذي يتميز بالتجويف العابر والصوتنة عالية الكثافة ، ظروفا فيزيائية مختلفة بما في ذلك درجات حرارة عالية جدا تتراوح بين 5000 و 25000 كلفن ، وضغوط تصل إلى عدة 1000 بار ، وتيارات سائلة بسرعات تصل إلى 1000 م / ث. نظرا لأن انهيار / انفجار فقاعات التجويف يحدث في أقل من نانوثانية ، فإن معدلات التسخين والتبريد العالية جدا تزيد عن 1011 K / ثانية يمكن ملاحظتها. يمكن لمعدلات التسخين العالية وفروق الضغط هذه بدء وتسريع التفاعلات. فيما يتعلق بالتيارات السائلة التي تحدث ، تظهر هذه النفاثات الدقيقة عالية السرعة فوائد عالية بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بالملاط الصلب والسائل غير المتجانس. تصطدم النفاثات السائلة بالسطح بدرجة الحرارة والضغط الكاملين للفقاعة المنهارة وتسبب التآكل عن طريق الاصطدام بين الجسيمات وكذلك الذوبان الموضعي. وبالتالي ، لوحظ تحسن كبير في نقل الكتلة في المحلول.
يتم إنشاء التجويف بالموجات فوق الصوتية بشكل أكثر فعالية في السوائل والمذيبات مع ضغوط بخار منخفضة. لذلك ، فإن الوسائط ذات ضغوط البخار المنخفضة مواتية للتطبيقات الكيميائية الصوتية.
نتيجة للتجويف بالموجات فوق الصوتية ، يمكن للقوى الشديدة التي تم إنشاؤها تبديل مسارات ردود الفعل إلى طرق أكثر كفاءة ، بحيث يتم تجنب التحويلات الأكثر اكتمالا و / أو إنتاج المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها.
تسمى المساحة كثيفة الطاقة الناتجة عن انهيار فقاعات التجويف بالبقعة الساخنة. الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية الطاقة في نطاق 20 كيلو هرتز والقدرة على إنشاء سعات عالية راسخة لتوليد النقاط الساخنة الشديدة والظروف الكيميائية الملائمة.
معدات المختبرات بالموجات فوق الصوتية وكذلك المفاعلات بالموجات فوق الصوتية الصناعية للعمليات الكيميائية التجارية متاحة بسهولة وثبت أنها موثوقة وفعالة وصديقة للبيئة على نطاق المختبر والطيار والصناعي بالكامل. يمكن إجراء تفاعلات Sonochemical كدفعة (أي وعاء مفتوح) أو عملية في الخط باستخدام مفاعل خلية تدفق مغلق.
سونو التوليف
توليف سونو أو التوليف الكيميائي هو تطبيق التجويف المتولد بالموجات فوق الصوتية من أجل بدء وتعزيز التفاعلات الكيميائية. الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة (على سبيل المثال ، عند 20 كيلو هرتز) تظهر تأثيرات قوية على الجزيئات والروابط الكيميائية. على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي التأثيرات الكيميائية الناتجة عن الصوتنة الشديدة إلى تقسيم الجزيئات ، وخلق الجذور الحرة ، و / أو تبديل المسارات الكيميائية. لذلك يستخدم تخليق Sonochemical بشكل مكثف لتصنيع أو تعديل مجموعة واسعة من المواد ذات البنية النانوية. ومن الأمثلة على المواد النانوية المنتجة عن طريق تخليق سونو الجسيمات النانوية (NPs) (على سبيل المثال ، NPs الذهبية ، NPs الفضية) ، الأصباغ ، الجسيمات النانوية ذات القشرة الأساسية ، نانو هيدروكسيباتيت, الأطر العضوية المعدنية (MOFs)، والمكونات الصيدلانية النشطة (APIs) ، والجسيمات النانوية المزينة بالمجهرية ، والمركبات النانوية من بين العديد من المواد الأخرى.
امثله: الأسترة بالموجات فوق الصوتية من استرات ميثيل الأحماض الدهنية (وقود الديزل الحيوي) أو الأسترة العابرة للبوليولات باستخدام الموجات فوق الصوتية.
صورة TEM (A) وتوزيع حجم الجسيمات (B) لجسيمات الفضة النانوية (Ag-NPs) ، والتي تم تصنيعها كيميائيا في ظل الظروف المثلى.
كما يتم تطبيقه على نطاق واسع هو التبلور المعزز بالموجات فوق الصوتية (تبلور سونو) ، حيث يتم استخدام الموجات فوق الصوتية للطاقة لإنتاج محاليل فائقة التشبع ، لبدء التبلور / الترسيب ، والتحكم في حجم البلورة والتشكل عبر معلمات العملية بالموجات فوق الصوتية. انقر هنا لمعرفة المزيد عن تبلور سونو!
سونو الحفز
يمكن أن يؤدي Sonicing إلى تعليق أو محلول كيميائي إلى تحسين التفاعلات الحفازة بشكل كبير. تقلل الطاقة الكيميائية من وقت التفاعل ، وتحسن الحرارة ونقل الكتلة ، مما يؤدي لاحقا إلى زيادة ثوابت المعدل الكيميائي والغلة والانتقائية.
هناك العديد من العمليات التحفيزية ، والتي تستفيد بشكل كبير من تطبيق الموجات فوق الصوتية للطاقة وآثارها سونوكيميائية. أي تفاعل تحفيز نقل الطور غير المتجانس (PTC) يتضمن سائلين غير قابلين للامتزاج أو تركيبة سائلة صلبة ، يستفيد من الصوتنة والطاقة الكيميائية الصوتية ونقل الكتلة المحسن.
على سبيل المثال ، كشف التحليل المقارن لأكسدة بيروكسيد البيروكسيد الرطب التحفيزي الصامت وبمساعدة الموجات فوق الصوتية للفينول في الماء أن الصوتنة قللت من حاجز الطاقة للتفاعل ، ولكن لم يكن لها أي تأثير على مسار التفاعل. طاقة التنشيط لأكسدة الفينول على RuI3 تم العثور على محفز أثناء صوتنة ليكون 13 كيلو جول مول-1، والتي كانت أصغر بأربع مرات مقارنة بعملية الأكسدة الصامتة (57 كيلو جول مول-1). (روخينا وآخرون ، 2010)
يستخدم التحفيز الكيميائي Sonochemical بنجاح لتصنيع المنتجات الكيميائية وكذلك تصنيع المواد غير العضوية ذات البنية الميكرونية والنانوية مثل المعادن والسبائك والمركبات المعدنية والمواد غير المعدنية والمركبات غير العضوية. الأمثلة الشائعة على PTC بمساعدة الموجات فوق الصوتية هي الأسترة العابرة للأحماض الدهنية الحرة إلى إستر الميثيل (وقود الديزل الحيوي) ، والتحلل المائي ، وتصبن الزيوت النباتية ، وتفاعل سونو فنتون (عمليات تشبه الفنتون) ، وتدهور التحفيز الصوتي وما إلى ذلك.
اقرأ المزيد عن تحفيز سونو وتطبيقات محددة!
يحسن Sonication كيمياء النقر مثل تفاعلات الإضافة الحلقية للأكاين-ألكين!
تطبيقات سونوكيميائية أخرى
نظرا لاستخدامها متعدد الاستخدامات وموثوقيتها وتشغيلها البسيط ، فإن أنظمة سونوكيميكان مثل UP400St أو UIP2000hdT يتم تقييمها كمعدات فعالة للتفاعلات الكيميائية. Hielscher الموجات فوق الصوتية الأجهزة sonochemical يمكن استخدامها بسهولة للدفعة (دورق مفتوح) وصوتنة مضمنة مستمرة باستخدام خلية تدفق سونوكيميائية. تستخدم Sonochemistry بما في ذلك تخليق سونو أو تحفيز سونو أو تدهور أو بلمرة على نطاق واسع في الكيمياء وتكنولوجيا النانو وعلوم المواد والمستحضرات الصيدلانية وعلم الأحياء الدقيقة وكذلك في الصناعات الأخرى.
الموجات فوق الصوتية الصناعية UIP2000hdT (2kW) مع مفاعل مضمن سونوكيميائي.
معدات سونوكيماوية عالية الأداء
Hielscher الفوق صوتيات هو المورد الرئيسي الخاص بك من مبتكرة، للدولة من بين الفن الموجات فوق الصوتية، خلية التدفق سونوكيميائي، والمفاعلات والملحقات لتفاعلات سونوكيميائية فعالة وموثوق بها. يتم تصميم جميع الموجات فوق الصوتية Hielscher حصرا وتصنيعها واختبارها في مقر Hielscher Ultrasonics في Teltow (بالقرب من برلين)، ألمانيا. إلى جانب أعلى المعايير التقنية والمتانة المتميزة وعملية 24/7/365 لعملية عالية الكفاءة، الموجات فوق الصوتية Hielscher سهلة وموثوق بها للعمل. كفاءة عالية، والبرامج الذكية، والقائمة بديهية، وبروتوكول البيانات التلقائي والتحكم عن بعد متصفح ليست سوى عدد قليل من الميزات التي تميز Hielscher Ultrasonics من غيرها من الشركات المصنعة للمعدات sonochemical.
سعات قابلة للتعديل بدقة
السعة هي الإزاحة في مقدمة (طرف) سونوترودي (المعروف أيضا باسم مسبار الموجات فوق الصوتية أو القرن) وهو العامل المؤثر الرئيسي للتجويف بالموجات فوق الصوتية. السعات الأعلى تعني تجويفا أكثر كثافة. تعتمد شدة التجويف المطلوبة بشدة على نوع التفاعل والكواشف الكيميائية المستخدمة والنتائج المستهدفة للتفاعل الكيميائي المحدد. هذا يعني أن السعة يجب أن تكون قابلة للتعديل بدقة من أجل ضبط شدة التجويف الصوتي إلى المستوى المثالي. يمكن تعديل جميع الموجات فوق الصوتية Hielscher بشكل موثوق ودقيق عبر التحكم الرقمي الذكي إلى السعة المثالية. يمكن استخدام الأبواق المعززة بشكل إضافي لتقليل السعة أو زيادتها ميكانيكيا. الموجات فوق الصوتية’ يمكن للمعالجات بالموجات فوق الصوتية الصناعية تقديم سعات عالية جدا. يمكن تشغيل السعات التي تصل إلى 200 ميكرومتر بسهولة بشكل مستمر في عملية 24/7. للحصول على سعات أعلى ، تتوفر سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية المخصصة.
تحكم دقيق في درجة الحرارة أثناء التفاعلات الكيميائية الصوتية
في بقعة التجويف الساخنة ، يمكن ملاحظة درجات حرارة عالية للغاية تصل إلى عدة آلاف من الدرجات المئوية. ومع ذلك ، فإن درجات الحرارة القصوى هذه تقتصر محليا على المناطق الداخلية الدقيقة والمحيطة بفقاعة التجويف المتفجرة. في الحل السائب ، يكون ارتفاع درجة الحرارة من الانفجار الداخلي لفقاعات تجويف واحدة أو قليلة ضئيلا. لكن الصوتنة المستمرة والمكثفة لفترات أطول يمكن أن تسبب زيادة تدريجية في درجة حرارة السائل السائب. تساهم هذه الزيادة في درجة الحرارة في العديد من التفاعلات الكيميائية وغالبا ما تعتبر مفيدة. ومع ذلك، فإن التفاعلات الكيميائية المختلفة لها درجات حرارة تفاعل مثالية مختلفة. عند معالجة المواد الحساسة للحرارة ، قد يكون التحكم في درجة الحرارة ضروريا. من أجل السماح للظروف الحرارية المثالية خلال عمليات سونوكيميائية، Hielscher الفوق صوتيات يقدم العديد من الحلول المتطورة للتحكم الدقيق في درجة الحرارة خلال العمليات سونوكيميائية، مثل مفاعلات سونوكيميائية وخلايا التدفق مجهزة سترات التبريد.
تتوفر خلايا ومفاعلات التدفق بالموجات فوق الصوتية الكيميائية الخاصة بنا مع سترات التبريد ، والتي تدعم تبديد الحرارة بشكل فعال. لمراقبة درجة الحرارة المستمرة ، تم تجهيز الموجات فوق الصوتية Hielscher مع جهاز استشعار درجة الحرارة للتوصيل ، والتي يمكن إدخالها في السائل لقياس ثابت لدرجة الحرارة السائبة. يسمح البرنامج المتطور بتحديد نطاق درجة الحرارة. عندما يتم تجاوز حد درجة الحرارة ، يتوقف جهاز الموجات فوق الصوتية تلقائيا حتى تنخفض درجة الحرارة في السائل إلى نقطة ضبط معينة ويبدأ تلقائيا في الصوتنة مرة أخرى. يتم تسجيل جميع قياسات درجة الحرارة بالإضافة إلى بيانات العملية بالموجات فوق الصوتية المهمة الأخرى تلقائيا على بطاقة SD مدمجة ويمكن مراجعتها بسهولة للتحكم في العملية.
درجة الحرارة هي معلمة حاسمة لعمليات سونوكيميائية. تقنية Hielscher المتقدمة تساعدك على الحفاظ على درجة حرارة التطبيق سونوكيميائي الخاص بك في نطاق درجة الحرارة المثالي.
- كفاءة عالية
- أحدث التقنيات
- سهل وآمن للعمل
- موثوقيه & متانه
- الدفعه & مضمنه
- لأي وحدة تخزين
- برنامج ذكي
- الميزات الذكية (مثل بروتوكول البيانات)
- التنظيف المكاني (التنظيف المكاني)
مفاعل سونوكيميائي: صوتنة مكثفة والتجويف الناتج يبدأ ويكثف التفاعلات الكيميائية ويمكن تبديل حتى المسارات.
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل / دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
أمثلة على التفاعل الكيميائي المحسن بالموجات فوق الصوتية مقابل التفاعلات التقليدية
يوضح الجدول الآتي نظرة عامة على العديد من التفاعلات الكيميائية الشائعة. لكل نوع تفاعل ، تتم مقارنة التفاعل الذي يتم تشغيله تقليديا مقابل التفاعل المكثف بالموجات فوق الصوتية فيما يتعلق بالعائد وسرعة التحويل.
| رد فعل | وقت رد الفعل – التقليديه | وقت رد الفعل – الموجات فوق الصوتية | أدر – تقليدي (٪) | أدر – الموجات فوق الصوتية (٪) |
|---|---|---|---|---|
| دورة ديلز ألدر | 35 ساعة | 3.5 ساعة | 77.9 | 97.3 |
| أكسدة الإندان إلى الإندان -1-واحد | 3 ساعات | 3 ساعات | أقل من 27٪ | 73% |
| الحد من ميثوكسي أمينوسيلان | لا يوجد رد فعل | 3 ساعات | 0% | 100% |
| إيبوكسيد الإسترات الدهنية غير المشبعة طويلة السلسلة | 2 ساعة | 15 دقيقة | 48% | 92% |
| أكسدة أريلالكانات | 4 ساعات | 4 ساعات | 12% | 80% |
| إضافة مايكل للنيتروألكانات إلى استرات α،β غير المشبعة أحادية الاستبدال | 2 أيام | 2 ساعة | 85% | 90% |
| أكسدة برمنجنات 2-أوكتانول | 5 ساعات | 5 ساعات | 3% | 93% |
| تخليق الكالكونات بواسطة تكثيف كلايسن-شميدت | 60 دقيقة | 10 دقائق | 5% | 76% |
| أاقتران الخيط ل 2-يودونيتروبنزين | 2 ساعة | 2 ساعة | أقل تان 1.5٪ | 70.4% |
| رد فعل Reformatsky | 12 ساعة | 30 دقيقة | 50% | 98% |
(راجع أندريه ستانكيفيتش ، توم فان جيرفن ، جورجيوس ستيفانيديس: أساسيات تكثيف العملية ، الطبعة الأولى. نشرت 2019 من قبل وايلي)
الأدب / 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.
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.