Sonokimyəvi reaksiyalar və sintez
Sonokimya ultrasəsin kimyəvi reaksiyalara və proseslərə tətbiqidir. Mayelərdə sonokimyəvi təsirlərə səbəb olan mexanizm akustik kavitasiya hadisəsidir.
Hielscher ultrasəs laboratoriya və sənaye cihazları geniş çeşidli sonokimyəvi proseslərdə istifadə olunur. Ultrasəs kavitasiyası sintez və kataliz kimi kimyəvi reaksiyaları intensivləşdirir və sürətləndirir.
Sonokimyəvi reaksiyalar
Kimyəvi reaksiyalarda və proseslərdə aşağıdakı sonokimyəvi təsirlər müşahidə oluna bilər:
- reaksiya sürətinin artması
- reaksiya məhsulunun çıxımının artması
- enerjidən daha səmərəli istifadə
- reaksiya yolunun dəyişdirilməsi üçün sonokimyəvi üsullar
- fazalararası keçid katalizatorlarının effektivliyinin artırılması
- fazalararası keçid katalizatorlarından istifadədən yayınma
- təmizlənməmiş və ya texniki təmizlik dərəcəli reagentlərdən istifadə
- metalların və bərk maddələrin aktivləşdirilməsi
- reagentlərin və ya katalizatorların reaksiya qabiliyyətinin artması (ultrasəsin köməyi ilə aparılan kataliz haqqında ətraflı oxumaq üçün buraya klikləyin)
- hissəciklərin sintezinin təkmilləşdirilməsi
- nanohissəciklərin örtüklənməsi
7 ultrasəs homogenizatoru – UIP1000hdT modeli (7x 1kW ultrasəs gücü) sənaye miqyasında sonokimyəvi reaksiyalar üçün klaster şəklində quraşdırılmışdır.
Ultrasəslə intensivləşdirilən kimyəvi reaksiyaların üstünlükləri
Ultrasəslə stimullaşdırılan kimyəvi reaksiyalar kimyəvi sintez və emal sahəsində proseslərin intensivləşdirilməsi üçün oturuşmuş bir texnikadır. Ultrasəs dalğalarının gücündən istifadə etməklə bu reaksiyalar ənənəvi üsullarla müqayisədə çoxsaylı üstünlüklər təmin edir, kimyəvi katalizi və sintezi təkmilləşdirir. Çox yüksək çevrilmə sürətləri, əla məhsul çıxımları, artırılmış selektivlik, yaxşılaşdırılmış enerji səmərəliliyi və ətraf mühitə təsirin azalması sonokimyəvi reaksiyaların əsas üstünlükləridir.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəslə stimullaşdırılan reaksiyanın ənənəvi kimyəvi reaksiyalarla müqayisədə bəzi mühüm üstünlüklərini göstərir:
| Reaksiya | Reaksiya müddəti Ənənəvi üsul |
Reaksiya müddəti Ultrasəs |
Məhsul çıxımı Ənənəvi üsul (%) |
Məhsul çıxımı Ultrasəs (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder siklləşməsi | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| İndanın indan-1-ona oksidləşməsi | 3 h | 3 h | 27%-dən az | 73% |
| Metoksiaminosilanın reduksiyası | reaksiya baş vermir | 3 h | 0% | 100% |
| Uzun zəncirli doymamış yağ turşusu efirlərinin epoksidləşməsi | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Arilalkanların oksidləşməsi | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Nitroalkanların birəvəzli α,β-doymamış efirlərə Michael birləşməsi | 2 gün | 2 h | 85% | 90% |
| 2-oktanolun permanqanatla oksidləşməsi | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| CLaisen-Schmidt kondensasiyası ilə xalkonların sintezi | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| 2-yodnitrobenzolun UIllmann qoşulma reaksiyası | 2 h | 2h | 1,5%-dən az | 70,4% |
| Reformatsky reaksiyası | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Mayelərdə ultrasəs kavitasiyası
Kavitasiya mayedə qabarcıqların əmələ gəlməsi, böyüməsi və içəriyə doğru çökməsidir. Kavitasiya qabarcıqlarının çökməsi intensiv yerli qızma (~5000 K), yüksək təzyiqlər (~1000 atm), son dərəcə yüksək qızma və soyuma sürətləri (>10⁹ K/sec), eləcə də maye şırnaqları (~400 km/h) yaradır. (Suslick 1998)
Kavitasiya yaratmaq üçün istifadə olunan cihaz UIP1000hd:
Kavitasiya qabarcıqları vakuum qabarcıqlarıdır. Vakuum bir tərəfdə sürətlə hərəkət edən səth, digər tərəfdə isə inert maye tərəfindən yaradılır. Yaranan təzyiq fərqləri maye daxilindəki koheziya və adheziya qüvvələrini aşmağa xidmət edir.
Kavitasiya Venturi ucluqları, yüksək təzyiqli ucluqlar, yüksək sürətli fırlanma və ya ultrasəs çeviriciləri kimi müxtəlif üsullarla yaradıla bilər. Bütün bu sistemlərdə daxil olan enerji sürtünməyə, turbulentliyə, dalğalara və kavitasiyaya çevrilir. Daxil olan enerjinin kavitasiyaya çevrilən hissəsi kavitasiya yaradan avadanlığın mayedəki hərəkətini təsvir edən bir neçə amildən asılıdır.
Təcilin intensivliyi enerjinin səmərəli şəkildə kavitasiyaya çevrilməsinə təsir edən ən mühüm amillərdən biridir. Daha yüksək təcil daha böyük təzyiq fərqləri yaradır. Bu isə mayedə yayılan dalğaların əmələ gəlməsi əvəzinə vakuum qabarcıqlarının əmələ gəlmə ehtimalını artırır. Beləliklə, təcil nə qədər yüksək olarsa, enerjinin kavitasiyaya çevrilən hissəsi də bir o qədər çox olar. Ultrasəs çeviricisində təcilin intensivliyi rəqsin amplitudası ilə təsvir olunur.
Daha yüksək amplitudalar kavitasiyanın daha effektiv yaranmasına səbəb olur. Hielscher Ultrasonics şirkətinin sənaye cihazları 115 µm-ə qədər amplitudalar yarada bilər. Bu yüksək amplitudalar gücün yüksək ötürülmə nisbətini təmin edir və bu da öz növbəsində 100 W/cm³-ə qədər yüksək güc sıxlıqları yaratmağa imkan verir.
İntensivliklə yanaşı, mayeyə elə təcil verilməlidir ki, turbulentlik, sürtünmə və dalğa yaranması baxımından itkilər minimum olsun. Bunun üçün optimal üsul hərəkətin bir istiqamətdə olmasıdır.
Sonokimyəvi təsirlə gücləndirilmiş axın daxilində transesterifikasiya üçün 16.000 vatt gücündə ultrasəs reaktoru.
- metal duzlarının reduksiyası ilə aktivləşdirilmiş metalların hazırlanması
- ultrasəslə emal vasitəsilə aktivləşdirilmiş metalların əldə edilməsi
- metal (Fe, Cr, Mn, Co) oksidlərinin çökdürülməsi ilə hissəciklərin sonokimyəvi sintezi, məsələn, katalizator kimi istifadə üçün
- daşıyıcıların metallarla və ya metal halogenidləri ilə hopdurulması
- aktivləşdirilmiş metal məhlullarının hazırlanması
- in situ yaradılan elementüzvi kimyəvi növlər vasitəsilə metalların iştirak etdiyi reaksiyalar
- qeyri-metal bərk maddələrin iştirak etdiyi reaksiyalar
- metalların, ərintilərin, zeolithes və digər bərk maddələrin kristallaşdırılması və çökdürülməsi
- hissəciklərarası yüksək sürətli toqquşmalar vasitəsilə səth morfologiyasının və hissəcik ölçüsünün dəyişdirilməsi
- böyük səth sahəsinə malik keçid metalları, ərintilər, karbidlər, oksidlər və kolloidlər daxil olmaqla amorf nanostrukturlu materialların əmələ gəlməsi
- kristalların aqqlomerasiyası
- passivləşdirici oksid örtüyünün hamarlanması və aradan qaldırılması
- kiçik hissəciklərin mikromanipulyasiyası (fraksiyalara ayrılması)
- bərk maddələrin dispersləşdirilməsi
- kolloidlərin hazırlanması (Ag, Au, Q ölçülü CdS)
- qonaq molekulların qeyri-üzvi laylı bərk ev sahibi materiallara interkalyasiyası
- polimerlərin sonokimyası
- polimerlərin parçalanması və modifikasiyası
- polimerlərin sintezi
- suda üzvi çirkləndiricilərin sonolizi
Sonokimyəvi avadanlıq
Qeyd olunan sonokimyəvi proseslərin əksəriyyəti yenidən təchiz edilərək axın daxilində işləməyə uyğunlaşdırıla bilər. Emal ehtiyaclarınız üçün sonokimyəvi avadanlıq seçməkdə sizə məmnuniyyətlə kömək edərik. Tədqiqat və proseslərin sınaqdan keçirilməsi üçün tövsiyəmiz laboratoriya cihazlarımız və ya UIP1000hdT dəstidir.
Tələb olunduqda, FM və ATEX sertifikatlı ultrasəs cihazları və reaktorları (məsələn, UIP1000-Exd) təhlükəli mühitlərdə alışan kimyəvi maddələrin və məhsul formulalarının ultrasəslə emalı üçün mövcuddur.
Ultrasəs kavitasiyası halqanın açılması reaksiyalarını dəyişdirir
Ultrasəslə emal kimyəvi reaksiyaları başlatmaq üçün istilik, təzyiq, işıq və ya elektrikə alternativ mexanizmdir. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth və onların komandası Urbana-Champaign şəhərindəki İllinoys Universitetinin Kimya fakültəsində halqanın açılması reaksiyalarını başlatmaq və idarə etmək üçün ultrasəs gücündən istifadə etmişlər. Ultrasəslə emal zamanı kimyəvi reaksiyalar orbital simmetriya qaydalarının proqnozlaşdırdığı məhsullardan fərqli məhsullar yaratmışdır (Nature 2007, 446, 423). Qrup mexaniki təsirə həssas 1,2-diəvəzli benzosiklobuten izomerlərini iki polietilenqlikol zəncirinə bağlamış, ultrasəs enerjisi tətbiq etmiş və məhlulları bütövlükdə təhlil etmək üçün C13 nüvə maqnit rezonans spektroskopiyasından istifadə etmişdir. Spektrlər göstərmişdir ki, həm sis, həm də trans izomerlər eyni halqası açılmış məhsulu – trans izomerdən gözlənilən məhsulu verir. İstilik enerjisi reagentlərin təsadüfi Broun hərəkətinə səbəb olduğu halda, ultrasəslə emalın mexaniki enerjisi atomların hərəkətlərinə istiqamət verir. Buna görə də kavitasiya təsirləri molekulu gərərək və potensial enerji səthini yenidən formalaşdıraraq enerjini səmərəli şəkildə istiqamətləndirir.
Zond tipli ultrasəs cihazları, məsələn, UP400St, nanohissəciklərin sintezini intensivləşdirir. Sonokimyəvi yol sadə, effektiv və sürətlidir, mülayim şəraitdə toksik olmayan kimyəvi maddələrlə işləyir.
Sonokimya üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazları
Hielscher Ultrasonics laboratoriya və sənaye üçün ultrasəs prosessorları təchiz edir. Bütün Hielscher ultrasəs cihazları çox güclü və möhkəm ultrasəs maşınlarıdır və tam yük altında fasiləsiz 24/7 işləmək üçün hazırlanmışdır. Rəqəmsal idarəetmə, proqramlaşdırıla bilən parametrlər, temperaturun monitorinqi, məlumatların avtomatik qeydə alınması və brauzer vasitəsilə uzaqdan idarəetmə Hielscher ultrasəs cihazlarının xüsusiyyətlərindən yalnız bir neçəsidir. Yüksək məhsuldarlıq və rahat istismar üçün nəzərdə tutulan Hielscher Ultrasonics avadanlığının təhlükəsiz və asan istifadəsi istifadəçilər tərəfindən yüksək qiymətləndirilir. Hielscher sənaye ultrasəs prosessorları 200µm-ə qədər amplitudalar təmin edir və ağır iş rejimli tətbiqlər üçün idealdır. Daha yüksək amplitudalar üçün xüsusi hazırlanmış ultrasəs sonotrodları mövcuddur.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü haqqında təsəvvür yaradır:
| Partiyanın həcmi | Həcm sərfi | Tövsiyə olunan cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha yüksək | cihazlar klasteri: UIP16000 |
Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizə sual verin!
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, pilot və sənaye miqyasında qarışdırma tətbiqləri, dispersləşdirmə, emulsiyalaşdırma və ekstraksiya üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir.
Ədəbiyyat / İstinadlar
- 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 yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorlarını bu ölçü diapazonunda istehsal edir: laboratoriya ölçüsündən başlayaraq sənaye ölçüsünə qədər.