Sonokimya və sonokimyəvi reaktorlar
Sonokimya kimyəvi reaksiyaları (sintez, kataliz, parçalanma, polimerləşmə, hidroliz və s.) başlatmaq, sürətləndirmək və dəyişdirmək üçün yüksək intensivlikli ultrasəsin istifadə olunduğu kimya sahəsidir. Ultrasəs vasitəsilə yaradılan kavitasiya kimyəvi reaksiyaları təşviq edən və intensivləşdirən, yüksək enerji sıxlığına malik unikal şəraitlə səciyyələnir. Reaksiyaların daha yüksək sürəti, daha yüksək məhsul çıxımı və ekoloji cəhətdən əlverişli, daha yumşaq reagentlərin istifadəsi sonokimyanı təkmilləşdirilmiş kimyəvi reaksiyalar əldə etmək üçün çox faydalı vasitəyə çevirir.
Sonokimya
Sonokimya yüksək intensivlikli ultrasəs emalının (məsələn, 20 kHz) tətbiqi nəticəsində molekulların kimyəvi reaksiyaya girdiyi tədqiqat və emal sahəsidir. Sonokimyəvi reaksiyalara səbəb olan hadisə akustik kavitasiyadır. Akustik və ya ultrasəs kavitasiyası güclü ultrasəs dalğalarının enerjisi mayeyə və ya suspenziyaya ötürüldükdə baş verir. Güclü ultrasəs dalğalarının mayedə yaratdığı növbələşən yüksək təzyiq / aşağı təzyiq dövrləri nəticəsində bir neçə təzyiq dövrü ərzində böyüyən vakuum qabarcıqları (kavitasiya boşluqları) yaranır. Kavitasiya vakuum qabarcığı daha çox enerji uda bilmədiyi müəyyən ölçüyə çatdıqda şiddətlə içəriyə doğru çökür və çox yüksək enerji sıxlığına malik isti nöqtə yaradır. Yerli olaraq yaranan bu isti nöqtə çox yüksək temperatur, təzyiq və son dərəcə sürətli maye şırnaqlarının mikroaxınları ilə səciyyələnir.
Paslanmayan poladdan hazırlanmış qapalı dövri reaktor aşağıdakı cihazla təchiz edilmişdir: ultrasəs cihazı UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustik kavitasiya və yüksək intensivlikli ultrasəs emalının təsirləri
Çox vaxt ultrasəs kavitasiyası da adlandırılan akustik kavitasiyanın iki forması fərqləndirilir: sabit və keçici kavitasiya. Sabit kavitasiya zamanı kavitasiya qabarcığı öz tarazlıq radiusu ətrafında dəfələrlə rəqs edir, keçici kavitasiya zamanı isə qısaömürlü qabarcığın həcmi bir neçə akustik dövr ərzində kəskin dəyişir və proses şiddətli çökmə ilə başa çatır (Suslick 1988). Məhlulda sabit və keçici kavitasiya eyni vaxtda baş verə bilər və sabit kavitasiyaya məruz qalan qabarcıq keçici kavitasiya boşluğuna çevrilə bilər. Keçici kavitasiya və yüksək intensivlikli ultrasəs emalı üçün səciyyəvi olan qabarcığın içəriyə doğru çökməsi müxtəlif fiziki şərait, o cümlədən 5000–25.000 K kimi çox yüksək temperatur, bir neçə 1000 bar-a qədər təzyiq və sürəti 1000m/s-ə qədər olan maye axınları yaradır. Kavitasiya qabarcıqlarının çökməsi bir nanosaniyədən də az müddətdə baş verdiyinə görə, 1011 K/s-dən artıq çox yüksək qızma və soyuma sürətləri müşahidə edilə bilər. Belə yüksək qızma sürətləri və təzyiq fərqləri reaksiyaları başlada və sürətləndirə bilər. Yaranan maye axınlarına gəldikdə, bu yüksək sürətli mikroşırnaqlar heterogen bərk–maye suspenziyalarında xüsusilə böyük fayda verir. Maye şırnaqları çökən qabarcığın tam temperaturu və təzyiqi ilə səthə çırpılır, hissəciklərarası toqquşmalar vasitəsilə eroziyaya, eləcə də yerli əriməyə səbəb olur. Nəticədə məhlulda kütlə ötürülməsinin əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdığı müşahidə edilir.
Ultrasəs kavitasiyası aşağı buxar təzyiqinə malik mayelərdə və həlledicilərdə ən effektiv şəkildə yaradılır. Buna görə də aşağı buxar təzyiqinə malik mühitlər sonokimyəvi tətbiqlər üçün əlverişlidir.
Ultrasəs kavitasiyası nəticəsində yaranan güclü qüvvələr reaksiyaların gediş yollarını daha səmərəli istiqamətlərə dəyişə bilər; bununla da daha tam çevrilmələrin və/və ya arzuolunmaz əlavə məhsulların yaranmasının qarşısı alınır.
Kavitasiya qabarcıqlarının çökməsi nəticəsində yaranan yüksək enerji sıxlığına malik sahə isti nöqtə adlanır. 20kHz diapazonunda aşağı tezlikli, yüksək güclü ultrasəsin və yüksək amplitudalar yaratmaq imkanının intensiv isti nöqtələrin və əlverişli sonokimyəvi şəraitin yaradılmasında istifadəsi geniş şəkildə təsdiqlənmişdir.
Ultrasəs laboratoriya avadanlıqları, eləcə də kommersiya sonokimyəvi prosesləri üçün sənaye ultrasəs reaktorları asanlıqla əldə edilə bilir və laboratoriya, pilot və tam sənaye miqyasında etibarlı, səmərəli və ekoloji cəhətdən əlverişli olduqları sübut edilmişdir. Sonokimyəvi reaksiyalar dövri proses kimi (yəni açıq qabda) və ya qapalı axın hüceyrəli reaktordan istifadə etməklə axın prosesində həyata keçirilə bilər.
Sonosintez
Sonosintez və ya sonokimyəvi sintez kimyəvi reaksiyaları başlatmaq və təşviq etmək üçün ultrasəs vasitəsilə yaradılan kavitasiyanın tətbiqidir. Yüksək güclü ultrasəs emalı (məsələn, 20 kHz-də) molekullara və kimyəvi rabitələrə güclü təsir göstərir. Məsələn, intensiv ultrasəs emalından yaranan sonokimyəvi təsirlər molekulların parçalanmasına, sərbəst radikalların yaranmasına və/və ya kimyəvi reaksiyaların gediş yollarının dəyişməsinə səbəb ola bilər. Buna görə də sonokimyəvi sintez geniş çeşiddə nanostrukturlu materialların hazırlanması və ya dəyişdirilməsi üçün intensiv şəkildə istifadə olunur. Sonosintez vasitəsilə istehsal edilən nanomateriallara nanohissəciklər (NPs) (məsələn, qızıl NPs, gümüş NPs), piqmentlər, nüvə–qabıq quruluşlu nanohissəciklər, nanohidroksiapatit, metal–üzvi karkaslar (MOFs), aktiv əczaçılıq inqrediyentləri (APIs), mikrosferlərlə bəzədilmiş nanohissəciklər, nanokompozitlər və bir çox digər materiallar daxildir.
Nümunələr: Yağ turşularının metil efirlərinin (biodizel) ultrasəs vasitəsilə transesterifikasiyası və ya poliolların ultrasəsdən istifadə etməklə transesterifikasiyası.
Optimal şəraitdə sonokimyəvi yolla sintez edilmiş gümüş nanohissəciklərinin (Ag-NPs) TEM təsviri (A) və onların hissəcik ölçülərinin paylanması (B).
Ultrasəs vasitəsilə təşviq edilən kristallaşma (sonokristallaşma) da geniş tətbiq olunur. Bu prosesdə güclü ultrasəs ifrat doymuş məhlullar hazırlamaq, kristallaşmanı / çökməni başlatmaq və ultrasəs prosesinin parametrləri vasitəsilə kristalların ölçüsünü və morfologiyasını idarə etmək üçün istifadə olunur. Sonokristallaşma haqqında daha çox məlumat əldə etmək üçün buraya klikləyin!
Sonokataliz
Kimyəvi suspenziyanın və ya məhlulun ultrasəslə emalı katalitik reaksiyaları əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilər. Sonokimyəvi enerji reaksiya müddətini azaldır, istilik və kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırır; bu da sonradan kimyəvi reaksiyaların sürət sabitlərinin, məhsul çıxımının və seçiciliyin artmasına səbəb olur.
Güclü ultrasəsin və onun sonokimyəvi təsirlərinin tətbiqindən çox böyük fayda əldə edən çoxsaylı katalitik proseslər mövcuddur. İki və ya daha çox qarışmayan mayenin və ya maye–bərk tərkibin iştirak etdiyi istənilən heterogen fazalararası transfer katalizi (PTC) reaksiyası ultrasəs emalından, sonokimyəvi enerjidən və yaxşılaşmış kütlə ötürülməsindən faydalanır.
Məsələn, fenolun suda ultrasəssiz və ultrasəs dəstəkli katalitik yaş peroksid oksidləşməsinin müqayisəli təhlili göstərmişdir ki, ultrasəs emalı reaksiyanın enerji baryerini azaldır, lakin reaksiyanın gediş yoluna təsir etmir. Ultrasəs emalı zamanı fenolun RuI3 katalizatoru üzərində oksidləşməsinin aktivləşmə enerjisinin 13 kJ mol-1 olduğu müəyyən edilmişdir; bu, ultrasəssiz oksidləşmə prosesi ilə müqayisədə dörd dəfə kiçik idi (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonokimyəvi kataliz kimyəvi məhsulların hazırlanması, eləcə də metallar, ərintilər, metal birləşmələri, qeyri-metal materiallar və qeyri-üzvi kompozitlər kimi mikro- və nanostrukturlu qeyri-üzvi materialların istehsalı üçün uğurla istifadə olunur. Ultrasəs dəstəkli PTC-nin geniş yayılmış nümunələri sərbəst yağ turşularının metil efirinə (biodizel) transesterifikasiyası, hidroliz, bitki yağlarının sabunlaşması, sono-Fenton reaksiyası (Fenton tipli proseslər), sonokatalitik parçalanma və s.-dir.
Sonokataliz və konkret tətbiqlər haqqında daha çox oxuyun!
Ultrasəs emalı azid–alkin siklobirləşmə reaksiyaları kimi klik kimyası reaksiyalarını yaxşılaşdırır!
Digər sonokimyəvi tətbiqlər
Çoxşaxəli istifadəsi, etibarlılığı və sadə istismarı sayəsində UP400St və ya UIP2000hdT kimi sonokimyəvi sistemlər kimyəvi reaksiyalar üçün səmərəli avadanlıq kimi qiymətləndirilir. Hielscher Ultrasonics sonokimyəvi cihazları sonokimyəvi axın hüceyrəsindən istifadə etməklə dövri (açıq stəkanda) və fasiləsiz axında ultrasəs emalı üçün asanlıqla istifadə edilə bilər. Sonosintez, sonokataliz, parçalanma və ya polimerləşmə daxil olmaqla sonokimya kimya, nanotexnologiya, materialşünaslıq, əczaçılıq, mikrobiologiya və digər sənaye sahələrində geniş istifadə olunur.
Sənaye ultrasəs cihazı UIP2000hdT (2kW) sonokimyəvi axın reaktoru ilə.
Yüksək məhsuldarlıqlı sonokimyəvi avadanlıq
Hielscher Ultrasonics səmərəli və etibarlı sonokimyəvi reaksiyalar üçün innovativ, ən müasir ultrasəs cihazlarının, sonokimyəvi axın hüceyrələrinin, reaktorların və aksesuarların aparıcı təchizatçınızdır. Bütün Hielscher ultrasəs cihazları yalnız Hielscher Ultrasonics şirkətinin Almaniyanın Teltow şəhərindəki (Berlin yaxınlığında) baş qərargahında layihələndirilir, istehsal olunur və sınaqdan keçirilir. Ən yüksək texniki standartlara, üstün möhkəmliyə və yüksək səmərəli iş üçün 24/7/365 istismar imkanına əlavə olaraq, Hielscher ultrasəs cihazlarını idarə etmək asan və etibarlıdır. Yüksək səmərəlilik, ağıllı proqram təminatı, intuitiv menyu, məlumatların avtomatik qeydə alınması və brauzer vasitəsilə uzaqdan idarəetmə Hielscher Ultrasonics şirkətini digər sonokimyəvi avadanlıq istehsalçılarından fərqləndirən xüsusiyyətlərdən yalnız bir neçəsidir.
Dəqiq tənzimlənən amplitudalar
Amplituda sonotrodun (ultrasəs zondu və ya buynuzu da adlandırılır) ön hissəsindəki (ucundakı) yerdəyişmədir və ultrasəs kavitasiyasına təsir edən əsas amildir. Daha yüksək amplitudalar daha intensiv kavitasiya deməkdir. Tələb olunan kavitasiya intensivliyi reaksiyanın növündən, istifadə edilən kimyəvi reagentlərdən və konkret sonokimyəvi reaksiyanın hədəflənən nəticələrindən güclü şəkildə asılıdır. Bu o deməkdir ki, akustik kavitasiyanın intensivliyini ideal səviyyəyə uyğunlaşdırmaq üçün amplituda dəqiq tənzimlənə bilməlidir. Bütün Hielscher ultrasəs cihazları ağıllı rəqəmsal idarəetmə vasitəsilə ideal amplitudaya etibarlı və dəqiq şəkildə tənzimlənə bilər. Amplitudanı mexaniki olaraq azaltmaq və ya artırmaq üçün əlavə olaraq gücləndirici buynuzlardan istifadə edilə bilər. Ultrasonics şirkətinin sənaye ultrasəs prosessorları çox yüksək amplitudalar təmin edə bilər. 200µm-ə qədər amplitudalarda 24/7 rejimində fasiləsiz iş asanlıqla həyata keçirilə bilər. Daha yüksək amplitudalar üçün xüsusi hazırlanmış ultrasəs sonotrodları mövcuddur.
Sonokimyəvi reaksiyalar zamanı temperaturun dəqiq idarə edilməsi
Kavitasiya isti nöqtəsində bir çox min dərəcə Selsiyə çatan son dərəcə yüksək temperatur müşahidə edilə bilər. Lakin bu ifrat temperatur yerli olaraq içəriyə doğru çökən kavitasiya qabarcığının çox kiçik daxili sahəsi və ətrafı ilə məhdudlaşır. Məhlulun ümumi həcmində bir və ya bir neçə kavitasiya qabarcığının çökməsindən yaranan temperatur artımı cüzidir. Lakin daha uzun müddət ərzində fasiləsiz, intensiv ultrasəs emalı mayenin ümumi həcmində temperaturun tədricən artmasına səbəb ola bilər. Temperaturun bu artımı bir çox kimyəvi reaksiyaya kömək edir və çox vaxt faydalı hesab olunur. Bununla belə, müxtəlif kimyəvi reaksiyaların optimal reaksiya temperaturları fərqlidir. İstiliyə həssas materiallar emal edildikdə temperaturun idarə edilməsi zəruri ola bilər. Sonokimyəvi proseslər zamanı ideal istilik şəraitini təmin etmək üçün Hielscher Ultrasonics temperaturun dəqiq idarə edilməsinə yönəlmiş müxtəlif təkmil həllər, məsələn, soyutma köynəkləri ilə təchiz olunmuş sonokimyəvi reaktorlar və axın hüceyrələri təklif edir.
Sonokimyəvi axın hüceyrələrimiz və reaktorlarımız istiliyin səmərəli uzaqlaşdırılmasını təmin edən soyutma köynəkləri ilə təklif olunur. Temperaturun fasiləsiz monitorinqi üçün Hielscher ultrasəs cihazları mayenin ümumi həcmində temperaturu daim ölçmək məqsədilə mayeyə daxil edilə bilən qoşulan temperatur sensoru ilə təchiz olunur. Təkmil proqram təminatı temperatur diapazonunu təyin etməyə imkan verir. Temperatur həddi aşıldıqda ultrasəs cihazı mayenin temperaturu müəyyən edilmiş qiymətə düşənədək avtomatik olaraq dayanır və sonra ultrasəs emalını avtomatik şəkildə yenidən başladır. Bütün temperatur ölçmələri, eləcə də ultrasəs prosesinin digər mühüm məlumatları daxili SD kartda avtomatik qeydə alınır və prosesə nəzarət üçün asanlıqla nəzərdən keçirilə bilər.
Temperatur sonokimyəvi proseslərin həlledici parametridir. Hielscher şirkətinin təkmil texnologiyası sonokimyəvi tətbiqinizin temperaturunu ideal temperatur diapazonunda saxlamağa kömək edir.
- yüksək səmərəlilik
- ən müasir texnologiya
- asan və təhlükəsiz istismar
- etibarlılıq və möhkəmlik
- dövri və axın rejimi
- istənilən həcm üçün
- ağıllı proqram təminatı
- ağıllı funksiyalar (məsələn, məlumatların qeydə alınması)
- CIP (yerində təmizləmə)
Sonokimyəvi reaktor: intensiv ultrasəs emalı və nəticədə yaranan kavitasiya kimyəvi reaksiyaları başladır və intensivləşdirir, hətta reaksiyaların gediş yollarını da dəyişə bilər.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü haqqında təsəvvür yaradır:
| Dövri emal həcmi | Axın 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 | cihaz 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.
Ultrasəslə yaxşılaşdırılmış kimyəvi reaksiyaların ənənəvi reaksiyalarla müqayisəsinə dair nümunələr
Aşağıdakı cədvəl bir neçə geniş yayılmış kimyəvi reaksiyaya ümumi baxış təqdim edir. Hər reaksiya növü üçün ənənəvi üsulla aparılan reaksiya ultrasəslə intensivləşdirilmiş reaksiya ilə məhsul çıxımı və çevrilmə sürəti baxımından müqayisə olunur.
| 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 monoəvəzlənmiş 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-yodonitrobenzolun UIllmann qoşulması | 2 h | 2h | 1,5%-dən az | 70,4% |
| Reformatsky reaksiyası | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(bax: Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Proseslərin intensivləşdirilməsinin əsasları, birinci nəşr. 2019-cu ildə Wiley tərəfindən nəşr edilmişdir)
Ədəbiyyat / İstinadlar
- 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 Ultrasonics aşağıdakı ölçü diapazonunda yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir: laboratoriya ölçüsündən başlayaraq sənaye ölçüsünədək.