Sonokimya və Sonokimyəvi Reaktorlar
Sonokimya kimyəvi reaksiyaları (sintez, kataliz, parçalanma, polimerləşmə, hidroliz və s.) induksiya etmək, sürətləndirmək və dəyişdirmək üçün yüksək intensivlikli ultrasəsin istifadə edildiyi kimya sahəsidir. Ultrasonik olaraq yaradılan kavitasiya kimyəvi reaksiyaları təşviq edən və gücləndirən unikal enerji sıxlığı ilə xarakterizə olunur. Daha sürətli reaksiya dərəcələri, daha yüksək məhsuldarlıq və yaşıl, daha yumşaq reagentlərin istifadəsi təkmilləşdirilmiş kimyəvi reaksiyalar əldə etmək üçün sonokimyanı çox sərfəli alətə çevirir.
Sonokimya
Sonokimya yüksək intensivlikli ultrasəs (məsələn, 20 kHz) tətbiqi səbəbindən molekulların kimyəvi reaksiyaya məruz qaldığı tədqiqat və emal sahəsidir. Sonokimyəvi reaksiyalardan məsul olan fenomen akustik kavitasiyadır. Akustik və ya ultrasəs kavitasiyası güclü ultrasəs dalğaları bir maye və ya çamura birləşdirildikdə baş verir. Mayedə güclü ultrasəs dalğalarının yaratdığı alternativ yüksək təzyiq/aşağı təzyiq dövrləri səbəbindən bir neçə təzyiq dövrü ərzində böyüyən vakuum qabarcıqları (kavitasiya boşluqları) əmələ gəlir. Kavitasiyalı vakuum qabarcığı daha çox enerji udmaq mümkün olmayan müəyyən ölçüyə çatdıqda, vakuum qabarcığı şiddətlə partlayır və yüksək enerji sıxlığı olan qaynar nöqtə yaradır. Bu yerli qaynar nöqtə çox yüksək temperaturlar, təzyiqlər və son dərəcə sürətli maye reaktivlərinin mikro axını ilə xarakterizə olunur.
Paslanmayan poladdan hazırlanmış qapalı partiya reaktoru ilə təchiz edilmişdir ultrasəs cihazı UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustik kavitasiya və yüksək intensivlikli ultrasəs effektləri
Tez-tez ultrasəs kavitasiyası adlanan akustik kavitasiya sabit və keçici kavitasiya olmaqla iki formada fərqlənə bilər. Stabil kavitasiya zamanı kavitasiya qabarcığı öz tarazlıq radiusu ətrafında dəfələrlə yellənir, keçici kavitasiya zamanı isə qısa müddətli qabarcıq bir neçə akustik dövrədə kəskin həcm dəyişikliyinə məruz qalır və şiddətli çökmə ilə sona çatır (Suslick 1988). Məhlulda sabit və keçici kavitasiya eyni vaxtda baş verə bilər və sabit kavitasiyaya məruz qalan qabarcıq keçici boşluğa çevrilə bilər. Keçici kavitasiya və yüksək intensivlikli sonikasiya üçün xarakterik olan qabarcıq partlaması 5000–25.000 K çox yüksək temperatur, bir neçə 1000 bara qədər təzyiq və 1000 m/s-ə qədər sürətlə maye axınları daxil olmaqla müxtəlif fiziki şərait yaradır. Kavitasiya qabarcıqlarının çökməsi/partlaması bir nanosaniyədən az müddətdə baş verdiyi üçün çox yüksək istilik və soyutma sürətləri 10-dan çox olur.11 K/s müşahidə edilə bilər. Belə yüksək istilik dərəcələri və təzyiq fərqləri reaksiyaları başlada və sürətləndirə bilər. Baş verən maye axınlarına gəldikdə, bu yüksək sürətli mikrojetlər, heterojen bərk-maye şlamlarına gəldikdə xüsusilə yüksək faydalar göstərir. Maye reaktivləri çökən qabarcığın tam temperaturu və təzyiqi ilə səthə dəyir və hissəciklər arası toqquşma, eləcə də lokal ərimə yolu ilə eroziyaya səbəb olur. Nəticədə, məhlulda əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşmış kütlə ötürülməsi müşahidə olunur.
Ultrasonik kavitasiya aşağı buxar təzyiqi olan mayelərdə və həlledicilərdə ən effektiv şəkildə əmələ gəlir. Buna görə də, aşağı buxar təzyiqləri olan media sonokimyəvi tətbiqlər üçün əlverişlidir.
Ultrasonik kavitasiya nəticəsində yaranan intensiv qüvvələr reaksiyaların yollarını daha səmərəli marşrutlara keçirə bilər ki, daha tam çevrilmələr və/və ya arzuolunmaz yan məhsulların istehsalının qarşısı alınsın.
Kavitasiya qabarcıqlarının dağılması nəticəsində yaranan enerji sıx məkanına qaynar nöqtə deyilir. 20 kHz diapazonunda aşağı tezlikli, yüksək güclü ultrasəs və yüksək amplitüdlər yaratmaq qabiliyyəti intensiv qaynar nöqtələrin yaranması və əlverişli sonokimyəvi şərait üçün yaxşı qurulmuşdur.
Ultrasəs laboratoriya avadanlığı, eləcə də kommersiya sonokimyəvi proseslər üçün sənaye ultrasəs reaktorları asanlıqla mövcuddur və laboratoriya, pilot və tam sənaye miqyasında etibarlı, səmərəli və ətraf mühitə uyğun olduğu sübut edilmişdir. Sonokimyəvi reaksiyalar qapalı axın hüceyrə reaktorundan istifadə edərək toplu (yəni, açıq qab) və ya in-line proses kimi həyata keçirilə bilər.
sono-sintez
Sono-sintez və ya sonokimyəvi sintez kimyəvi reaksiyaları başlatmaq və təşviq etmək üçün ultrasəslə yaradılan kavitasiyanın tətbiqidir. Yüksək güclü ultrasəsləmə (məsələn, 20 kHz-də) molekullara və kimyəvi bağlara güclü təsir göstərir. Məsələn, intensiv sonikasiya nəticəsində yaranan sonokimyəvi təsirlər molekulların parçalanması, sərbəst radikalların yaranması və/və ya kimyəvi yolların dəyişdirilməsi ilə nəticələnə bilər. Sonokimyəvi sintez buna görə də geniş nano-strukturlu materialların istehsalı və ya modifikasiyası üçün intensiv şəkildə istifadə olunur. Sonosintez yolu ilə əldə edilən nanomateriallara misal olaraq nanohissəciklər (NP) (məsələn, qızıl NPs, gümüş NP), piqmentlər, nüvəli nanohissəciklər, nanohidroksiapatit, metal üzvi çərçivələr (MOFs), aktiv əczaçılıq inqrediyentləri (API), mikrosferlə bəzədilmiş nanohissəciklər, bir çox digər materiallar arasında nanokompozitlər.
Nümunələr: Yağ turşusu metil efirlərinin ultrasəs transesterifikasiyası (biodizel) və ya ultrasəs istifadə edərək poliolların transesterifikasiyası.
Optimal şəraitdə sonokimyəvi şəkildə sintez edilmiş gümüş nanohissəciklərin (Ag-NPs) TEM şəkli (A) və onun hissəcik ölçüsü paylanması (B).
Həmçinin geniş tətbiq olunan ultrasəslə təşviq edilən kristallaşmadır (sono-kristallaşma), burada güc-ultrasəs həddindən artıq doymuş məhlullar istehsal etmək, kristallaşmaya / yağışa başlamaq və ultrasəs proses parametrləri vasitəsilə kristal ölçüsünə və morfologiyasına nəzarət etmək üçün istifadə olunur. Sono-kristallaşma haqqında daha çox öyrənmək üçün buraya klikləyin!
sono-kataliz
Kimyəvi suspenziya və ya məhlulun sonikasiyası katalitik reaksiyaları əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilər. Sonokimyəvi enerji reaksiya müddətini azaldır, istilik və kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırır, bu da sonradan kimyəvi sürət sabitlərinin, məhsuldarlığın və seçiciliyin artması ilə nəticələnir.
Güclü ultrasəs tətbiqindən və onun sonokimyəvi təsirindən ciddi şəkildə faydalanan çoxsaylı katalitik proseslər var. İki və ya daha çox qarışmayan maye və ya maye-bərk tərkibini əhatə edən hər hansı bir heterojen faza transfer katalizi (PTC) reaksiyası, sonication, sonokimyəvi enerji və təkmilləşdirilmiş kütlə ötürülməsindən faydalanır.
Məsələn, suda fenolun səssiz və ultrasəs köməyi ilə katalitik yaş peroksid oksidləşməsinin müqayisəli təhlili nəticəsində məlum oldu ki, sonikasiya reaksiyanın enerji maneəsini azaldır, lakin reaksiyanın gedişatına heç bir təsir göstərmir. RuI üzərində fenolun oksidləşməsi üçün aktivləşmə enerjisi3 sonikasiya zamanı katalizatorun 13 kJ mol olduğu müəyyən edilmişdir-1, bu səssiz oksidləşmə prosesi ilə müqayisədə dörd dəfə kiçik idi (57 kJ mol-1). (Rokhina və digərləri, 2010)
Sonokimyəvi kataliz kimyəvi məhsulların istehsalı, eləcə də metallar, ərintilər, metal birləşmələri, qeyri-metal materiallar və qeyri-üzvi kompozitlər kimi mikron və nano-strukturlu qeyri-üzvi materialların istehsalı üçün uğurla istifadə olunur. Ultrasəslə dəstəklənən PTC-nin ümumi nümunələri sərbəst yağ turşularının metil esterinə (biodizelə) transesterifikasiyası, hidroliz, bitki yağlarının sabunlaşması, sono-Fenton reaksiyası (Fenton kimi proseslər), sonokatalitik deqradasiya və s.
Sono-kataliz və xüsusi tətbiqlər haqqında daha çox oxuyun!
Sonication azid-alkin sikloyüklənmə reaksiyaları kimi klik kimyasını yaxşılaşdırır!
Digər Sonokimyəvi Tətbiqlər
Çox yönlü istifadəsi, etibarlılığı və sadə işləməsi sayəsində sonokimyəvi sistemlər, məsələn UP400St və ya UIP2000hdT kimyəvi reaksiyalar üçün səmərəli avadanlıq kimi qiymətləndirilir. Hielscher Ultrasonics sonokimyəvi cihazlar, bir sonokimyəvi axın hüceyrəsindən istifadə edərək toplu (açıq beher) və davamlı inline sonication üçün asanlıqla istifadə edilə bilər. Sonokimya, o cümlədən sono-sintez, sono-kataliz, parçalanma və ya polimerləşmə kimya, nanotexnologiya, materialşünaslıq, əczaçılıq, mikrobiologiya, eləcə də digər sənaye sahələrində geniş istifadə olunur.
sənaye ultrasəs cihazı UIP2000hdT (2kW) sonokimyəvi daxili reaktor ilə.
Yüksək Performanslı Sonokimyəvi Avadanlıq
Hielscher Ultrasonics, səmərəli və etibarlı sonokimyəvi reaksiyalar üçün yenilikçi, ən müasir ultrasəs cihazları, sonokimyəvi axın hüceyrəsi, reaktorlar və aksesuarların ən yaxşı təchizatçısıdır. Bütün Hielscher ultrasəs cihazları yalnız Almaniyanın Teltow şəhərində (Berlin yaxınlığında) Hielscher Ultrasonics qərargahında hazırlanmış, istehsal edilmiş və sınaqdan keçirilmişdir. Yüksək texniki standartlara və üstün möhkəmliyə və yüksək səmərəli əməliyyat üçün 24/7/365 əməliyyatına əlavə olaraq, Hielscher ultrasəs cihazları asan və etibarlıdır. Yüksək səmərəlilik, ağıllı proqram təminatı, intuitiv menyu, məlumatların avtomatik protokollaşdırılması və brauzerin uzaqdan idarə edilməsi Hielscher Ultrasonics-i digər sonokimyəvi avadanlıq istehsalçılarından fərqləndirən bir neçə xüsusiyyətdir.
Dəqiq tənzimlənən amplitüdlər
Amplituda sonotrodun (həmçinin ultrasəs zond və ya buynuz kimi tanınır) ön (ucu) yerdəyişməsidir və ultrasəs kavitasiyasına əsas təsir edən amildir. Daha yüksək amplitüdlər daha sıx kavitasiya deməkdir. Kavitasiyanın tələb olunan intensivliyi reaksiya növündən, istifadə olunan kimyəvi reagentlərdən və xüsusi sonokimyəvi reaksiyanın hədəflənmiş nəticələrindən çox asılıdır. Bu o deməkdir ki, akustik kavitasiyanın intensivliyini ideal səviyyəyə uyğunlaşdırmaq üçün amplituda dəqiq tənzimlənməlidir. Bütün Hielscher ultrasəs cihazları ağıllı rəqəmsal idarəetmə vasitəsilə ideal amplituda etibarlı və dəqiq şəkildə tənzimlənə bilər. Gücləndirici buynuzlar mexaniki olaraq amplitudu azaltmaq və ya artırmaq üçün əlavə olaraq istifadə edilə bilər. Ultrasəs’ sənaye ultrasəs prosessorları çox yüksək amplitüdlər verə bilər. 200µm-ə qədər olan amplitüdlər 24/7 əməliyyatda asanlıqla davamlı olaraq işlədilə bilər. Daha yüksək amplitüdlər üçün xüsusi ultrasəs sonotrodları mövcuddur.
Sonokimyəvi reaksiyalar zamanı dəqiq temperatur nəzarəti
Kavitasiya qaynar nöqtəsində minlərlə dərəcə Selsiyə çatan son dərəcə yüksək temperatur müşahidə edilə bilər. Bununla belə, bu həddindən artıq temperatur lokal olaraq kiçik daxili hissə və partlayan kavitasiya qabarcığının ətrafı ilə məhdudlaşır. Kütləvi məhlulda tək və ya bir neçə kavitasiya qabarcıqlarının partlaması nəticəsində temperaturun yüksəlməsi əhəmiyyətsizdir. Lakin uzun müddət davamlı, intensiv sonikasiya mayenin temperaturunun tədricən artmasına səbəb ola bilər. Temperaturun bu artması bir çox kimyəvi reaksiyalara kömək edir və çox vaxt faydalı hesab olunur. Bununla belə, müxtəlif kimyəvi reaksiyalar fərqli optimal reaksiya temperaturlarına malikdir. İstiliyə həssas materiallar emal edildikdə, temperatur nəzarəti tələb oluna bilər. Sonokimyəvi proseslər zamanı ideal istilik şəraitini təmin etmək üçün Hielscher Ultrasonics, soyuducu gödəkçələrlə təchiz olunmuş sonokimyəvi reaktorlar və axın hüceyrələri kimi sonokimyəvi proseslər zamanı dəqiq temperatur nəzarəti üçün müxtəlif mürəkkəb həllər təklif edir.
Sonokimyəvi axın hüceyrələrimiz və reaktorlarımız effektiv istilik yayılmasını dəstəkləyən soyutma gödəkçələri ilə mövcuddur. Davamlı temperaturun monitorinqi üçün Hielscher ultrasəs cihazları, toplu temperaturun daimi ölçülməsi üçün mayenin içərisinə daxil edilə bilən bir bağlana bilən temperatur sensoru ilə təchiz edilmişdir. Mürəkkəb proqram temperatur diapazonunu təyin etməyə imkan verir. Temperatur həddi keçdikdə, ultrasəs cihazı mayenin temperaturu müəyyən bir təyin edilmiş nöqtəyə enənə qədər avtomatik olaraq fasilə verir və avtomatik olaraq yenidən səslənməyə başlayır. Bütün temperatur ölçmələri, eləcə də digər mühüm ultrasəs proses məlumatları avtomatik olaraq daxili SD kartda qeyd olunur və prosesə nəzarət üçün asanlıqla yenidən nəzərdən keçirilə bilər.
Temperatur sonokimyəvi proseslərin həlledici parametridir. Hielscher-in hazırlanmış texnologiyası, sonokimyəvi tətbiqinizin temperaturunu ideal temperatur aralığında saxlamağa kömək edir.
- yüksək səmərəlilik
- ən müasir texnologiya
- idarə etmək asan və təhlükəsizdir
- etibarlılıq & möhkəmlik
- dəstə & xətdə
- istənilən həcm üçün
- ağıllı proqram təminatı
- ağıllı funksiyalar (məsələn, məlumat protokolu)
- CIP (yerində təmiz)
Sonokimyəvi reaktor: Güclü sonikasiya və nəticədə meydana gələn kavitasiya kimyəvi reaksiyaları başlatır və gücləndirir və hətta yolları dəyişə bilər.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal qabiliyyətinin göstəricisini verir:
| Partiya Həcmi | Axın | Tövsiyə olunan Cihazlar |
|---|---|---|
| 1 ilə 500 ml | 10-200 ml/dəq | UP100H |
| 10 ilə 2000 ml | 20 - 400 ml/dəq | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2 ilə 4L/dəq | UIP2000hdT |
| 10-100 l | 2 ilə 10 L / dəq | UIP4000hdT |
| na | 10-100 l/dəq | UIP16000 |
| na | daha böyük | klaster UIP16000 |
Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizdən soruşun!
Hielscher Ultrasonics, laboratoriya, pilot və sənaye miqyasında qarışdırma tətbiqləri, dispersiya, emulsiya və ekstraksiya üçün yüksək performanslı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir.
Ultrasəslə Təkmilləşdirilmiş Kimyəvi Reaksiyaya qarşı Adi Reaksiyalara nümunələr
Aşağıdakı cədvəl bir neçə ümumi kimyəvi reaksiya haqqında ümumi məlumat verir. Hər bir reaksiya növü üçün ultrasəslə gücləndirilmiş reaksiya ilə şərti olaraq işləyən reaksiya məhsuldarlıq və çevrilmə sürəti ilə müqayisə edilir.
| reaksiya | Reaksiya vaxtı – Ənənəvi | Reaksiya vaxtı – ultrasəs | məhsuldarlıq – şərti (%) | məhsuldarlıq – Ultrasəs (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder siklləşməsi | 35 h | 3,5 saat | 77.9 | 97.3 |
| İndanın indan-1-birə oksidləşməsi | 3 h | 3 h | 27%-dən az | 73% |
| Metoksiaminosilanın azaldılması | reaksiya yoxdur | 3 h | 0% | 100% |
| Uzun zəncirli doymamış yağ efirlərinin epoksidləşməsi | 2 h | 15 dəq | 48% | 92% |
| Arilalkanların oksidləşməsi | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Maykl nitroalkanların monoəvəz edilmiş α,β-doymamış efirlərə əlavə edilməsi | 2 gün | 2 h | 85% | 90% |
| 2-oktanolun permanqanat oksidləşməsi | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| CLaisen-Schmidt kondensasiyası ilə xalkonların sintezi | 60 dəq | 10 dəq | 5% | 76% |
| 2-iyodonitrobenzolun UIllmann birləşməsi | 2 h | 2H | az qara 1,5% | 70,4% |
| Reformatsky reaksiyası | 12h | 30 dəq | 50% | 98% |
(müq. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, Birinci Nəşr. Nəşr 2019-cu ildə Wiley tərəfindən)
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 yüksək performanslı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir laboratoriya üçün sənaye ölçüsü.