Сонохимични реакции и синтез
Сонохимията е прилагането на ултразвук към химични реакции и процеси. Механизмът, причиняващ сонохимични ефекти в течностите, е феноменът акустична кавитация.
Ултразвуковите лабораторни и промишлени устройства на Hielscher се използват в широк спектър от сонохимични процеси. Ултразвуковата кавитация засилва и ускорява химични реакции като синтез и катализа.
Сонохимични реакции
Следните сонохимични ефекти могат да се наблюдават при химични реакции и процеси:
- увеличаване на скоростта на реакция
- увеличаване на изхода на реакцията
- по-ефективно използване на енергията
- Сонохимични методи за превключване на реакционния път
- подобряване на производителността на катализаторите за фазов трансфер
- избягване на катализатори за фазов трансфер
- използване на суров или технически реактиви
- активиране на метали и твърди вещества
- повишаване на реактивността на реактивите или катализаторите (Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковата катализа)
- подобряване на синтеза на частици
- покритие от наночастици
Предимства на ултразвуково засилените химични реакции
Ултразвуково насърчаваните химични реакции са утвърдена техника за интензификация на процесите в областта на химичния синтез и обработка. Използвайки силата на ултразвуковите вълни, тези реакции предлагат множество предимства пред конвенционалните методи, подобрявайки химическата катализа и синтеза. Турбо бързите скорости на преобразуване, отличните добиви, подобрената селективност, подобрената енергийна ефективност и намаленото въздействие върху околната среда са основните предимства на сонохимичните реакции.
Издухването на таблицата показва някои видни предимства на ултразвуково насърчаваната реакция в сравнение с конвенционалните химични реакции:
Реакция | Време за реакция Конвенционалните |
Време за реакция ултразвук |
отстъпвам Конвенционални (%) |
отстъпвам Ултразвук (%) |
---|---|---|---|---|
Циклизация на Дийлс-Алдер | 35 ч. | 3,5 ч. | 77.9 | 97.3 |
Окисляване на индан до индан-1-он | 3 ч. | 3 ч. | по-малко от 27% | 73% |
Намаляване на метоксиаминосилан | няма реакция | 3 ч. | 0% | 100% |
Епоксидация на дълговерижни ненаситени мастни естери | 2 ч. | 15 минути | 48% | 92% |
Окисляване на арилалкани | 4 ч. | 4 ч. | 12% | 80% |
Майкъл добавя нитроалкани към монозаместени α,β-ненаситени естери | 2 дни | 2 ч. | 85% | 90% |
Перманганатно окисление на 2-октанол | 5 ч. | 5 ч. | 3% | 93% |
Синтез на халкони чрез кондензация на Клайзен-Шмид | 60 мин | 10 минути | 5% | 76% |
UIllmann свързване на 2-йодонитробензен | 2 ч. | 2Ч | по-малко тен 1.5% | 70.4% |
Реакция на Реформатски | 12 ч. | 30 минути | 50% | 98% |
Ултразвукова кавитация в течности
Кавитация, т.е. образуване, растеж и имплозивен колапс на мехурчета в течност. Кавитационният колапс води до интензивно локално нагряване (~5000 K), високо налягане (~1000 атм) и огромни скорости на нагряване и охлаждане (>109 K/sec) и течни струйни потоци (~400 km/h). (Suslick 1998)
Кавитация с помощта на UIP1000hd:
Кавитационните мехурчета са вакуумни мехурчета. Вакуумът се създава от бързо движеща се повърхност от едната страна и инертна течност от другата. Получените разлики в налягането служат за преодоляване на силите на кохезия и сцепление в течността.
Кавитацията може да се произвежда по различни начини, като дюзи на Вентури, дюзи за високо налягане, въртене с висока скорост или ултразвукови преобразуватели. Във всички тези системи входящата енергия се трансформира в триене, турбуленции, вълни и кавитация. Частта от входящата енергия, която се трансформира в кавитация, зависи от няколко фактора, описващи движението на оборудването за генериране на кавитация в течността.
Интензивността на ускорението е един от най-важните фактори, влияещи върху ефективното преобразуване на енергията в кавитация. По-високото ускорение създава по-големи разлики в налягането. Това от своя страна увеличава вероятността от създаване на вакуумни мехурчета вместо създаването на вълни, разпространяващи се през течността. По този начин, колкото по-високо е ускорението, толкова по-висока е частта от енергията, която се трансформира в кавитация. В случай на ултразвуков преобразувател интензивността на ускорението се описва с амплитудата на трептене.
По-високите амплитуди водят до по-ефективно създаване на кавитация. Индустриалните устройства на Hielscher Ultrasonics могат да създават амплитуди до 115 μm. Тези високи амплитуди позволяват високо съотношение на предаване на мощност, което от своя страна позволява да се създаде висока плътност на мощността до 100 W/cm³.
В допълнение към интензивността, течността трябва да се ускори по начин, който да създава минимални загуби по отношение на турбуленции, триене и генериране на вълни. За това оптималният начин е едностранна посока на движение.
- Получаване на активни метали чрез редукция на метални соли
- генериране на активирани метали чрез ултразвук
- сонохимичен синтез на частици чрез утаяване на метални (Fe, Cr, Mn, Co) оксиди, например за използване като катализатори
- импрегниране на метали или метални халогениди върху опори
- Приготвяне на активни метални разтвори
- реакции, включващи метали, чрез генерирани in situ органоелементи
- реакции с неметални твърди вещества
- кристализация и утаяване на метали, сплави, зеолити и други твърди вещества
- Промяна на морфологията на повърхността и размера на частиците чрез високоскоростни сблъсъци между частиците
- образуване на аморфни наноструктурирани материали, включително преходни метали с висока повърхност, сплави, карбиди, оксиди и колоиди
- агломерация на кристали
- изглаждане и отстраняване на пасивиращо оксидно покритие
- микроманипулация (фракциониране) на малки частици
- дисперсия на твърди вещества
- получаване на колоиди (Ag, Au, CdS с размер Q)
- интеркалация на гостуващи молекули в неорганични слоести твърди вещества гостоприемници
- Сонохимия на полимерите
- Разграждане и модификация на полимери
- Синтез на полимери
- сонолиза на органични замърсители във вода
Сонохимично оборудване
Повечето от споменатите сонохимични процеси могат да бъдат модернизирани за работа на линия. Ще се радваме да ви помогнем при избора на сонохимическо оборудване за вашите нужди от обработка. За изследване и за тестване на процеси препоръчваме нашите лабораторни устройства или Комплект UIP1000hdT.
Ако е необходимо, сертифицирани FM и ATEX ултразвукови устройства и реактори (напр. UIP1000-Exd) се предлагат за ултразвук на запалими химикали и формулировки на продукти в опасни среди.
Ултразвуковата кавитация променя реакциите на отваряне на пръстена
Ултразвукът е алтернативен механизъм на топлината, налягането, светлината или електричеството за иницииране на химични реакции. Джефри С. Мур, Чарлз Р. Хикенбот и техният екип в Факултет по химия в Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн използва ултразвукова мощност за задействане и манипулиране на реакциите на отваряне на пръстена. При ултразвука химичните реакции генерират продукти, различни от тези, предсказани от правилата за орбитална симетрия (Nature 2007, 446, 423). Групата свързва механично чувствителни 1,2-дизаместени бензоциклобутен-изомери с две полиетиленгликолови вериги, прилага ултразвукова енергия и анализира насипните разтвори с помощта на C13 ядрено-магнитен резонанс спектроскопия. Спектрите показват, че както цис, така и транс изомерите осигуряват един и същ пръстеновидно отворен продукт, този, който се очаква от транс изомера. Докато топлинната енергия причинява произволно Брауново движение на реагентите, механичната енергия на ултразвука осигурява посока на атомните движения. Следователно, кавитационните ефекти ефективно насочват енергията чрез напрягане на молекулата, преоформяйки повърхността на потенциалната енергия.
Високоефективни ултразвукови апарати за сонохимия
Hielscher Ultrasonics доставя ултразвукови процесори за лаборатории и индустрия. Всички ултразвукови апарати Hielscher са много мощни и здрави ултразвукови апарати и са създадени за непрекъсната работа 24/7 при пълно натоварване. Цифрово управление, програмируеми настройки, мониторинг на температурата, автоматично протоколиране на данни и дистанционно управление на браузъра са само някои от функциите на ултразвуковите апарати на Hielscher. Проектиран за висока производителност и удобна работа, потребителите ценят безопасното и лесно боравене с оборудването на Hielscher Ultrasonics. Индустриалните ултразвукови процесори на Hielscher осигуряват амплитуди до 200 μm и са идеални за тежки приложения. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
---|---|---|
1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Литература / Препратки
- 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.