Сонохимични реакции и синтез
Сонохимията представлява прилагането на ултразвук при химични реакции и процеси. Механизмът, който предизвиква сонохимични ефекти в течности, е явлението акустична кавитация.
Лабораторните и промишлените ултразвукови устройства на Hielscher се използват в широк спектър от сонохимични процеси. Ултразвуковата кавитация интензифицира и ускорява химични реакции като синтез и катализа.
Сонохимични реакции
При химични реакции и процеси могат да се наблюдават следните сонохимични ефекти:
- увеличаване на скоростта на реакцията
- увеличаване на количеството получен продукт от реакцията
- по-ефективно използване на енергията
- сонохимични методи за промяна на реакционния път
- подобряване на ефективността на катализаторите за фазов пренос
- избягване на използването на катализатори за фазов пренос
- използване на непречистени реагенти или реагенти с техническа чистота
- активиране на метали и твърди вещества
- увеличаване на реактивоспособността на реагенти или катализатори (щракнете тук, за да прочетете повече за катализата, подпомагана с ултразвук)
- подобряване на синтеза на частици
- нанасяне на покрития върху наночастици
7 ултразвукови хомогенизатора от модела UIP1000hdT (7x 1kW ултразвукова мощност), инсталирани като група за сонохимични реакции в промишлен мащаб.
Предимства на химичните реакции, интензифицирани с ултразвук
Химичните реакции, стимулирани с ултразвук, са утвърден метод за интензифициране на процесите в областта на химичния синтез и преработката. Като използват мощността на ултразвуковите вълни, тези реакции предлагат многобройни предимства пред конвенционалните методи и подобряват химичната катализа и синтеза. Изключително високите скорости на превръщане, отличните добиви, повишената селективност, подобрената енергийна ефективност и намаленото въздействие върху околната среда са основните предимства на сонохимичните реакции.
Таблицата по-долу показва някои съществени предимства на реакциите, стимулирани с ултразвук, спрямо конвенционалните химични реакции:
| Реакция | Време за реакция Конвенционален метод |
Време за реакция Ултразвуков метод |
Добив Конвенционален метод (%) |
Добив Ултразвуков метод (%) |
|---|---|---|---|---|
| Циклизация на Дилс–Алдер | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Окисление на индан до indane-1-one | 3 h | 3 h | по-малко от 27% | 73% |
| Редукция на метоксиаминосилан | няма реакция | 3 h | 0% | 100% |
| Епоксидиране на дълговерижни ненаситени естери на мастни киселини | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Окисление на арилалкани | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Присъединяване по Михаел на нитроалкани към монозаместени α,β-ненаситени естери | 2 дни | 2 h | 85% | 90% |
| Перманганатно окисление на 2-octanol | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Синтез на халкони чрез кондензация на Клайзен–Шмидт | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Съчетаване по Улман на 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2h | по-малко от 1,5% | 70,4% |
| Реакция на Реформатски | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ултразвукова кавитация в течности
Кавитацията представлява образуване, нарастване и имплозивно свиване на мехурчета в течност. Кавитационното свиване предизвиква интензивно локално нагряване (~5000 K), високи налягания (~1000 atm), огромни скорости на нагряване и охлаждане (>10⁹ K/sec) и течни струи (~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 адхезия в течността.
Кавитацията може да се създава по различни начини, например чрез дюзи на Вентури, дюзи с високо налягане, въртене с висока скорост или ултразвукови преобразуватели. Във всички тези системи входящата енергия се преобразува в триене, турбулентност, вълни и кавитация. Делът на входящата енергия, който се преобразува в кавитация, зависи от няколко фактора, описващи движението на оборудването, генериращо кавитация, в течността.
Големината на ускорението е един от най-важните фактори, влияещи върху ефективното преобразуване на енергията в кавитация. По-голямото ускорение създава по-големи разлики в налягането. Това от своя страна увеличава вероятността за образуване на вакуумни мехурчета вместо вълни, разпространяващи се в течността. Следователно колкото по-голямо е ускорението, толкова по-голям е делът на енергията, който се преобразува в кавитация. При ултразвуков преобразувател големината на ускорението се описва чрез амплитудата на трептене.
По-високите амплитуди водят до по-ефективно създаване на кавитация. Промишлените устройства на Hielscher Ultrasonics могат да създават амплитуди до 115 µm. Тези високи амплитуди позволяват висок коефициент на предаване на мощност, което от своя страна позволява да се създават високи плътности на мощността до 100 W/cm³.
Освен големината на ускорението е важно течността да се ускорява по начин, който създава минимални загуби от турбулентност, триене и генериране на вълни. За тази цел оптималният подход е еднопосочно движение.
Ултразвуков реактор с 16 000 вата за сонохимично интензифицирана трансестерификация в поточен режим.
- получаване на активирани метали чрез редукция на метални соли
- получаване на активирани метали чрез ултразвукова обработка
- сонохимичен синтез на частици чрез утаяване на оксиди на метали (Fe, Cr, Mn, Co), например за използване като катализатори
- импрегниране на носители с метали или метални халогениди
- приготвяне на активирани разтвори на метали
- реакции с участието на метали чрез органоелементни химични форми, генерирани in situ
- реакции с участието на неметални твърди вещества
- кристализация и утаяване на метали, сплави, zeolithes и други твърди вещества
- модифициране на морфологията на повърхността и размера на частиците чрез високоскоростни сблъсъци между частиците
- образуване на аморфни наноструктурирани материали, включително преходни метали, сплави, карбиди, оксиди и колоиди с голяма повърхностна площ
- агломерация на кристали
- изглаждане и отстраняване на пасивиращото оксидно покритие
- микроманипулиране (фракциониране) на малки частици
- диспергиране на твърди вещества
- получаване на колоиди (Ag, Au, CdS с Q-размери)
- интеркалация на гостуващи молекули в неорганични слоести твърди вещества, служещи като приемна матрица
- сонохимия на полимерите
- разграждане и модифициране на полимери
- синтез на полимери
- сонолиза на органични замърсители във вода
Сонохимично оборудване
Повечето от споменатите сонохимични процеси могат да бъдат преоборудвани за работа в поточен режим. С удоволствие ще ви помогнем да изберете сонохимично оборудване за вашите технологични нужди. За изследвания и изпитване на процеси препоръчваме нашите лабораторни устройства или комплекта UIP1000hdT.
При необходимост се предлагат ултразвукови устройства и реактори, сертифицирани по FM и ATEX (например UIP1000-Exd), за ултразвукова обработка на запалими химикали и продуктови формулации в опасни среди.
Ултразвуковата кавитация променя реакциите на отваряне на пръстена
Ултразвуковата обработка е алтернативен механизъм на топлината, налягането, светлината или електричеството за иницииране на химични реакции. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth и техният екип в Химическия факултет на Университета на Илинойс в Урбана–Шампейн използват ултразвукова мощност за задействане и манипулиране на реакции на отваряне на пръстена. При ултразвукова обработка химичните реакции генерират продукти, различни от предвидените от правилата за орбитална симетрия (Nature 2007, 446, 423). Групата свързва механично чувствителни изомери на 1,2-disubstituted benzocyclobutene с две полиетиленгликолови вериги, прилага ултразвукова енергия и анализира обемните разтвори чрез спектроскопия на ядрено-магнитен резонанс с C13 . Спектрите показват, че както цис-, така и транс-изомерите дават един и същ продукт с отворен пръстен – този, който се очаква от транс-изомера. Докато топлинната енергия предизвиква хаотично броуново движение на реагентите, механичната енергия на ултразвуковата обработка придава посока на движенията на атомите. Следователно кавитационните ефекти ефективно насочват енергията чрез деформиране на молекулата, като променят формата на повърхнината на потенциалната енергия.
Ултразвуковите устройства със сонда като UP400St интензифицират синтеза на наночастици. Сонохимичният път е прост, ефективен, бърз и използва нетоксични химикали при меки условия.
Високопроизводителни ултразвукови устройства за сонохимия
Hielscher Ultrasonics доставя ултразвукови процесори за лабораторни и промишлени приложения. Всички ултразвукови устройства на Hielscher са много мощни и здрави ултразвукови машини, проектирани за непрекъсната работа 24/7 при пълно натоварване. Цифровото управление, програмируемите настройки, следенето на температурата, автоматичното протоколиране на данни и дистанционното управление през браузър са само част от функциите на ултразвуковите устройства на Hielscher. Оборудването на Hielscher Ultrasonics е проектирано за висока производителност и удобна работа, а потребителите ценят безопасната и лесната му употреба. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher осигуряват амплитуди до 200µm и са идеални за приложения при тежки работни условия. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори за смесване, диспергиране, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.
Литература / Източници
- 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 произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори от лабораторен до промишлен размер.