Sonochemistry е областта на химията, където високо интензивен ултразвук се използва за индуциране, ускоряване и промяна на химични реакции (синтез, катализа, разграждане, полимеризация, хидролиза и др.). Ултразвуково генерираната кавитация се характеризира с уникални енергийни плътни условия, които насърчават и усилват химичните реакции. По-бързите скорости на реакцията, по-високите добиви и използването на зелени, по-леки реактиви превръщат сонохимията в много изгодна инструмент, за да се получат подобрени химични реакции.

Sonochemistry

Sonochemistry е поле за изследване и обработка, в което молекулите претърпяват химична реакция поради прилагането на високоинтензивна ултразвукова обработка (например, 20 kHz). Феноменът, отговорен за сонохимичните реакции, е акустична кавитация. Акустична или ултразвукова кавитация се случва, когато мощните ултразвукови вълни са съчетани в течност или суспензия. Поради редуващите се цикли на високо налягане / ниско налягане, причинени от ултразвукови вълни в течността, се генерират вакуумни мехурчета (кавитационни кухини), които растат в няколко цикъла на налягане. Когато кавитационният вакуумен мехур достигне определен размер, където не може да абсорбира повече енергия, вакуумният балон се разяжда бурно и създава силно енергийно-гъста гореща точка. Тази локално срещаща се гореща точка се характеризира с много високи температури, налягания и микроструване на изключително бързи течни струи.

Акустична кавитация и ефекти на ултразвук с висока интензивност

Акустична кавитация, често наричана ултразвукова кавитация, може да се разграничи в две форми, стабилна и преходна кавитация. По време на стабилна кавитация кавитационният балон осцилизира много пъти около неговия равновесен радиус, докато при преходна кавитация, при която краткотрайни мехурчета претърпяват драматични промени в обема на няколко акустични цикъла и завършва в насилствен колапс (Suslick 1988). Стабилна и преходна кавитация може да се появи едновременно в разтвора и балон, претърпял стабилна кавитация, може да стане преходна кухина. Имплозията на балона, която е характерна за преходна кавитация и ултразвук с висока интензивност, създава различни физически условия, включително много високи температури от 5000–25 000 K, налягат до няколко бара 1000 и течни потоци с висока скорост до 1000 м / сек. Тъй като срутването/имплозията на кавитационните мехурчета се случва в по-малко от наносекунда, много високи скорости на загряване и охлаждане, превишаващи 10¹¹ може да се наблюдава К/с. Такива високи скорости на нагряване и диференциали налягане могат да инициират и да се ускори реакции. По отношение на протичащите течни потоци тези високоскоростни микроджети показват особено големи ползи, когато става въпрос за хетерогенни твърдо-течни шлайви. Течните струи, които се сблъскват с повърхността с пълната температура и налягане на свиващия балон и причиняват ерозия чрез междучастичен сблъсък, както и локализирано топене. Следователно се наблюдава значително подобрен масов трансфер в разтвора.

Ултразвукова кавитация е най-ефективно генерирана в течности и разтворители с ниско парно налягане. Следователно, средите с ниско парно налягане са благоприятни за сонохимични приложения.
В резултат на ултразвукова кавитация, създадените от силните сили сили могат да превключват пътищата на реакциите към по-ефективни пътища, така че да се избягват по-пълни преобразувания и / или да се избегнат по-пълните преобразувания и / или производството на нежелани странични продукти.
Енергийното пространство, създадено от срутването на кавитационни мехурчета, се нарича "гореща точка". Нискочестотният, високомощен ултразвук в диапазона от 20kHz и способността за създаване на високи амплитуди е добре установена за генерирането на интензивни горещи точки и благоприятните сонохимични условия.

Ултразвуковото лабораторно оборудване, както и промишлени ултразвукови реактори за търговски сонохимични процеси са лесно достъпни и доказани като надеждни, ефективни и екологични в лаборатория, пилот и напълно промишлен мащаб. Сонохимичните реакции могат да се извършват като партиди (т.е. отворен съд) или внезапна обработка с помощта на реактор със затворен поток.

Sono синтез

Sono синтез или сонохимичен синтез е прилагането на ултразвуково генерира кавитация, за да се инициира и насърчи химични реакции. Високомощната ултразвукова диагностика (например при 20 kHz) показва силно въздействие върху молекулите и химическите връзки. Например, sonochemical ефекти в резултат на интензивна ултразвук може да доведе до разделяне молекули, създаване на свободни радикали, и/или превключване химически пътища. Сонохимичният синтез се използва интензивно за изработка или модификация на широк спектър от нано-структурирани материали. Примери за наноматериали, произведени чрез соно-синтез са наночастици (NPs) (напр. NP на злато, NP сребърни NP), пигменти, наночастици от сърцевина и обвивка, нано-хидроксиапатит, металните рамки, активни фармацевтични съставки (APIs), микросфери, украсени наночастици, нано-композити сред много други материали.
Примери: Ултразвукова трансестерификация на метилови естери на мастни киселини (биодизел) или трансестерификацията на полиолите с помощта на ултразвук,

TEM изображение (A) и разпределението му на размера на частиците (B) на сребърни наночастици (Ag-NPs), които са били сонохимично синтезирани при оптимални условия.

Също така широко се прилага ултразвуково насърчаване кристализация (сонокрилизация), където мощност-ултразвук е използва за производство на свръхнаситени разтвори, за иницииране на кристализация / утаяване, и контрол на размера и морфология на кристалите чрез ултразвукови параметри на процеса. Кликнете тук, за да научите повече за соно-кристализацията!

Sono-катализ

Sonicating химическа суспензия или разтвор може значително да подобри каталитични реакции. Сонохимичната енергия намалява времето за реакция, подобрява топлопреносната и масовия трансфер, което впоследствие води до повишени химически стопи, добиви и селективност.
Има многобройни каталитични процеси, които се възползват драстично от прилагането на силови ултразвук и неговите сонохимични ефекти. Всяка реакция на хетерогенен трансфер на фази (PTC), включваща две или повече несмесващи се течности или течно-твърд състав, облагодетелствани от ултразвук, сонохимичната енергия и подобреното прехвърляне на масата.
Например, сравнителният анализ на безшумното и ултразвуково подпомагано каталитично мокро пероксидно окисляване на фенол във вода разкри, че ултразвукът намалява енергийната бариера на реакцията, но не е имала въздействие върху реакционната пътека. Енергията за активиране на окисляването на фенола над RuI₃ катализатор по време на ултразвука е установено, че е 13 kJ mol^-1, който е четири пъти по-малък в сравнение с процеса на^-1). (Rokhina et al, 2010)
Сонохимичната катализа се използва успешно за производство на химически продукти, както и за производството на микрони и нано-структурирани неорганични материали като метали, сплави, метални съединения, неметални материали и неорганични композити. Общи примери за ултразвуково подпомагане на PTC са трансестерификацията на свободни мастни киселини в метилов естер (биодизел), хидролиза, saponification на растителни масла, sono-Fenton реакция (фентон-подобни процеси), sonocatalytic деградация и т.н.
Прочетете повече за соно-катализата и специфичните приложения!
Sonication подобрява клик химия като азид-алкин циклодопълнение реакции!

Други сонохимични приложения

Поради своята многостранна употреба, надеждност и проста работа, сонохимични системи като UP400St или UIP2000hdT се оценяват като ефективно оборудване за химични реакции. Hielscher Ultrasonics sonochemical устройства могат лесно да се използват за партида (отворена чаша) и непрекъсната звукова обработка с помощта на сонохимична поток клетка. Сонохимията, включително соно-синтез, соно-катализа, разграждане или полимеризация, се използват широко в химията, нанотехнологиите, материалознанието, фармацевтичните продукти, микробиологията, както и в други индустрии.

Високопроизводително сонохимично оборудване

Hielscher Ultrasonics е вашият топ доставчик на иновативни, най-съвременни ultrasonicators, сонохимични поток клетка, реактори и аксесоари за ефективни и надеждни sonochemical реакции. Всички Hielscher ultrasonicators са изключително проектирани, произведени и тествани в Hielscher Ultrasonics headquarter в Teltow (близо до Берлин), Германия. Освен най-високите технически стандарти и изключителна здравина и 24/7/365 работа за високоефективна работа, Hielscher ultrasonicators са лесни и надеждни за работа. Висока ефективност, интелигентен софтуер, интуитивно меню, автоматично протоколиране на данни и браузър дистанционно управление са само няколко функции, които отличават Hielscher Ultrasonics от други производители на сонохимично оборудване.

Прецизно регулируеми амплитуди

Амплитудата е изместването отпред (на върха) на сонотрода (известен също като ултразвукова сонда или рог) и е основният фактор, влияещ на ултразвуковата кавитация. По-високи амплитуди означават по-интензивна кавитация. Необходимата интензивност на кавитация силно зависи от типа на реакцията, използваните химически реактиви и целевите резултати от специфичната sonochemical реакция. Това означава, че амплитудата трябва да бъде прецизно регулируема, за да се настрои интензивността на акустичната кавитация до идеалното ниво. Всички Ултразвукови апарати Hielscher могат да бъдат надеждно и прецизно регулирани чрез интелигентен цифров контрол до идеалната амплитуда. Бустер рога може допълнително да се използва за намаляване или увеличаване на амплитудата механично. Ултразвук’ промишлени ултразвукови процесори могат да доставят много високи амплитуди. Амплитудите до 200μm могат лесно да се движат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди са налични персонализирани ултразвукови сонотроди.

Прецизен контрол на температурата по време на сонохимични реакции

В кавитационния гореща точка могат да се наблюдават изключително високи температури от много хиляди градуси по Целзий. Тези екстремни температури обаче са ограничени локално до минутата на интериора и заобикалящата ги на балона на имплошната кавитация. В насипния разтвор, повишаването на температурата от имплозията един или няколко кавитационни мехурчета е незначително. Но непрекъсната, интензивна ултразвук за по-дълги периоди може да доведе до постепенно увеличаване на температурата на насипната течност. Това повишаване на температурата допринася за много химични реакции и често се счита за полезно. Въпреки това, различните химични реакции имат различни оптимални температури на реакцията. Когато се обработват термочувствителни материали, може да е необходимо регулиране на температурата. За да се даде възможност за идеални топлинни условия по време на сонохимични процеси, Hielscher Ultrasonics предлага различни сложни решения за прецизен контрол на температурата по време на сонохимични процеси, като сонохимични реактори и поточни клетки, оборудвани с охлаждащи якета.
Нашите сонохимични поточни клетки и реактори се предлагат с охлаждащи якета, които поддържат ефективно разсейване на топлината. За непрекъснато наблюдение на температурата, Hielscher ultrasonicators са оборудвани с включен температурен сензор, който може да бъде вкаран в течността за постоянно измерване на температурата в насипно състояние. Усъвършенстваният софтуер позволява задаването на температурен диапазон. Когато температурната граница е превишена, ултразвукът автоматично спира, докато температурата в течността се снижи до определена зададена точка и започва автоматично повторно повторно озвучаване. Всички измервания на температурата, както и други важни ултразвукови данни за процеса се записват автоматично на вградена SD карта и могат да бъдат ревизирани лесно за контрол на процеса.
Температурата е решаващ параметър на сонохимичните процеси. Разработената технология на Hielscher ви помага да запазите температурата на вашето сонохимично приложение в идеалния температурен диапазон.

Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators: