Сонохимия и сонохимични реактори

Сонохимията е областта на химията, в която ултразвук с висок интензитет се използва за предизвикване, ускоряване и модифициране на химични реакции (синтез, катализа, разграждане, полимеризация, хидролиза и др.). Ултразвуково генерираната кавитация се характеризира с уникални условия с висока енергийна плътност, които подпомагат и интензифицират химичните реакции. По-високите скорости на реакциите, по-високите добиви и използването на екологични, по-меки реагенти превръщат сонохимията в изключително полезен инструмент за подобряване на химичните реакции.

Сонохимия

Сонохимията е научноизследователска и технологична област, в която молекулите претърпяват химична реакция вследствие на прилагането на ултразвукова обработка с висок интензитет (напр. 20 kHz). Явлението, което обуславя сонохимичните реакции, е акустичната кавитация. Акустична или ултразвукова кавитация възниква, когато мощни ултразвукови вълни се предават в течност или суспензия. Поради редуващите се цикли на високо / ниско налягане, причинени от мощните ултразвукови вълни в течността, се образуват вакуумни мехурчета (кавитационни кухини), които нарастват в продължение на няколко цикъла на налягането. Когато кавитационното вакуумно мехурче достигне определен размер, при който вече не може да поглъща енергия, то имплодира бурно и създава гореща точка с много висока енергийна плътност. Тази локално възникваща гореща точка се характеризира с много високи температури, налягания и микропотоци от изключително бързи течни струи.

Акустична кавитация и ефекти от ултразвуковата обработка с висок интензитет

Акустичната кавитация, често наричана и ултразвукова кавитация, се разделя на две форми: стабилна и преходна кавитация. При стабилната кавитация кавитационното мехурче многократно осцилира около равновесния си радиус, докато при преходната кавитация краткотрайно мехурче претърпява драстични промени в обема в рамките на няколко акустични цикъла и накрая колапсира бурно (Suslick 1988). Стабилната и преходната кавитация могат да възникват едновременно в разтвора, а мехурче, подложено на стабилна кавитация, може да се превърне в преходна кавитационна кухина. Имплозията на мехурчето, характерна за преходната кавитация и ултразвуковата обработка с висок интензитет, създава различни физични условия, включително много високи температури от 5000–25 000 K, налягания до няколко 1000 bar и течни потоци със скорости до 1000m/s. Тъй като колапсът/имплозията на кавитационните мехурчета протича за по-малко от наносекунда, могат да се наблюдават много високи скорости на нагряване и охлаждане, надвишаващи 10¹¹ K/s. Такива високи скорости на нагряване и разлики в налягането могат да инициират и ускоряват реакции. Що се отнася до възникващите течни потоци, тези високоскоростни микроструи са особено полезни при хетерогенни суспензии от твърда и течна фаза. Течните струи се удрят в повърхността с пълната температура и налягане на колапсиращото мехурче и причиняват ерозия чрез сблъсъци между частиците, както и локално топене. В резултат се наблюдава значително подобрен масопренос в разтвора.

Ултразвуковата кавитация се генерира най-ефективно в течности и разтворители с ниско парно налягане. Затова средите с ниско парно налягане са благоприятни за сонохимични приложения.
В резултат на ултразвуковата кавитация създадените интензивни сили могат да пренасочат реакциите към по-ефективни реакционни пътища, така че да се избегнат по-пълни превръщания и/или образуването на нежелани странични продукти.
Пространството с висока енергийна плътност, създадено от колапса на кавитационните мехурчета, се нарича гореща точка. Нискочестотният ултразвук с висока мощност в диапазона около 20kHz и възможността за създаване на високи амплитуди са утвърдени средства за генериране на интензивни горещи точки и благоприятни сонохимични условия.

Ултразвуковото лабораторно оборудване, както и промишлените ултразвукови реактори за сонохимични процеси с търговско предназначение, са леснодостъпни и доказано надеждни, ефективни и екологични в лабораторен, пилотен и изцяло промишлен мащаб. Сонохимичните реакции могат да се извършват като периодичен процес (т.е. в отворен съд) или като проточен процес с използване на затворен реактор с проточна клетка.

Соносинтез

Соносинтезът или сонохимичният синтез представлява прилагане на ултразвуково генерирана кавитация за иницииране и подпомагане на химични реакции. Ултразвуковата обработка с висока мощност (напр. при 20 kHz) оказва силно въздействие върху молекулите и химичните връзки. Например сонохимичните ефекти, възникващи при интензивна ултразвукова обработка, могат да доведат до разцепване на молекули, образуване на свободни радикали и/или промяна на химичните реакционни пътища. Затова сонохимичният синтез се използва широко за получаване или модифициране на голямо разнообразие от наноструктурирани материали. Примери за наноматериали, получавани чрез соносинтез, са наночастици (NPs) (напр. златни NPs, сребърни NPs), пигменти, наночастици с ядро и обвивка, нанохидроксиапатит, металоорганични рамкови структури (MOFs), активни фармацевтични съставки (APIs), наночастици, декорирани с микросфери, нанокомпозити и много други материали.
Примери: Ултразвукова трансестерификация на метилови естери на мастни киселини (биодизел) или трансестерификация на полиоли с използване на ултразвук.

Изображение от трансмисионна електронна микроскопия (TEM) (A) и разпределение по размер на частиците (B) на сребърни наночастици (Ag-NPs), синтезирани сонохимично при оптимални условия.

Широко се прилага и ултразвуково подпомаганата кристализация (сонокристализация), при която мощен ултразвук се използва за получаване на преситени разтвори, иницииране на кристализация / утаяване и контрол на размера и морфологията на кристалите чрез параметрите на ултразвуковия процес. Щракнете тук, за да научите повече за сонокристализацията!

Сонокатализа

Ултразвуковата обработка на химична суспензия или разтвор може значително да подобри каталитичните реакции. Сонохимичната енергия намалява времето на реакцията и подобрява топло- и масопреноса, което впоследствие води до повишени константи на скоростта на химичните реакции, добиви и селективности.
Съществуват множество каталитични процеси, които се подобряват драстично при прилагането на мощен ултразвук и неговите сонохимични ефекти. Всяка хетерогенна реакция с междуфазова катализа (PTC), включваща две или повече несмесващи се течности или система течност–твърдо вещество, се подобрява благодарение на ултразвуковата обработка, сонохимичната енергия и подобрения масопренос.
Например сравнителният анализ на каталитичното мокро пероксидно окисление на фенол във вода без ултразвук и с ултразвуково подпомагане показва, че ултразвуковата обработка намалява енергийната бариера на реакцията, но не влияе върху реакционния път. Установено е, че енергията на активация за окислението на фенол с катализатор RuI₃ при ултразвукова обработка е 13 kJ mol^-1, което е четири пъти по-малко в сравнение с процеса на окисление без ултразвук (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Сонохимичната катализа се използва успешно за получаване на химични продукти, както и за производство на микро- и наноструктурирани неорганични материали като метали, сплави, метални съединения, неметални материали и неорганични композити. Често срещани примери за ултразвуково подпомагана PTC са трансестерификацията на свободни мастни киселини до метилов естер (биодизел), хидролизата, осапунването на растителни масла, соно-Фентоновата реакция (Фентоноподобни процеси), сонокаталитичното разграждане и др.
Прочетете повече за сонокатализата и конкретните приложения!
Ултразвуковата обработка подобрява клик химията, например реакциите на азид-алкиново циклоприсъединяване!

Други сонохимични приложения

Благодарение на разнообразните си приложения, надеждността и лесната работа сонохимичните системи като UP400St или UIP2000hdT се ценят като ефективно оборудване за химични реакции. Сонохимичните устройства на Hielscher Ultrasonics могат лесно да се използват за периодична ултразвукова обработка (в отворена лабораторна чаша) и непрекъсната проточна ултразвукова обработка със сонохимична проточна клетка. Сонохимията, включително соносинтезът, сонокатализата, разграждането или полимеризацията, се използва широко в химията, нанотехнологиите, материалознанието, фармацевтиката, микробиологията, както и в други отрасли.

Високопроизводително сонохимично оборудване

Hielscher Ultrasonics е вашият водещ доставчик на иновативни, най-съвременни ултразвукови апарати, сонохимични проточни клетки, реактори и принадлежности за ефективни и надеждни сонохимични реакции. Всички ултразвукови апарати на Hielscher се проектират, произвеждат и изпитват изключително в централата на Hielscher Ultrasonics в Teltow (близо до Берлин), Германия. Освен най-високите технически стандарти, изключителната здравина и режима на работа 24/7/365 за високоефективна експлоатация, ултразвуковите апарати на Hielscher осигуряват лесна и надеждна работа. Високата ефективност, интелигентният софтуер, интуитивното меню, автоматичното протоколиране на данни и дистанционното управление чрез браузър са само някои от характеристиките, които отличават Hielscher Ultrasonics от другите производители на сонохимично оборудване.

Прецизно регулируеми амплитуди

Амплитудата е преместването в предната част (върха) на сонотрода (известен също като ултразвукова сонда или рупор) и е основният фактор, влияещ върху ултразвуковата кавитация. По-високите амплитуди означават по-интензивна кавитация. Необходимият интензитет на кавитацията зависи силно от вида на реакцията, използваните химични реагенти и желаните резултати от конкретната сонохимична реакция. Това означава, че амплитудата трябва да може да се регулира прецизно, за да се настрои интензитетът на акустичната кавитация до идеалното ниво. Всички ултразвукови апарати на Hielscher могат надеждно и прецизно да се настройват до идеалната амплитуда чрез интелигентно цифрово управление. Допълнително могат да се използват усилващи рупори за механично намаляване или увеличаване на амплитудата. Промишлените ултразвукови процесори на Ultrasonics могат да осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди по поръчка.

Прецизен контрол на температурата по време на сонохимични реакции

В кавитационната гореща точка могат да се наблюдават изключително високи температури от много хиляди градуси Целзий. Тези екстремни температури обаче са локално ограничени до миниатюрната вътрешност и непосредственото обкръжение на имплодиращото кавитационно мехурче. В основния обем на разтвора повишаването на температурата вследствие на имплозията на едно или няколко кавитационни мехурчета е пренебрежимо малко. Но продължителната, интензивна ултразвукова обработка може да причини постепенно повишаване на температурата на основния обем на течността. Това повишаване на температурата подпомага много химични реакции и често се смята за благоприятно. Различните химични реакции обаче имат различни оптимални реакционни температури. При обработка на термочувствителни материали може да е необходим контрол на температурата. За да осигури идеални топлинни условия по време на сонохимичните процеси, Hielscher Ultrasonics предлага различни усъвършенствани решения за прецизен контрол на температурата по време на сонохимични процеси, като сонохимични реактори и проточни клетки, оборудвани с охлаждащи ризи.
Нашите сонохимични проточни клетки и реактори се предлагат с охлаждащи ризи, които подпомагат ефективното отвеждане на топлината. За непрекъснато наблюдение на температурата ултразвуковите апарати на Hielscher са оборудвани с включваем температурен датчик, който може да се постави в течността за постоянно измерване на температурата в основния ѝ обем. Усъвършенстваният софтуер позволява задаването на температурен диапазон. Когато температурната граница бъде превишена, ултразвуковият апарат автоматично спира временно, докато температурата на течността спадне до определена зададена стойност, и автоматично възобновява ултразвуковата обработка. Всички измервания на температурата, както и други важни данни за ултразвуковия процес, се записват автоматично на вградена SD карта и могат лесно да се преглеждат за контрол на процеса.
Температурата е ключов параметър на сонохимичните процеси. Усъвършенстваната технология на Hielscher ви помага да поддържате температурата на вашето сонохимично приложение в идеалния температурен диапазон.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати: