Сонохимия и сонохимични реактори

Сонохимията е областта на химията, в която ултразвукът с висока интензивност се използва за индуциране, ускоряване и модифициране на химични реакции (синтез, катализа, разграждане, полимеризация, хидролиза и др.). Ултразвуково генерираната кавитация се характеризира с уникални енергийно плътни условия, които насърчават и засилват химичните реакции. По-бързите скорости на реакцията, по-високите добиви и използването на зелени, по-меки реагенти превръщат сонохимията в много изгоден инструмент за получаване на подобрени химични реакции.

Сонохимия

Сонохимията е изследователска и преработвателна област, в която молекулите претърпяват химическа реакция поради прилагането на високоинтензивна ултразвукова реакция (напр. 20 kHz). Явлението, отговорно за сонохимичните реакции, е акустичната кавитация. Акустична или ултразвукова кавитация възниква, когато мощни ултразвукови вълни са свързани в течност или каша. Поради редуващите се цикли на високо / ниско налягане, причинени от мощни ултразвукови вълни в течността, се генерират вакуумни мехурчета (кавитационни кухини), които растат в продължение на няколко цикъла на налягане. Когато кавитационният вакуумен мехур достигне определен размер, където не може да абсорбира повече енергия, вакуумният балон се взривява силно и създава силно енергийно плътна гореща точка. Тази локална гореща точка се характеризира с много високи температури, налягания и микропоток на изключително бързи течни струи.

Акустична кавитация и ефекти от високоинтензивна ултразвукова обработка

Акустичната кавитация, често наричана още ултразвукова кавитация, може да се разграничи в две форми, стабилна и преходна кавитация. По време на стабилна кавитация, кавитационният мехур трепта многократно около своя равновесен радиус, докато по време на преходна кавитация, при която краткотрайният мехур претърпява драматични промени в обема в няколко акустични цикъла и завършва с насилствен колапс (Suslick 1988). Стабилна и преходна кавитация могат да възникнат едновременно в разтвора и мехурче, подложено на стабилна кавитация, може да се превърне в преходна кухина. Имплозията на мехурчето, която е характерна за преходна кавитация и ултразвук с висока интензивност, създава различни физически условия, включително много високи температури от 5000–25 000 К, налягания до няколко 1000 бара и течни потоци със скорости до 1000 m/s. Тъй като колапсът/имплозията на кавитационните мехурчета се случва за по-малко от наносекунда, много високи скорости на нагряване и охлаждане надвишават 10¹¹ Може да се наблюдава K/s. Такива високи скорости на нагряване и разлики в налягането могат да инициират и ускорят реакциите. Що се отнася до възникващите течни потоци, тези високоскоростни микроструи показват особено високи ползи, когато става въпрос за хетерогенни твърдо-течни суспензии. Течните струи се сблъскват с повърхността с пълната температура и налягане на срутващия се мехур и причиняват ерозия чрез сблъсък на частици, както и локализирано топене. Следователно се наблюдава значително подобрен пренос на маса в разтвора.

Ултразвуковата кавитация се генерира най-ефективно в течности и разтворители при ниско налягане на парите. Следователно средите с ниско налягане на парите са благоприятни за сонохимични приложения.
В резултат на ултразвуковата кавитация създадените интензивни сили могат да превключат пътищата на реакциите към по-ефективни пътища, така че да се избегнат по-пълни преобразувания и/или производство на нежелани странични продукти.
Енергийно плътното пространство, създадено от колапса на кавитационните мехурчета, се нарича гореща точка. Нискочестотен, мощен ултразвук в диапазона от 20kHz и способността за създаване на високи амплитуди са добре установени за генериране на интензивни горещи точки и благоприятни сонохимични условия.

Ултразвуковото лабораторно оборудване, както и индустриалните ултразвукови реактори за търговски сонохимични процеси са лесно достъпни и доказани като надеждни, ефективни и екологични в лабораторен, пилотен и напълно индустриален мащаб. Сонохимичните реакции могат да се извършват като партиден (т.е. отворен съд) или редов процес с помощта на реактор със затворен поток.

Соно-синтез

Соно-синтезът или сонохимичният синтез е прилагането на ултразвуково генерирана кавитация с цел иницииране и насърчаване на химични реакции. Ултразвукът с висока мощност (напр. при 20 kHz) показва силен ефект върху молекулите и химичните връзки. Например, сонохимичните ефекти, произтичащи от интензивна ултразвук, могат да доведат до разделяне на молекули, създаване на свободни радикали и/или превключване на химически пътища. Следователно сонохимичният синтез се използва интензивно за производство или модификация на широк спектър от наноструктурирани материали. Примери за наноматериали, получени чрез соносинтез, са наночастици (напр. златни НП, сребърни НП), пигменти, наночастици от сърцевината, нано-хидроксиапатит, метални органични рамки (MOF), активни фармацевтични съставки (API), наночастици, украсени с микросфери, нанокомпозити и много други материали.
Примери: Ултразвукова трансестерификация на метилови естери на мастни киселини (биодизел) или трансестерификацията на полиоли с помощта на ултразвук.

TEM изображение (A) и неговото разпределение по размер на частиците (B) на сребърни наночастици (Ag-NPs), които са били сонохимично синтезирани при оптимални условия.

Също така широко се прилага ултразвуково насърчаваната кристализация (сонокристализация), при която мощният ултразвук се използва за производство на пренаситени разтвори, за иницииране на кристализация / утаяване и контрол на размера и морфологията на кристалите чрез ултразвукови параметри на процеса. Кликнете тук, за да научите повече за сонокристализацията!

сонокатализа

Уникирането на химическа суспензия или разтвор може значително да подобри каталитичните реакции. Сонохимичната енергия намалява времето за реакция, подобрява преноса на топлина и маса, което впоследствие води до повишени константи на химическата скорост, добиви и селективност.
Има множество каталитични процеси, които се възползват драстично от прилагането на мощен ултразвук и неговите сонохимични ефекти. Всяка реакция на катализа на хетерогенен фазов трансфер (PTC), включваща две или повече несмесващи се течности или състав течност-твърдо вещество, се възползва от ултразвука, сонохимичната енергия и подобрения пренос на маса.
Например, сравнителният анализ на безшумно и ултразвуково подпомагано каталитично мокро пероксидно окисляване на фенол във вода разкрива, че ултразвукът намалява енергийната бариера на реакцията, но няма влияние върху реакционния път. Енергията на активиране за окисляване на фенола над RuI₃ катализаторът по време на ултразвук е установен като 13 kJ mol^-1, което е четири пъти по-малко в сравнение с тихия процес на окисление (57 kJ mol^-1). (Рохина и др., 2010)
Сонохимичната катализа се използва успешно за производство на химически продукти, както и за производството на микрон- и наноструктурирани неорганични материали като метали, сплави, метални съединения, неметални материали и неорганични композити. Често срещани примери за ултразвуково подпомаган PTC са трансестерификацията на свободни мастни киселини в метилов естер (биодизел), хидролиза, осапуняване на растителни масла, реакция на соно-фентон (фентоподобни процеси), сонокаталитично разграждане и др.
Прочетете повече за сонокатализата и специфичните приложения!
Уникирането подобрява химията на щракването, като например реакциите на азид-алкин циклодобавка!

Други сонохимични приложения

Благодарение на тяхната универсална употреба, надеждност и лесна работа, сонохимичните системи като UP400St или UIP2000hdT се оценяват като ефективно оборудване за химични реакции. Ултразвуковите устройства на Hielscher Ultrasonics могат лесно да се използват за партидно (отворена чаша) и непрекъсната вградена ултразвукова обработка с помощта на сонохимична поточна клетка. Сонохимията, включително соносинтез, сонокатализа, разграждане или полимеризация, се използват широко в химията, нанотехнологиите, материалознанието, фармацевтиката, микробиологията, както и в други индустрии.

Високопроизводително сонохимическо оборудване

Hielscher Ultrasonics е вашият водещ доставчик на иновативни, най-съвременни ултразвукови апарати, сонохични проточни клетки, реактори и аксесоари за ефективни и надеждни сонохимични реакции. Всички ултразвукови апарати на Hielscher са проектирани, произведени и тествани изключително в централата на Hielscher Ultrasonics в Телтов (близо до Берлин), Германия. Освен най-високите технически стандарти и изключителната здравина и работа 24/7/365 за високоефективна работа, ултразвуковите апарати Hielscher са лесни и надеждни за работа. Висока ефективност, интелигентен софтуер, интуитивно меню, автоматично протоколиране на данни и дистанционно управление на браузъра са само някои от характеристиките, които отличават Hielscher Ultrasonics от другите производители на сонохимическо оборудване.

Прецизно регулируеми амплитуди

Амплитудата е изместването в предната част (върха) на сонотрода (известен също като ултразвукова сонда или рог) и е основният влияещ фактор на ултразвуковата кавитация. По-високите амплитуди означават по-интензивна кавитация. Необходимата интензивност на кавитацията силно зависи от вида на реакцията, използваните химични реактиви и целевите резултати от специфичната сонохимична реакция. Това означава, че амплитудата трябва да бъде прецизно регулируема, за да се настрои интензитетът на акустичната кавитация до идеалното ниво. Всички ултразвукови апарати Hielscher могат да бъдат надеждно и прецизно регулирани чрез интелигентно цифрово управление до идеалната амплитуда. Бустерните клаксони могат да се използват допълнително за механично намаляване или увеличаване на амплитудата. Ултразвук’ Индустриалните ултразвукови процесори могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди.

Прецизен контрол на температурата по време на сонохимични реакции

В горещата точка на кавитация могат да се наблюдават изключително високи температури от много хиляди градуса по Целзий. Въпреки това, тези екстремни температури са ограничени локално до дребната вътрешност и заобикалящата се кавитационна бомба. В насипния разтвор повишаването на температурата от имплозията на един или няколко кавитационни мехурчета е незначително. Но непрекъснатото, интензивно ултразвук за по-дълги периоди може да доведе до постепенно повишаване на температурата на насипната течност. Това повишаване на температурата допринася за много химични реакции и често се счита за полезно. Различните химични реакции обаче имат различни оптимални температури на реакцията. Когато се обработват чувствителни на топлина материали, може да се наложи контрол на температурата. За да позволи идеални топлинни условия по време на сонохимични процеси, Hielscher Ultrasonics предлага различни усъвършенствани решения за прецизен контрол на температурата по време на сонохимични процеси, като сонохични реактори и проточни клетки, оборудвани с охлаждащи ризи.
Нашите сонохични поточни клетки и реактори се предлагат с охлаждащи ризи, които поддържат ефективно разсейване на топлината. За непрекъснат мониторинг на температурата ултразвуковите апарати Hielscher са оборудвани с щепселен температурен сензор, който може да се постави в течността за постоянно измерване на насипната температура. Усъвършенстваният софтуер позволява настройка на температурен диапазон. Когато температурната граница е надвишена, ултразвуковикът автоматично прави пауза, докато температурата в течността се понижи до определена зададена точка и започва автоматично да излъчва звук отново. Всички измервания на температурата, както и други важни ултразвукови данни за процеса, се записват автоматично на вградена SD карта и могат лесно да бъдат преразгледани за контрол на процеса.
Температурата е решаващ параметър на сонохимичните процеси. Разработената технология на Hielscher ви помага да поддържате температурата на вашето сонохимично приложение в идеалния температурен диапазон.

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