Sonohemijske reakcije i sinteza
Sonohemija je primjena ultrazvuka na hemijske reakcije i procese. Mehanizam koji uzrokuje sonohemijske efekte u tečnostima je pojava akustične kavitacije.
Hielscher ultrazvučni laboratorijski i industrijski uređaji koriste se u širokom spektru sonohemijskih procesa. Ultrazvučna kavitacija intenzivira i ubrzava hemijske reakcije kao što su sinteza i kataliza.
Sonohemijske reakcije
Sljedeći sonohemijski efekti mogu se uočiti u hemijskim reakcijama i procesima:
- povećanje brzine reakcije
- povećanje prinosa reakcije
- efikasnije korištenje energije
- sonohemijske metode za promjenu puta reakcije
- poboljšanje performansi katalizatora faznog transfera
- izbjegavanje katalizatora faznog transfera
- upotreba sirovih ili tehničkih reagensa
- aktivacija metala i čvrstih materija
- povećanje reaktivnosti reagensa ili katalizatora (kliknite ovdje za više informacija o ultrazvučno potpomognutoj katalizi)
- poboljšanje sinteze čestica
- oblaganje nanočestica
7 ultrazvučnih homogenizatora modela UIP1000hdT (7x 1kW ultrazvučne snage) instaliranih kao klaster za sonohemijske reakcije u industrijskim razmjerima.
Prednosti ultrazvučno intenziviranih hemijskih reakcija
Ultrazvučno potpomognute hemijske reakcije utvrđena su tehnika intenzifikacije procesa u području hemijske sinteze i prerade. Iskorištavanjem snage ultrazvučnih talasa, ove reakcije nude brojne prednosti u odnosu na konvencionalne metode i poboljšavaju hemijsku katalizu i sintezu. Izuzetno brze stope konverzije, odlični prinosi, povećana selektivnost, poboljšana energetska efikasnost i smanjen utjecaj na okolinu glavne su prednosti sonohemijskih reakcija.
Tabela u nastavku prikazuje neke istaknute prednosti ultrazvučno potpomognutih reakcija u odnosu na konvencionalne hemijske reakcije:
| Reakcija | Vrijeme reakcije konvencionalno |
Vrijeme reakcije ultrazvuk |
Prinos konvencionalno (%) |
Prinos ultrazvuk (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alderova ciklizacija | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oksidacija indana u indan-1-on | 3 h | 3 h | manje od 27% | 73% |
| Redukcija metoksiaminosilana | nema reakcije | 3 h | 0% | 100% |
| Epoksidacija nezasićenih estera masnih kiselina dugog lanca | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oksidacija arilalkana | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michaelova adicija nitroalkana na monosupstituirane α,β-nezasićene estere | 2 dana | 2 h | 85% | 90% |
| Permanganatna oksidacija 2-oktanola | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Sinteza halkona Claisen-Schmidtovom kondenzacijom | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Ullmannovo kuplovanje 2-jodnitrobenzena | 2 h | 2h | manje od 1,5% | 70,4% |
| Reformatskijeva reakcija | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultrazvučna kavitacija u tečnostima
Kavitacija je nastajanje, rast i implozivni kolaps mjehurića u tečnosti. Kavitacijski kolaps proizvodi intenzivno lokalno zagrijavanje (~5000 K), visoke pritiske (~1000 atm), ogromne brzine zagrijavanja i hlađenja (>10⁹ K/sec) i mlazeve tečnosti (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitacija uz upotrebu uređaja UIP1000hd:
Kavitacijski mjehurići su vakuumski mjehurići. Vakuum nastaje brzim kretanjem površine s jedne strane i inertnom tečnošću s druge strane. Nastale razlike u pritisku služe za savladavanje kohezijskih i adhezijskih sila unutar tečnosti.
Kavitacija se može proizvesti na različite načine, kao što su Venturijeve mlaznice, visokotlačne mlaznice, rotacija velikom brzinom ili ultrazvučni pretvarači. U svim tim sistemima ulazna energija pretvara se u trenje, turbulencije, talase i kavitaciju. Udio ulazne energije koji se pretvara u kavitaciju ovisi o nekoliko faktora koji opisuju kretanje opreme za stvaranje kavitacije u tečnosti.
Intenzitet ubrzanja jedan je od najvažnijih faktora koji utječu na efikasnu pretvorbu energije u kavitaciju. Veće ubrzanje stvara veće razlike u pritisku. To zauzvrat povećava vjerovatnoću nastanka vakuumskih mjehurića umjesto nastanka talasa koji se šire kroz tečnost. Stoga, što je ubrzanje veće, to je veći udio energije koji se pretvara u kavitaciju. U slučaju ultrazvučnog pretvarača, intenzitet ubrzanja opisuje se amplitudom oscilovanja.
Veće amplitude rezultiraju efikasnijim stvaranjem kavitacije. Industrijski uređaji kompanije Hielscher Ultrasonics mogu stvoriti amplitude do 115 µm. Te visoke amplitude omogućavaju visok omjer prijenosa snage, što zauzvrat omogućava stvaranje velikih gustoća snage do 100 W/cm³.
Osim intenziteta, tečnost treba ubrzavati na način koji stvara minimalne gubitke u pogledu turbulencija, trenja i stvaranja talasa. Za to je optimalan način jednosmjerno kretanje.
Ultrazvučni reaktor snage 16.000 vati za sonohemijski pospiješenu inline transesterifikaciju.
- priprema aktiviranih metala redukcijom metalnih soli
- stvaranje aktiviranih metala ultrazvučnom obradom (sonikacijom)
- sonohemijska sinteza čestica taloženjem oksida metala (Fe, Cr, Mn, Co), npr. za upotrebu kao katalizatori
- impregnacija metala ili metalnih halogenida na nosačima
- priprema aktiviranih metalnih rastvora
- reakcije koje uključuju metale putem in situ generiranih organoelementnih vrsta
- reakcije koje uključuju nemetalne čvrste materije
- kristalizacija i taloženje metala, legura, zeolithes i drugih čvrstih materija
- modifikacija morfologije površine i veličine čestica sudarima čestica velikom brzinom
- stvaranje amorfnih nanostrukturiranih materijala, uključujući prijelazne metale velike specifične površine, legure, karbide, okside i koloide
- aglomeracija kristala
- uglačavanje i uklanjanje pasivizirajućeg oksidnog sloja
- mikromanipulacija (frakcioniranje) malih čestica
- dispergiranje čvrstih materija
- priprema koloida (Ag, Au, CdS Q-veličine)
- interkalacija gostujućih molekula u domaćinske anorganske slojevite čvrste materije
- sonohemija polimera
- razgradnja i modifikacija polimera
- sinteza polimera
- sonoliza organskih zagađivača u vodi
Sonohemijska oprema
Većina navedenih sonohemijskih procesa može se naknadno prilagoditi za inline rad. Rado ćemo vam pomoći pri odabiru sonohemijske opreme za vaše potrebe obrade. Za istraživanje i ispitivanje procesa preporučujemo naše laboratorijske uređaje ili komplet UIP1000hdT.
Po potrebi su dostupni FM i ATEX certificirani ultrazvučni uređaji i reaktori (npr. UIP1000-Exd) za ultrazvučnu obradu (sonikaciju) zapaljivih hemikalija i formulacija proizvoda u opasnim okruženjima.
Ultrazvučna kavitacija mijenja reakcije otvaranja prstena
Ultrazvučna obrada (sonikacija) alternativni je mehanizam toploti, pritisku, svjetlosti ili električnoj energiji za pokretanje hemijskih reakcija. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth i njihov tim na Hemijskom fakultetu Univerziteta Illinois u Urbana-Champaignu koristili su ultrazvučnu snagu za pokretanje i usmjeravanje reakcija otvaranja prstena. Pod ultrazvučnom obradom (sonikacijom), hemijske reakcije dale su produkte različite od onih predviđenih pravilima simetrije orbitala (Nature 2007, 446, 423). Grupa je mehanički osjetljive 1,2-disupstituirane izomere benzociklobutena povezala s dva lanca polietilenglikola, primijenila ultrazvučnu energiju i analizirala rastvore u masi pomoću C13 spektroskopije nuklearne magnetne rezonancije. Spektri su pokazali da i cis i trans izomeri daju isti produkt otvorenog prstena, onaj koji se očekuje od trans izomera. Dok toplotna energija uzrokuje nasumično Brownovo kretanje reaktanata, mehanička energija ultrazvučne obrade daje smjer atomskim kretanjima. Stoga kavitacijski efekti efikasno usmjeravaju energiju naprezanjem molekule i preoblikovanjem površine potencijalne energije.
Ultrazvučni uređaji sondnog tipa, kao što je UP400St, intenziviraju sintezu nanočestica. Sonohemijski put je jednostavan, djelotvoran, brz i radi s netoksičnim hemikalijama u blagim uvjetima.
Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za sonohemiju
Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučne procesore za laboratorije i industriju. Svi Hielscher ultrazvučni uređaji vrlo su snažne i robusne ultrazvučne mašine izrađene za kontinuirani rad 24/7 pod punim opterećenjem. Digitalna kontrola, programabilne postavke, praćenje temperature, automatsko protokoliranje podataka i daljinsko upravljanje putem preglednika samo su neke od karakteristika Hielscher ultrazvučnih uređaja. Dizajnirani za visoke performanse i udoban rad, korisnici cijene sigurno i jednostavno rukovanje opremom Hielscher Ultrasonics. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori daju amplitude do 200µm i idealni su za zahtjevne primjene. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Tabela u nastavku daje orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilot i industrijskim razmjerima.
Literatura / Reference
- 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 proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijskih do industrijskih veličina.