Sonohemijske reakcije i sinteza
Sonohemija je primena ultrazvuka na hemijske reakcije i procese. Mehanizam koji izaziva sonohemijske efekte u tečnostima je fenomen akustične kavitacije.
Hielscher ultrazvučni laboratorijski i industrijski uređaji koriste se u širokom spektru sonokemijskih procesa. Ultrazvučna kavitacija intenzivira i ubrzava hemijske reakcije kao što su sinteza i kataliza.
sonohemijske reakcije
Sljedeći sonohemijski efekti se mogu uočiti u hemijskim reakcijama i procesima:
- povećanje brzine reakcije
- povećanje izlazne reakcije
- efikasnije korišćenje energije
- sonohemijske metode za prebacivanje reakcionog puta
- poboljšanje performansi katalizatora faznog transfera
- izbjegavanje katalizatora faznog prijenosa
- upotreba sirovih ili tehničkih reagensa
- aktiviranje metala i čvrstih materija
- povećanje reaktivnosti reagensa ili katalizatora (kliknite ovdje da pročitate više o katalizi potpomognutoj ultrazvukom)
- poboljšanje sinteze čestica
- premazivanje nanočestica
7 ultrazvučnih homogenizatora model UIP1000hdT (7x 1kW ultrazvučne snage) instaliran kao klaster za sonohemijske reakcije u industrijskoj skali.
Prednosti ultrazvučno intenziviranih hemijskih reakcija
Ultrazvučno promovisane hemijske reakcije su uspostavljena tehnika intenziviranja procesa u oblasti hemijske sinteze i obrade. Koristeći moć ultrazvučnih talasa, ove reakcije nude brojne prednosti u odnosu na konvencionalne metode, poboljšavajući hemijsku katalizu i sintezu. Turbo brze stope konverzije, odlični prinosi, poboljšana selektivnost, poboljšana energetska efikasnost i smanjen uticaj na životnu sredinu su glavne prednosti sonohemijskih reakcija.
Tablica prikazuje neke istaknute prednosti ultrazvučno promovirane reakcije u odnosu na konvencionalne kemijske reakcije:
| Reakcija | Vrijeme reakcije Konvencionalno | Vrijeme reakcije Ultrasonics | Prinos konvencionalno (%) | Prinos ultrazvuk (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alderova ciklizacija | 35 č | 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 dugolančanih nezasićenih masnih estera | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oksidacija arilalkana | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michaelov dodatak nitroalkana monosupstituiranim α,β-nezasićenim esterima | 2 dana | 2 h | 85% | 90% |
| Permanganatna oksidacija 2-oktanola | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Sinteza halkona CLaisen-Schmidt kondenzacijom | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| UIllmannovo spajanje 2-jodonitrobenzena | 2 h | 2h | manje preplanule 1,5% | 70,4% |
| Reformatsky reakcija | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultrazvučna kavitacija u tečnostima
Kavitacija, odnosno formiranje, rast i implozivni kolaps mjehurića u tekućini. Kavitacijski kolaps proizvodi intenzivno lokalno zagrijavanje (~5000 K), visoke pritiske (~1000 atm) i ogromne brzine grijanja i hlađenja (>109 K/sec) i mlaz tekućine (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitacija pomoću UIP1000hd:
Kavitacijski mjehurići su vakuumski mjehurići. Vakuum se stvara brzom površinom s jedne strane i inertnom tekućinom s druge strane. Rezultirajuće razlike tlaka služe za prevazilaženje sila kohezije i adhezije unutar tekućine.
Kavitacija se može proizvesti na različite načine, kao što su Venturi mlaznice, mlaznice visokog pritiska, rotacija velike brzine ili ultrazvučni pretvarači. U svim tim sistemima ulazna energija se pretvara 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 tekućini.
Intenzitet ubrzanja je jedan od najvažnijih faktora koji utiče na efikasnu transformaciju energije u kavitaciju. Veće ubrzanje stvara veće razlike u pritisku. Ovo zauzvrat povećava vjerovatnoću stvaranja vakuumskih mjehurića umjesto stvaranja valova koji se šire kroz tekućinu. Dakle, što je veće ubrzanje, veći je udio energije koji se pretvara u kavitaciju. U slučaju ultrazvučnog pretvarača, intenzitet ubrzanja se opisuje amplitudom oscilacije.
Veće amplitude rezultiraju efikasnijim stvaranjem kavitacije. Industrijski uređaji Hielscher Ultrasonicsa mogu stvoriti amplitude do 115 µm. Ove velike amplitude omogućavaju visok omjer prijenosa snage što zauzvrat omogućava stvaranje velike gustine snage do 100 W/cm³.
Osim intenziteta, tekućinu treba ubrzati na način da se stvaraju minimalni gubici u smislu turbulencija, trenja i stvaranja valova. Za to je optimalan način jednostrani smjer kretanja.
Ultrazvučni reaktor sa 16.000 vati za sonohemijski poboljšanu inline transesterifikaciju.
- priprema aktiviranih metala redukcijom soli metala
- stvaranje aktiviranih metala sonikacijom
- sonohemijska sinteza čestica taloženjem metalnih (Fe, Cr, Mn, Co) oksida, npr. za upotrebu kao katalizatori
- impregnacija metala ili metalnih halogenida na nosače
- priprema rastvora aktiviranih metala
- reakcije koje uključuju metale putem in situ generiranih vrsta organoelemenata
- reakcije koje uključuju nemetalne čvrste tvari
- kristalizacija i taloženje metala, legura, zeolita i drugih čvrstih materija
- modifikacija površinske morfologije i veličine čestica brzim međučestičnim sudarima
- formiranje amorfnih nanostrukturiranih materijala, uključujući prelazne metale velike površine, legure, karbide, okside i koloide
- aglomeracija kristala
- zaglađivanje i uklanjanje pasivirajućeg oksidnog premaza
- mikromanipulacija (frakcionisanje) malih čestica
- disperzija čvrstih materija
- priprema koloida (Ag, Au, CdS veličine Q)
- interkalacija molekula gostiju u neorganske slojevite čvrste materije domaćina
- sonohemija polimera
- degradacija i modifikacija polimera
- sinteza polimera
- sonoliza organskih zagađivača u vodi
sonohemijska oprema
Većina spomenutih sonohemijskih procesa može se naknadno opremiti za rad u liniji. Biće nam drago da vam pomognemo u odabiru sonohemijske opreme za vaše potrebe obrade. Za istraživanje i ispitivanje procesa preporučujemo naše laboratorijske uređaje ili UIP1000hdT set.
Ako je potrebno, ultrazvučni uređaji i reaktori sa FM i ATEX certifikatom (npr UIP1000-Exd) dostupni su za sonikaciju zapaljivih hemikalija i formulacija proizvoda u opasnim okruženjima.
Ultrazvučna kavitacija mijenja reakcije otvaranja prstena
Ultrazvuk je alternativni mehanizam toplini, pritisku, svjetlu ili struji za pokretanje kemijskih reakcija. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth, i njihov tim u Hemijski fakultet na Univerzitetu Illinois u Urbana-Champaign koristio ultrazvučnu snagu da pokrene i manipuliše reakcijama otvaranja prstena. Pod sonikacijom, hemijske reakcije su proizvele proizvode drugačije od onih predviđenih pravilima orbitalne simetrije (Nature 2007, 446, 423). Grupa je povezala mehanički osjetljive 1,2-disupstituirane izomere benzociklobutena na dva lanca polietilen glikola, primijenila ultrazvučnu energiju i analizirala rastvore u rasutom stanju koristeći C13 spektroskopija nuklearne magnetne rezonance. Spektri su pokazali da i cis i trans izomeri daju isti proizvod sa otvorenim prstenom, onaj koji se očekuje od trans izomera. Dok toplinska energija uzrokuje nasumično Brownovo kretanje reaktanata, mehanička energija ultrazvučne obrade daje smjer atomskim kretanjima. Stoga, kavitacijski efekti efikasno usmjeravaju energiju naprezanjem molekula, preoblikujući površinu potencijalne energije.
Ultrasonikatori tipa sonde kao UP400St intenziviraju sintezu nanočestica. Sonohemijski put je jednostavan, efikasan, brz i radi sa netoksičnim hemikalijama u blagim uslovima.
Ultrasonikatori visokih performansi za sonohemiju
Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučne procesore za laboratorije i industriju. Svi Hielscher ultrasonikatori su vrlo moćni i robusni ultrazvučni strojevi i napravljeni za kontinuirani 24/7 rad pod punim opterećenjem. Digitalna kontrola, programabilna podešavanja, praćenje temperature, automatsko protokoliranje podataka i daljinsko upravljanje pretraživačem samo su neke od karakteristika Hielscher ultrasonikatora. Dizajniran za visoke performanse i udoban rad, korisnici cijene sigurno i jednostavno rukovanje Hielscher Ultrasonics opremom. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori isporučuju amplitude do 200µm i idealni su za teške aplikacije. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim 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 ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.