Sonohemija je polje hemije gdje se ultrazvuk visokog inteziteta koristi za induciranje, ubrzavanje i modificiranje hemijskih reakcija (sinteza, kataliza, degradacija, polimerizacija, hidroliza itd.). Ultrazvučno generiranu kavitaciju karakteriziraju jedinstveni energetski gusti uvjeti, koji promovišu i intenziviziraju hemijske reakcije. Brže stope reakcija, veći prinosi i upotreba zelenih, blažih reagenta pretvaraju sonohemiju u vrlo koristan alat kako bi dobili poboljšane hemijske reakcije.

Sonohemiju

Sonohemija je istraživačko i procesno polje u kojem molekule podvrgava hemijskoj reakciji zbog primjene ultrasonikacije visokog inteziteta (npr. 20 kHz). Fenomen odgovoran za sonohemske reakcije je akustična kavitacija. Akustična ili ultrazvučna kavitacija nastaje kada se snažni ultrazvučni talasi spoje u tekućinu ili mulj. Zbog naizmjenični visokotlačni / niskotlačni ciklusi uzrokovani ultrazvučnim valovima snage u tekućini, stvaraju se vakuumski mjehurići (kavitacione praznine) koji rastu preko nekoliko ciklusa pritiska. Kada kavitacioni vakuumski mjehur dostigne određenu veličinu gdje ne može apsorbirati više energije, vakuumski mjehurić implodira nasilno i stvara visoko energetski gusto vruće mjesto. Ova lokalna vruća tačka se karakterizira vrlo visokim temperaturama, pritiscima i mikro streamingom izuzetno brzih tekućih mlazova.

Akustična kavitacija i efekti ultrasonication visokog inteziteta

Akustična kavitacija, često se naziva i ultrazvučna kavitacija, može se razlučivati u dva oblika, stabilnu i prolaznu kavitaciju. Tokom stabilne kavitacije, mjehurić kavitacije oscilira mnogo puta oko svog radijusa ravnoteže, dok tokom prolazne kavitacije, u kojoj kratkog živućeg mjehurića prolaze dramatične promjene volumena u nekoliko akustičanih ciklusa i prekida u nasilnom kolapsu (Suslick 1988). Stabilna i prolazna kavitacija može se pojaviti istovremeno u otopini i mjehurić koji se podvlači stabilnom kavitacijom može postati prolazna šupljina. Implozija mjehurića, koja je karakteristična za prolaznu kavitaciju i sonikaciju visokog inteziteta, stvara različite fizičke uslove uključujući vrlo visoke temperature od 5000 do 25.000 K, pritiske do nekoliko 1000 bara, te tekuće potoke sa brzinama do 1000m/s. Pošto se kolaps/implozija kavitacionih mjehurića javlja u manje od nanosekunda, vrlo visoka brzina grijanja i hlađenja u većem od 10¹¹ K/s se može promatrati. Takve visoke stope grijanja i di differentiali pritiska mogu pokrenuti i ubrzati reakcije. Što se tiče tekućih tokova, ovi brzi mikrojedlati pokazuju posebno velike prednosti kada je riječ o heterogenim čvrstim i tekućim muljama. Tečni avioni nailaze na površinu sa punom temperaturom i pritiskom urušavajućeg mjehurića i uzrokuju eroziju putem sudara međučestica kao i lokalizirano topljenje. Prema tome, uočavan je znatno poboljšan prijenos mase u otopini.

Ultrazvučna kavitacija se najefektivnije generira u tekućinama i otapalima sa niskim pritiscima vatre. Stoga su mediji s niskim pritiscima para povoljivi za sonohemijskim primjenama.
Kao rezultat ultrazvučne kavitacije, intenzivne sile stvorene mogu prebaciti puteve reakcija na efikasnije rute, tako da se izbjegnu potpunije konverzije i/ili proizvodnja neželjenih stranih proizvoda.
Energetski gusti prostor nastao kolapsom kavitacionih mjehurića naziva se vruća tačka. Niska frekvencija, ultrazvuk velike snage u dometu od 20kHz i sposobnost kreiranja visokih amplituda je dobro uspostavljena za generaciju intenzivnih vrućih tacaka i pogodnih sonohemijskih uslova.

Ultrazvučna laboratorijska oprema kao i industrijski ultrazvučni reaktori za komercijalne sonohemske procese su dostupne i dokazane kao pouzdane, efikasne i ekološki prihvatljive na laboratorijskim, pilotskim i potpuno industrijskim razmjerima. Sonohemske reakcije se mogu izvršiti kao seronja (dakle, otvorena posuda) ili in-line proces pomoću zatvorenog reaktora ćelija protoka.

sono-sinteze

Sono-sinteza ili sonohemska sinteza je primjena ultrazvučno generirane kavitacije kako bi se pokrenule i promovirale hemijske reakcije. Ultrasonikacija velike snage (npr. na 20 kHz) pokazuje snažne efekte na molekule i hemijske veze. Na primjer, sonohemijski efekti koji su posljedica intenzivne sonikacije mogu rezultirati cijepanjem molekula, stvaranjem slobodnih radikala, i/ili zamjenom hemijskih puteva. Sonohemijski sinteza se stoga intenzivno koristi za izmišljanje ili modifikaciju širokog spektra nano-strukturnih materijala. Primjeri za nanomaterijale proizvedene putem sono-sinteze su nanočestice (NPs) (npr. zlatni NPs, srebrni NPS), pigmenti, nano-čestice jezgre ljuske, nano-hidroksiapatit, metalni organski okviri (MOF), aktivni farmaceutski sastojci (API), mikrosfera ukrašene nanočestice, nano-kompoziti među mnogim drugim materijalima.
Primjeri: Ultrazvučna transesterifikacija metil estera masne kiseline (biodizel) ili transesterifikacija poliola pomoću ultrazvuka.

TEM slika (A) i njena distribucija veličine čestica (B) srebrnih nanočestica (Ag-NPs), koje su sonohemijski sintetizirane u optimalnim uvjetima.

Također se široko primjenjuje ultrazvučno promovisana kristalizacija (sono-kristalizacija), gdje se power-ultrazvuk koristi za proizvodnju supersasićenih rješenja, za iniciranje kristalizacije / padavina, te kontrolu veličine kristala i morfologije putem ultrazvučnih parametara procesa. Kliknite ovdje da biste saznali više o sono-kristalizaciji!

Sono-katalizu

Sonicacija hemijske suspenzije ili otopine može značajno poboljšati katalitičke reakcije. Sonohemska energija smanjuje vrijeme reakcije, poboljšava prijenos topline i mase, što naknadno rezultira povećanim konstantama hemijske stope, prinosima i selektivnostima.
Postoje brojni katalitički procesi, što drastično koristi od primjene ultrazvuka moći i njegovih sonohemijskih efekata. Bilo koja heterogena faza transfera kataliza (PTC) reakcija koja uključuje dvije ili više nepomične tekućine ili tečnost-čvrsti sastav, koristi od sonication, sonochemical energije i poboljšani prijenos mase.
Na primjer, komparativna analiza tihe i ultrazvučno asistirajuće katalitičke mokra peroksid oksidacije fenola u vodi je otkrila da je sonikacija smanjila energetsku barijeru reakcije, ali nije imala utjecaja na put reakcije. Energija aktivacije za oksidaciju fenola iznad RuI₃ katalizist tokom sonicationa je pronađen da je 13 kJ mol^-1, koja je bila četiri puta manja u poređenju sa procesom tihe oksidacije (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonohemijski kataliz se uspješno koristi za proizvodnju hemijskih proizvoda kao i za proizvodnju mikron- i nano-strukturiranih anorganskih materijala kao što su metali, slitine, metalna spoja, nemetalnih materijala, i anorganskih kompozita. Uobičajeni primjeri ultrazvučno asistiranog PTC-a su transesterifikacija slobodnih masnih kiselina u metil ester (biodizel), hidroliza, saponifikacija povrtnih ulja, sono-Fentonova reakcija (procesi nalič fentonu), sonokatalitička degradacija itd.
Pročitajte više o sono-kataliziji i specifičnim primjenama!
Sonikacija poboljšava hemiju klikova kao što su reakcije azid-alkina cikloadicije!

Ostale sonokemske aplikacije

Zbog njihove svestrane ukorištenosti, pouzdanosti i jednostavnog pogona, sonohemijski sistemi kao što su UP400St ili UIP2000hdT se vrednuju kao efikasna oprema za hemijske reakcije. Hielscher Ultrasonics sonochemical uređaji mogu se lako koristiti za batch (open beaker) i kontinuirano inline sonication pomoću sonohemijskih ćelija protoka. Sonohemija uključujući sono-sintezu, sono-katalizu, degradaciju, ili polimerizaciju se naširoko koriste u hemiji, nanotehnologiji, znanosti o materijalima, farmaceutici, mikrobiologiji kao i u drugim industrijama.

High-Performance Sonochemical Equipment

Hielscher Ultrasonics je vaš vrhunski dobavljač inovativnih, najmodernijih ultrasonicatora, sonohemijskih ćelija protoka, reaktora i pribora za efikasne i pouzdane sonohemičke reakcije. Svi Hielscherovi ultrasonicatori su isključivo dizajnirani, proizvedeni i testirani u hielscher ultrasonicsu u Teltowu (u blizini Berlina), Njemačka. Osim najviših tehničkih standarda i izvanredne robusnosti i 24/7/365 operacije za vrlo efikasan rad, Hielscherovi ultrazvučnici su laki i pouzdani za rad. Visoka efikasnost, pametan softver, intuitivni meni, automatsko protokoliranje podataka i daljinski upravljač preglednika su samo nekoliko funkcija koje od drugih proizvođača sonohemijskih opreme razilaže Hielscher Ultrasonics.

Precizno podesiva amplituda

Amplituda je pomak na prednjem (vrhu) sonotrode (poznat i kao ultrazvučna sonda ili rog) i glavni je faktor uticaja ultrazvučne kavitacije. Više amplitude znače intenzivnije kavitacije. Potreban jačina kavitacije snažno zavisi od tipa reakcije, korištenih hemijskih reagenta i ciljanih rezultata specifične sonohemske reakcije. To znači da amplituda treba biti precizno podesiva kako bi se jača akustična kavitacija prilagodila idealnom nivou. Svi Hielscherovi ultrasonicatori se mogu pouzdano i precizno podesiti putem inteligentne digitalne kontrole na idealnu amplitudu. Booster rogovi se mogu dodatno koristiti za sniženje ili povećanje amplitude mehički. Ultrazvuka’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitute. Amplitute do 200μm mogu se lako kontinuirano pokrenuti u 24/7 operaciji. Za još više amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.

Precizna kontrola temperature tokom sonohemijskih reakcija

U kavitaciji vrućoj tački mogu se posmatrati izuzetno visoke temperature od mnogo hiljada stepeni Celzijusovih. Međutim, ove ekstremne temperature su ograničene lokalno na minutnu unutrašnjost i okruženje implodnog kavitacionog mjehurića. U rastućem rastvoru temperatura raste od implozije jedan ili nekoliko kavitacionih mjehurića je zanemarljiv. Ali kontinuirano, intenzivno sonication za duže periode može uzrokovati inkrementalno povećanje temperature tečnosti u bulk. Ovo povećanje temperature doprinosi mnogim hemijskim reakcijama i često se smatra korisnom. Međutim, različite hemijske reakcije imaju različite optimalne temperature reakcije. Kada se tretiraju toplotno osjetljivi materijali, kontrola temperature može biti potrebna. Kako bi omogućio idealne termalne uslove tokom sonohemijskih procesa, Hielscher Ultrasonics nudi različita sofisticirana rješenja za preciznu kontrolu temperature tokom sonohemijskih procesa, kao što su sonohemijski reaktori i ćelije protoka opremljene sakoima za hlađenje.
Naše sonohemične ćelije protoka i reaktori su dostupni sa jaknama za hlađenje, koje podržavaju efikasno disipiranje toplote. Za kontinuirano praćenje temperature, Hielscher ultrasonicators su opremljeni plugable temperaturnim senzorom, koji se može umetnuti u tekućinu za stalno mjerenje glavne temperature. Sofisticirani softver omogućava postavljanje temperaturnog raspona. Kada je ograničenje temperature prekoračeno, ultrasonikator automatski zastaje dok se temperatura u tekućini ne spusti na određenu postavljenu tačku i ponovo počne automatski da soniči. Sva mjerenja temperature kao i drugi važni podaci ultrazvučnog procesa automatski se snimaju na ugrađenoj SD kartici i mogu se lako revidirati za kontrolu procesa.
Temperatura je presudan parametar sonohemijskih procesa. Hielscherova elaborirana tehnologija vam pomaže da zadržite temperaturu vaše sonohemičke primjene u idealnom temperaturnom rasponu.

Tabela u nastavku daje naznaku približan kapacitet prerade naših ultrasonicators: