Sonohemija i sonohemijski reaktori
Sonohemija je oblast hemije u kojoj se ultrazvuk visokog intenziteta koristi za indukciju, ubrzavanje i modifikovanje hemijskih reakcija (sinteza, kataliza, degradacija, polimerizacija, hidroliza itd.). Ultrazvučno generisanu kavitaciju karakterišu jedinstveni uslovi gustoće energije, koji promovišu i intenziviraju hemijske reakcije. Brže brzine reakcije, veći prinosi i upotreba zelenih, blažih reagensa pretvaraju sonohemiju u veoma povoljan alat za postizanje poboljšanih hemijskih reakcija.
Sonochemistry
Sonohemija je polje istraživanja i obrade u kojem molekuli prolaze kroz hemijsku reakciju zbog primene ultrazvučne obrade visokog intenziteta (npr. 20 kHz). Fenomen odgovoran za sonohemijske reakcije je akustična kavitacija. Akustična ili ultrazvučna kavitacija nastaje kada se snažni ultrazvučni talasi spoje u tečnost ili kašu. Zbog naizmjeničnih ciklusa visokog/niskog tlaka uzrokovanih snažnim ultrazvučnim valovima u tekućini, stvaraju se vakuumski mjehurići (kavitacijske šupljine) koji rastu u nekoliko ciklusa pritiska. Kada kavitacijski vakuumski mjehur dostigne određenu veličinu u kojoj ne može apsorbirati više energije, vakuumski mjehur naglo implodira i stvara vruću tačku visoke energetske gustine. Ovu vruću tačku koja se javlja lokalno karakteriziraju vrlo visoke temperature, pritisci i mikro strujanje izuzetno brzih mlazova tekućine.
Zatvoreni šaržni reaktor izrađen od nehrđajućeg čelika je opremljen ultrasonikator UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustična kavitacija i efekti ultrazvučne obrade visokog intenziteta
Akustična kavitacija, koja se često naziva i ultrazvučna kavitacija, može se razlikovati u dva oblika, stabilnu i prolaznu kavitaciju. Tokom stabilne kavitacije, kavitacioni mehur oscilira mnogo puta oko svog ravnotežnog radijusa, dok tokom prolazne kavitacije, u kojoj kratkotrajni mehur prolazi kroz dramatične promene zapremine u nekoliko akustičkih ciklusa i završava nasilnim kolapsom (Suslick 1988). Stabilna i prolazna kavitacija može se pojaviti istovremeno u rastvoru i mehur koji prolazi kroz stabilnu kavitaciju može postati prolazna šupljina. Implozija mjehurića, koja je karakteristična za prolaznu kavitaciju i ultrazvuk visokog intenziteta, stvara različite fizičke uvjete uključujući vrlo visoke temperature od 5000-25 000 K, pritiske do nekoliko 1000 bara i struje tekućine sa brzinama do 1000 m/s. Budući da se kolaps/implozija kavitacijskih mjehurića događa za manje od nanosekunde, vrlo visoke stope zagrijavanja i hlađenja veće od 1011 K/s se može posmatrati. Tako visoke brzine zagrijavanja i razlike tlaka mogu pokrenuti i ubrzati reakcije. Što se tiče tekućih tokova koji se pojavljuju, ovi mikromlaznici velike brzine pokazuju posebno velike prednosti kada su u pitanju heterogene kruto-tečne suspenzije. Mlazevi tekućine udaraju u površinu punom temperaturom i pritiskom kolapsirajućeg mjehura i uzrokuju eroziju putem sudara između čestica, kao i lokaliziranog topljenja. Posljedično, uočen je značajno poboljšan prijenos mase u otopini.
Ultrazvučna kavitacija se najefikasnije stvara u tečnostima i rastvaračima sa niskim pritiscima pare. Stoga su mediji sa niskim pritiskom pare povoljni za sonohemijske primjene.
Kao rezultat ultrazvučne kavitacije, stvorene intenzivne sile mogu prebaciti puteve reakcija na efikasnije puteve, tako da se izbjegnu potpunije konverzije i/ili proizvodnja neželjenih nusproizvoda.
Energetski gust prostor nastao kolapsom kavitacionih mjehurića naziva se vruća tačka. Ultrazvuk niske frekvencije, velike snage u opsegu od 20 kHz i sposobnost stvaranja velikih amplituda je dobro uspostavljen za stvaranje intenzivnih vrućih tačaka i povoljnih sonohemijskih uslova.
Ultrazvučna laboratorijska oprema kao i industrijski ultrazvučni reaktori za komercijalne sonohemijske procese su lako dostupni i dokazani kao pouzdani, efikasni i ekološki prihvatljivi u laboratorijskim, pilotskim i potpuno industrijskim razmerama. Sonohemijske reakcije se mogu izvoditi kao šaržni (tj. otvoreni sud) ili in-line proces korištenjem zatvorenog protočnog ćelijskog reaktora.
sono-sinteza
Sono-sinteza ili sonohemijska sinteza je primjena ultrazvučno generirane kavitacije kako bi se pokrenule i promovirale kemijske reakcije. Ultrazvuk velike snage (npr. na 20 kHz) pokazuje jake efekte na molekule i hemijske veze. Na primjer, sonohemijski efekti koji su rezultat intenzivne sonikacije mogu dovesti do cijepanja molekula, stvaranja slobodnih radikala i/ili promjene kemijskih puteva. Sonohemijska sinteza se stoga intenzivno koristi za proizvodnju ili modifikaciju širokog spektra nanostrukturiranih materijala. Primjeri za nanomaterijale proizvedene sono-sintezom su nanočestice (NP) (npr. zlatni NP, srebrni NP), pigmenti, nanočestice jezgra i ljuske, nano-hidroksiapatit, metalni organski okviri (MOF), aktivni farmaceutski sastojci (API), nanočestice ukrašene mikrosferama, nanokompoziti među mnogim drugim materijalima.
primjeri: Ultrazvučna transesterifikacija metil estera masnih kiselina (biodizel) ili transesterifikacija poliola pomoću ultrazvuka.
TEM slika (A) i njena distribucija veličine čestica (B) nanočestica srebra (Ag-NP), koje su sonohemijski sintetizovane pod optimalnim uslovima.
Široko se primjenjuje i ultrazvučno promovirana kristalizacija (sonokristalizacija), gdje se ultrazvučni ultrazvuk koristi za proizvodnju prezasićenih otopina, za pokretanje kristalizacije/taloženja i kontrolu veličine i morfologije kristala putem ultrazvučnih parametara procesa. Kliknite ovdje da saznate više o sono-kristalizaciji!
sonokataliza
Soniciranje kemijske suspenzije ili otopine može značajno poboljšati katalitičke reakcije. Sonohemijska energija smanjuje vrijeme reakcije, poboljšava prijenos topline i mase, što rezultira povećanjem konstanti hemijske brzine, prinosa i selektivnosti.
Postoje brojni katalitički procesi, koji imaju drastične koristi od primjene ultrazvuka snage i njegovih sonohemijskih efekata. Svaka reakcija katalize heterogenog prijenosa faze (PTC) koja uključuje dvije ili više tekućina koje se ne miješaju ili sastav tekućine i čvrste tvari, ima koristi od sonikacije, sonohemijske energije i poboljšanog prijenosa mase.
Na primjer, komparativna analiza tihe i ultrazvučno potpomognute katalitičke vlažne peroksidne oksidacije fenola u vodi otkrila je da ultrazvuk smanjuje energetsku barijeru reakcije, ali nema utjecaja na put reakcije. Energija aktivacije za oksidaciju fenola preko RuI3 katalizator tokom ultrazvučne obrade je 13 kJ mol-1, što je četiri puta manje u odnosu na proces tihe oksidacije (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010.)
Sonohemijska kataliza se uspešno koristi za proizvodnju hemijskih proizvoda kao i za proizvodnju mikro- i nano-strukturiranih neorganskih materijala kao što su metali, legure, metalna jedinjenja, nemetalni materijali i neorganski kompoziti. Uobičajeni primjeri ultrazvučno potpomognutog PTC-a su transesterifikacija slobodnih masnih kiselina u metil ester (biodizel), hidroliza, saponifikacija biljnih ulja, sono-Fenton reakcija (procesi slični Fentonu), sonokatalitička degradacija itd.
Pročitajte više o sono-katalizi i specifičnim primjenama!
Sonikacija poboljšava hemiju klikova kao što su reakcije cikloadicije azida i alkina!
Druge sonohemijske aplikacije
Zbog svoje raznovrsne upotrebe, pouzdanosti i jednostavnog rada, sonohemijski sistemi kao što su UP400St ili UIP2000hdT cijenjeni su kao efikasna oprema za hemijske reakcije. Hielscher Ultrasonics sonochemical uređaji mogu se lako koristiti za serije (otvorena čaša) i kontinuirano inline sonication koristeći sonochemical protok ćelije. Sonohemija uključujući sono-sintezu, sono-katalizu, degradaciju ili polimerizaciju naširoko se koristi u hemiji, nanotehnologiji, nauci o materijalima, farmaciji, mikrobiologiji kao iu drugim industrijama.
Industrijski ultrasonikator UIP2000hdT (2kW) sa sonohemijskim inline reaktorom.
Sonohemijska oprema visokih performansi
Hielscher Ultrasonics je vaš glavni dobavljač inovativnih, najsavremenijih ultrasonikatora, sonohemijskih protočnih ćelija, reaktora i pribora za efikasne i pouzdane sonohemijske reakcije. Svi Hielscher ultrasonikatori su ekskluzivno dizajnirani, proizvedeni i testirani u sjedištu Hielscher Ultrasonics u Teltowu (blizu Berlina), Njemačka. Pored najviših tehničkih standarda i izuzetne robusnosti i rada 24/7/365 za visoko efikasan rad, Hielscher ultrasonikatori su laki i pouzdani za rukovanje. Visoka efikasnost, pametan softver, intuitivan meni, automatsko protokoliranje podataka i daljinsko upravljanje pretraživačem samo su neke od karakteristika koje razlikuju Hielscher Ultrasonics od drugih proizvođača sonohemijske opreme.
Precizno podesive amplitude
Amplituda je pomak na prednjem dijelu (vrhu) sonotrode (također poznat kao ultrazvučna sonda ili rog) i glavni je faktor utjecaja na ultrazvučnu kavitaciju. Veće amplitude znače intenzivniju kavitaciju. Potreban intenzitet kavitacije snažno zavisi od vrste reakcije, upotrebljenih hemijskih reagensa i ciljanih rezultata specifične sonohemijske reakcije. To znači da amplituda treba biti precizno podesiva kako bi se intenzitet akustične kavitacije podesio na idealan nivo. Svi Hielscher ultrasonikatori mogu se pouzdano i precizno podesiti preko inteligentne digitalne kontrole do idealne amplitude. Booster rogovi se mogu dodatno koristiti za mehanički smanjenje ili povećanje amplitude. Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo velike amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Precizna kontrola temperature tokom sonohemijskih reakcija
U žarištu kavitacije mogu se uočiti ekstremno visoke temperature od više hiljada stepeni Celzijusa. Međutim, ove ekstremne temperature su lokalno ograničene na sitnu unutrašnjost i okruženje implodirajućeg kavitacionog mjehura. U rasutom rastvoru, porast temperature od implozije jednog ili nekoliko kavitacionih mjehurića je zanemariv. Ali kontinuirana, intenzivna sonikacija tokom dužeg perioda može uzrokovati postepeno povećanje temperature tečnosti u rasutom stanju. Ovo povećanje temperature doprinosi mnogim hemijskim reakcijama i često se smatra korisnim. Međutim, različite kemijske reakcije imaju različite optimalne temperature reakcije. Kada se obrađuju materijali osjetljivi na toplinu, može biti potrebna kontrola temperature. Kako bi omogućio idealne termičke uslove tokom sonohemijskih procesa, Hielscher Ultrasonics nudi razna sofisticirana rješenja za preciznu kontrolu temperature tokom sonohemijskih procesa, kao što su sonohemijski reaktori i protočne ćelije opremljene rashladnim omotačem.
Naše sonohemijske protočne ćelije i reaktori dostupni su sa rashladnim omotačem, koji podržavaju efikasno odvođenje toplote. Za kontinuirano praćenje temperature, Hielscher ultrasonikatori su opremljeni senzorom temperature koji se može priključiti, koji se može umetnuti u tekućinu za konstantno mjerenje ukupne temperature. Sofisticirani softver omogućava podešavanje temperaturnog raspona. Kada se prekorači granica temperature, ultrasonikator automatski pauzira dok se temperatura u tečnosti ne spusti na određenu zadatu tačku i ponovo počne automatski sonikirati. Sva mjerenja temperature kao i drugi važni ultrazvučni procesni podaci se automatski snimaju na ugrađenu SD karticu i mogu se lako revidirati za kontrolu procesa.
Temperatura je ključni parametar sonohemijskih procesa. Hielscherova razrađena tehnologija pomaže vam da održite temperaturu vaše sonohemijske aplikacije u idealnom temperaturnom rasponu.
- visoka efikasnost
- najsavremenija tehnologija
- jednostavan i siguran za rad
- pouzdanost & robusnost
- serija & U redu
- za bilo koju zapreminu
- inteligentni softver
- pametne funkcije (npr. protokoliranje podataka)
- CIP (čišćenje na mjestu)
Sonohemijski reaktor: Intenzivna sonikacija i rezultirajuća kavitacija inicira i intenzivira hemijske reakcije i može promeniti čak i puteve.
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.
Primjeri ultrazvučno poboljšane kemijske reakcije u odnosu na konvencionalne reakcije
Tabela ispod daje pregled nekoliko uobičajenih hemijskih reakcija. Za svaki tip reakcije, konvencionalno vođena reakcija naspram ultrazvučno pojačane reakcije se uspoređuje u pogledu prinosa i brzine konverzije.
| 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% |
(usp. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Osnove intenziviranja procesa, prvo izdanje. Izdanje Wiley 2019.)
Literatura / Reference
- 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.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.