Sonochemické reakce a syntéza
Sonochemie je aplikace ultrazvuku na chemické reakce a procesy. Mechanismem způsobujícím sonochemické účinky v kapalinách je jev akustické kavitace.
Hielscher ultrazvuková laboratorní a průmyslová zařízení se používají v široké škále sonochemických procesů. Ultrazvuková kavitace zesiluje a urychluje chemické reakce, jako je syntéza a katalýza.
Sonochemické reakce
V chemických reakcích a procesech lze pozorovat následující sonochemické účinky:
- zvýšení reakční rychlosti
- zvýšení reakčního výkonu
- Efektivnější využití energie
- sonochemické metody pro přepínání reakční dráhy
- Zlepšení výkonu fázových katalyzátorů
- Vyhýbání se katalyzátorům přenosu fází
- použití surových nebo technických činidel
- aktivace kovů a pevných látek
- zvýšení reaktivity činidel nebo katalyzátorů (Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukem asistované katalýze)
- zlepšení syntézy částic
- povlakování nanočástic
7 ultrazvukových homogenizátorů model UIP1000hdT (7x 1kW ultrazvukový výkon) instalovaný jako cluster pro sonochemické reakce v průmyslovém měřítku.
Výhody ultrazvukem zesílených chemických reakcí
Ultrazvukem podporované chemické reakce jsou zavedenou technikou intenzifikace procesů v oblasti chemické syntézy a zpracování. Využitím síly ultrazvukových vln nabízejí tyto reakce řadu výhod oproti konvenčním metodám a zlepšují chemickou katalýzu a syntézu. Turbo rychlé konverzní poměry, vynikající výnosy, zvýšená selektivita, zlepšená energetická účinnost a snížený dopad na životní prostředí jsou hlavními výhodami sonochemických reakcí.
Úder do stolu ukazuje některé významné výhody ultrazvukem podporované reakce oproti konvenčním chemickým reakcím:
| reakce | Reakční doba Konvenční |
Reakční doba ultrazvuk |
výnos Konvenční (%) |
výnos Ultrazvuk (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alderova cyklizace | 35 h | 3,5 h | 77.9 | 97.3 |
| Oxidace indanu na indane-1-on | 3 h | 3 h | méně než 27 % | 73% |
| Snížení methoxyaminosilanu | Žádná reakce | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidace nenasycených mastných esterů s dlouhým řetězcem | 2 h | 15 minut | 48% | 92% |
| Oxidace arylalkanů | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Přídavek nitroalkanů do monosubstituovaných α β-nenasycených esterů | 2 dny | 2 h | 85% | 90% |
| Oxidace oktantanu 2-olu manganistanem | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Syntéza chalkonů pomocí CLaisen-Schmidtovy kondenzace | 60 minut | 10 minut | 5% | 76% |
| UIllmannova vazba 2-jodnitrobenzenu | 2 h | 2H | méně opálení 1,5% | 70.4% |
| Reformátská reakce | 12h | 30 minut | 50% | 98% |
Ultrazvuková kavitace v kapalinách
Kavitace, to je tvorba, růst a implozivní shroubení bublin v kapalině. Kavitační kolaps produkuje intenzivní místní ohřev (~5000 K), vysoké tlaky (~1000 atm) a enormní rychlosti ohřevu a chlazení (>109 K/s) a kapalné proudy (~400 km/h). (Šušlick 1998)
Kavitace pomocí UIP1000hd řekl::
Kavitační bubliny jsou vakuové bubliny. Vakuum je tvořeno rychle se pohybujícím povrchem na jedné straně a inertní kapalinou na straně druhé. Výsledné tlakové rozdíly slouží k překonání kohezních a adhezních sil v kapalině.
Kavitaci lze vyrobit různými způsoby, jako jsou Venturiho trysky, vysokotlaké trysky, vysokorychlostní rotace nebo ultrazvukové převodníky. Ve všech těchto systémech se vstupní energie transformuje na tření, turbulence, vlny a kavitaci. Podíl vstupní energie, která je transformována na kavitaci, závisí na několika faktorech popisujících pohyb zařízení generujícího kavitaci v kapalině.
Intenzita zrychlení je jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících efektivní přeměnu energie na kavitaci. Vyšší zrychlení vytváří větší tlakové rozdíly. To zase zvyšuje pravděpodobnost vzniku vakuových bublin namísto vytváření vln šířících se kapalinou. Čím vyšší je tedy zrychlení, tím vyšší je podíl energie, která se přemění na kavitaci. V případě ultrazvukového snímače je intenzita zrychlení popsána amplitudou kmitání.
Vyšší amplitudy mají za následek efektivnější vytváření kavitace. Průmyslová zařízení Hielscher Ultrasonics mohou vytvářet amplitudy až 115 μm. Tyto vysoké amplitudy umožňují vysoký poměr přenosu výkonu, což zase umožňuje vytvářet vysoké hustoty výkonu až 100 W/cm³.
Kromě intenzity by kapalina měla být urychlena tak, aby se vytvořily minimální ztráty, pokud jde o turbulence, tření a generování vln. Optimálním způsobem je jednostranný směr pohybu.
Ultrazvukový reaktor s výkonem 16 000 W pro sonochemicky zesílenou inline transesterifikaci.
- Příprava aktivních kovů redukcí solí kovů
- Generování aktivních kovů sonikací
- sonochemická syntéza částic srážením oxidů kovů (Fe, Cr, Mn, Co), např. pro použití jako katalyzátory
- impregnace kovů nebo halogenidů kovů na nosičích
- Příprava roztoků aktivovaných kovů
- reakce zahrnující kovy prostřednictvím in situ generovaných organoelementů
- reakce zahrnující nekovové pevné látky
- krystalizace a srážení kovů, slitin, zeolitů a dalších pevných látek
- modifikace povrchové morfologie a velikosti částic vysokorychlostními mezičásticovými srážkami
- tvorba amorfních nanostrukturovaných materiálů, včetně přechodných kovů s vysokým povrchem, slitin, karbidů, oxidů a koloidů
- aglomerace krystalů
- vyhlazení a odstranění pasivačního oxidového povlaku
- Mikromanipulace (frakcionace) malých částic
- disperze pevných látek
- příprava koloidů (Ag, Au, Q-size CdS)
- Interkalace hostujících molekul do hostitelských anorganických vrstevnatých pevných látek
- Sonochemie polymerů
- Degradace a modifikace polymerů
- Syntéza polymerů
- Sonolýza organických polutantů ve vodě
Sonochemické vybavení
Většinu zmíněných sonochemických procesů lze dovybavit tak, aby fungovaly inline. Rádi vám pomůžeme s výběrem sonochemického zařízení pro vaše potřeby zpracování. Pro výzkum a testování procesů doporučujeme naše laboratorní přístroje nebo UIP1000hdT set.
V případě potřeby jsou ultrazvuková zařízení a reaktory s certifikací FM a ATEX (např. UIP1000-Exd) jsou k dispozici pro sonikaci hořlavých chemikálií a formulací produktů v nebezpečných prostředích.
Ultrazvukové kavitační změny Reakce otevírající prstenec
Ultrazvuku je alternativní mechanismus k teplu, tlaku, světlu nebo elektřině k zahájení chemických reakcí. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth a jejich tým na Fakulta chemie na University of Illinois v Urbana-Champaign Používal ultrazvukovou energii ke spouštění a manipulaci s reakcemi otevírání prstence. Při sonikaci chemické reakce generovaly produkty odlišné od těch, které předpovídají pravidla orbitální symetrie (Nature 2007, 446, 423). Skupina spojila mechanicky citlivé izomery benzocyklobutenu s 1,2-disubstituovanými izomery benzocyklobutenu se dvěma polyethylenglykolovými řetězci, aplikovala ultrazvukovou energii a analyzovala objemové roztoky pomocí C13 Spektroskopie nukleární magnetické rezonance. Spektra ukázala, že jak cis, tak trans izomery poskytují stejný produkt s otevřeným kruhem, který se očekává od trans izomeru. Zatímco tepelná energie způsobuje náhodný Brownův pohyb reaktantů, mechanická energie ultrazvuku poskytuje směr atomovým pohybům. Proto kavitační účinky účinně usměrňují energii tím, že přepínají molekulu, čímž přetvářejí potenciální energetickou plochu.
Ultrazvukové sondy jako UP400St zintenzivnit syntézu nanočástic. Sonochemická cesta je jednoduchá, účinná, rychlá a pracuje s netoxickými chemikáliemi za mírných podmínek.
Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro sonochemii
Hielscher Ultrasonics dodává ultrazvukové procesory pro laboratoře a průmysl. Všechny Hielscher ultrasonicators jsou velmi výkonné a robustní ultrazvukové stroje a jsou konstruovány pro nepřetržitý provoz 24/7 při plném zatížení. Digitální ovládání, programovatelná nastavení, sledování teploty, automatické protokolování dat a dálkové ovládání prohlížeče jsou jen některé funkce Hielscher ultrasonicators. Navrženo pro vysoký výkon a pohodlné ovládání, uživatelé oceňují bezpečnou a snadnou manipulaci se zařízením Hielscher Ultrasonics. Hielscher průmyslové ultrazvukové procesory poskytují amplitudy až 200 μm a jsou ideální pro náročné aplikace. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
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 vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.