Sonochemické reakce a syntéza
Sonochemie je aplikace ultrazvuku na chemické reakce a procesy. Mechanismem, který způsobuje sonochemické účinky v kapalinách, je jev akustické kavitace.
Laboratorní a průmyslová ultrazvuková zařízení Hielscher se používají v široké škále sonochemických procesů. Ultrazvuková kavitace intenzifikuje a urychluje chemické reakce, jako je syntéza a katalýza.
Sonochemické reakce
V chemických reakcích a procesech lze pozorovat následující sonochemické účinky:
- zvýšení rychlosti reakce
- zvýšení výtěžku reakce
- efektivnější využití energie
- sonochemické metody pro přepnutí reakční cesty
- zlepšení účinnosti katalyzátorů fázového přenosu
- eliminace katalyzátorů fázového přenosu
- použití surových nebo technických činidel
- aktivace kovů a pevných látek
- zvýšení reaktivity činidel nebo katalyzátorů (klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukem podporované katalýze)
- zlepšení syntézy částic
- potahování nanočástic
7 ultrazvukových homogenizátorů modelu UIP1000hdT (ultrazvukový výkon 7x 1kW) instalovaných jako klastr pro sonochemické reakce v průmyslovém měřítku.
Výhody ultrazvukem intenzifikovaných chemických reakcí
Ultrazvukem podporované chemické reakce jsou zavedenou technikou intenzifikace procesů v oblasti chemické syntézy a zpracování. Díky využití síly ultrazvukových vln nabízejí tyto reakce oproti konvenčním metodám řadu výhod a zlepšují chemickou katalýzu a syntézu. Hlavními výhodami sonochemických reakcí jsou turbo rychlé konverze, vynikající výtěžky, zvýšená selektivita, lepší energetická účinnost a snížený dopad na životní prostředí.
Následující tabulka ukazuje některé významné výhody ultrazvukem podporované reakce oproti konvenčním chemickým reakcím:
| Reakce | Reakční doba konvenčně |
Reakční doba ultrazvuk |
Výtěžek konvenčně (%) |
Výtěžek ultrazvuk (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alderova cyklizace | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oxidace indanu na indane-1-one | 3 h | 3 h | méně než 27% | 73% |
| Redukce methoxyaminosilanu | bez reakce | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidace nenasycených esterů mastných kyselin s dlouhým řetězcem | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidace arylalkanů | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michaelova adice nitroalkanů na monosubstituované α,β-nenasycené estery | 2 dny | 2 h | 85% | 90% |
| Manganistanová oxidace sloučeniny 2-octanol | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Syntéza chalkonů Claisen-Schmidtovou kondenzací | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Ullmannova kopulace sloučeniny 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2h | méně než 1,5% | 70,4% |
| Reformatského reakce | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultrazvuková kavitace v kapalinách
Kavitace, tj. vznik, růst a implozivní kolaps bublin v kapalině. Kavitační kolaps vytváří intenzivní lokální ohřev (~5000 K), vysoké tlaky (~1000 atm), obrovské rychlosti ohřevu a chlazení (>10⁹ K/sec) a proudy kapaliny (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitace pomocí přístroje UIP1000hd:
Kavitační bubliny jsou vakuové bubliny. Vakuum vzniká působením rychle se pohybujícího povrchu na jedné straně a inertní kapaliny na straně druhé. Výsledné tlakové rozdíly slouží k překonání kohezních a adhezních sil v kapalině.
Kavitaci lze vytvářet různými způsoby, například Venturiho tryskami, vysokotlakými tryskami, vysokorychlostní rotací nebo ultrazvukovými měniči. Ve všech těchto systémech se vstupní energie přeměňuje na tření, turbulence, vlny a kavitaci. Podíl vstupní energie, který se přemění na kavitaci, závisí na několika faktorech popisujících pohyb zařízení generujícího kavitaci v kapalině.
Intenzita zrychlení je jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících účinnou přeměnu energie na kavitaci. Vyšší zrychlení vytváří vyšší tlakové rozdíly. To zase zvyšuje pravděpodobnost vzniku vakuových bublin namísto vzniku vln šířících se kapalinou. Čím vyšší je tedy zrychlení, tím vyšší je podíl energie, který se přemění na kavitaci. V případě ultrazvukového měniče je intenzita zrychlení popsána amplitudou kmitání.
Vyšší amplitudy vedou k účinnějšímu 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 urychlována tak, aby vznikaly minimální ztráty v podobě turbulencí, tření a tvorby vln. Optimálním způsobem je k tomu jednosměrný pohyb.
Ultrazvukový reaktor o výkonu 16 000 wattů pro sonochemicky zlepšenou inline transesterifikaci.
- příprava aktivovaných kovů redukcí solí kovů
- generování aktivovaných kovů sonikací
- sonochemická syntéza částic srážením oxidů kovů (Fe, Cr, Mn, Co), např. pro použití jako katalyzátory
- impregnace kovů nebo halogenidů kovů na nosiče
- příprava aktivovaných roztoků kovů
- reakce zahrnující kovy prostřednictvím in situ generovaných organoprvkových specií
- reakce zahrnující nekovové pevné látky
- krystalizace a srážení kovů, slitin, zeolitů a dalších pevných látek
- modifikace morfologie povrchu a velikosti částic vysokorychlostními srážkami mezi částicemi
- tvorba amorfních nanostrukturovaných materiálů, včetně přechodných kovů s velkým měrným povrchem, slitin, karbidů, oxidů a koloidů
- aglomerace krystalů
- vyhlazování a odstraňování pasivační oxidové vrstvy
- mikromanipulace (frakcionace) malých částic
- dispergace pevných látek
- příprava koloidů (Ag, Au, CdS o velikosti Q)
- 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 dodatečně upravit pro inline provoz. Rádi Vám pomůžeme s výběrem sonochemického vybavení pro Vaše procesní potřeby. Pro výzkum a testování procesů doporučujeme naše laboratorní přístroje nebo sadu UIP1000hdT.
V případě potřeby jsou ultrazvuková zařízení a reaktory s certifikací FM a ATEX (např. UIP1000-Exd) k dispozici pro sonikaci hořlavých chemikálií a produktových formulací v nebezpečných prostředích.
Ultrazvuková kavitace mění reakce otevírání kruhu
Ultrazvuk je alternativním mechanismem k teplu, tlaku, světlu nebo elektřině pro iniciaci chemických reakcí. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth a jejich tým na chemické fakultě University of Illinois at Urbana-Champaign použili ultrazvukový výkon ke spuštění a ovlivňování reakcí otevírání kruhu. Při sonikaci vznikaly chemickými reakcemi produkty odlišné od těch, které předpovídají pravidla orbitální symetrie (Nature 2007, 446, 423). Skupina navázala mechanicky citlivé izomery sloučeniny 1,2-disubstituted benzocyclobutene na dva polyethylenglykolové řetězce, aplikovala ultrazvukovou energii a analyzovala objemové roztoky pomocí C13 spektroskopie nukleární magnetické rezonance. Spektra ukázala, že cis i trans izomer poskytují stejný produkt otevření kruhu, a to ten, který se očekává z trans izomeru. Zatímco tepelná energie způsobuje náhodný Brownův pohyb reaktantů, mechanická energie ultrazvuku dává pohybům atomů směr. Kavitační účinky proto efektivně směrují energii namáháním molekuly a přetvářejí plochu potenciální energie.
Sondové sonikátory, jako je UP400St, intenzifikují syntézu nanočástic. Sonochemická cesta je jednoduchá, účinná, rychlá a funguje s netoxickými chemikáliemi za mírných podmínek.
Vysoce výkonné sonikátory pro sonochemii
Hielscher Ultrasonics dodává ultrazvukové procesory pro laboratoře i průmysl. Všechny sonikátory Hielscher jsou velmi výkonné a robustní ultrazvukové stroje konstruované pro nepřetržitý provoz 24/7 při plném zatížení. Digitální řízení, programovatelná nastavení, monitorování teploty, automatický záznam dat a vzdálené ovládání přes prohlížeč jsou jen některé z funkcí sonikátorů Hielscher. Uživatelé oceňují bezpečnou a snadnou obsluhu zařízení Hielscher Ultrasonics, navržených pro vysoký výkon a pohodlný provoz. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher poskytují amplitudy až 200µm a jsou ideální pro náročné aplikace. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody.
Následující tabulka Vám poskytne orientační přehled o přibližné kapacitě zpracování našich sonikátorů:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání, dispergaci, emulgaci a extrakci v laboratorním, poloprovozním 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 laboratorní po průmyslovou velikost.