Sonochemické a sonochemické reaktory

Sonochemie je oblast chemie, kde se ultrazvuk s vysokou intenzitou používá k indukci, urychlení a úpravě chemických reakcí (syntéza, katalýza, degradace, polymerizace, hydrolýza atd.). Ultrazvukem generovaná kavitace se vyznačuje jedinečnými energeticky hustými podmínkami, které podporují a zesilují chemické reakce. Rychlejší reakční rychlosti, vyšší výnosy a použití zelených, mírnějších činidel mění sonochemii na velmi výhodný nástroj pro dosažení lepších chemických reakcí.

Sonochemie

Sonochemie je oblast výzkumu a zpracování, ve které molekuly procházejí chemickou reakcí kvůli aplikaci ultrazvuku s vysokou intenzitou (např. 20 kHz). Fenoménem zodpovědným za sonochemické reakce je akustická kavitace. Akustická nebo ultrazvuková kavitace nastává, když jsou silné ultrazvukové vlny spojeny do kapaliny nebo kejdy. Vzhledem ke střídavým vysokotlakém / nízkotlakém cyklům způsobeným výkonovými ultrazvukovými vlnami v kapalině jsou generovány vakuové bubliny (kavitační dutiny), které rostou v několika tlakových cyklech. Když kavitační vakuová bublina dosáhne určité velikosti, kde nemůže absorbovat více energie, vakuová bublina prudce imploduje a vytváří vysoce energeticky husté horké místo. Toto místně se vyskytující horké místo se vyznačuje velmi vysokými teplotami, tlaky a mikro prouděním extrémně rychlých kapalných trysek.

Akustická kavitace a účinky ultrazvuku s vysokou intenzitou

Akustická kavitace, často nazývaná také ultrazvuková kavitace, může být rozlišována do dvou forem, stabilní a přechodné kavitace. Během stabilní kavitace kavitační bublina mnohokrát osciluje kolem svého rovnovážného poloměru, zatímco během přechodné kavitace, ve které krátkodobá bublina prochází dramatickými změnami objemu v několika akustických cyklech a končí násilným kolapsem (Suslick 1988). Stabilní a přechodná kavitace se může objevit současně v roztoku a bublina procházející stabilní kavicí se může stát přechodnou dutinou. Imploze bubliny, která je charakteristická pro přechodnou kavitaci a vysoce intenzivní sonikaci, vytváří různé fyzikální podmínky, včetně velmi vysokých teplot 5000-25 000 K, tlaků až několika 1000 barů a kapalných toků s rychlostí až 1000 m / s. Vzhledem k tomu, že kolaps/imploze kavitačních bublin se vyskytuje za méně než nanosekundu, velmi vysoké rychlosti ohřevu a chlazení vyšší než 10¹¹ K/s lze pozorovat. Tyto vysoké rychlosti ohřevu a tlakové diferenciály mohou iniciovat a urychlit reakce. Pokud jde o vyskytující se kapalné proudy, tyto vysokorychlostní mikrojety vykazují obzvláště vysoké výhody, pokud jde o heterogenní kaly z pevné kapaliny. Kapalné trysky zasahují na povrch s plnou teplotou a tlakem hroutící se bubliny a způsobují erozi prostřednictvím kolize mezičásticemi a lokalizovaného tání. V důsledku toho je v roztoku pozorován výrazně lepší přenos hmoty.

Ultrazvuková kavitace je nejschůdnější generována v kapalinách a rozpouštědlech s nízkými tlaky par. Proto jsou média s nízkým tlakem par příznivá pro sonochemické aplikace.
V důsledku ultrazvukové kavitace mohou vytvořené intenzivní síly přepínat cesty reakcí na účinnější cesty, aby se zabránilo úplnějším konverzím a / nebo výrobě nežádoucích vedlejších produktů.
Energeticky hustý prostor vytvořený zhroucením kavitačních bublin se nazývá horké místo. Nízkofrekvenční ultrazvuk s vysokým výkonem v rozsahu 20kHz a schopnost vytvářet vysoké amplitudy je dobře zaveden pro tvorbu intenzivních horkých míst a příznivých sonochemických podmínek.

Ultrazvukové laboratorní vybavení, stejně jako průmyslové ultrazvukové reaktory pro komerční sonochemické procesy jsou snadno dostupné a prokázané jako spolehlivé, efektivní a šetrné k životnímu prostředí v laboratorním, pilotním a plně průmyslovém měřítku. Sonochemické reakce mohou být prováděny jako dávka (tj. otevřená nádoba) nebo in-line proces pomocí reaktoru s uzavřenými průtokovými buňky.

Sono Syntéza

Sono-syntéza nebo sonochemická syntéza je aplikace ultrazvukem generované kavitace za účelem zahájení a podpory chemických reakcí. Vysoce výkonná ultrazvuku (např. při 20 kHz) vykazuje silné účinky na molekuly a chemické vazby. Například sonochemické účinky vyplývající z intenzivního použití ultrazvuku mohou mít za následek štěpení molekul, vytváření volných radikálů a/ nebo změnu chemických cest. Sonochemická syntéza se proto intenzivně používá pro výrobu nebo úpravu široké škály nanostrukturovaných materiálů. Příklady nanomateriálů produkovaných sono-syntézou jsou nanočástice (NPs) (např. zlaté NPs, stříbrné NPs), pigmenty, nanočástice jádra, nanohydroxidapatit, kovové organické rámce (MOF), účinné farmaceutické složky (API), mikrosféra zdobené nanočástice, nanokomozity mezi mnoha dalšími materiály.
Příklady: Ultrazvuková transesterifikace methylesterů mastných kyselin (bionafta) nebo transesterifikace polyolů pomocí ultrazvuku,

TEM obraz (A) a jeho distribuce velikosti částic (B) nanočástic stříbra (Ag-NPs), které byly sonochemicky syntetizovány za optimálních podmínek.

Také široce aplikovaná je ultrazvukem propagovaná krystalizace (sono-krystalizace), kde power-ultrazvuk se používá k výrobě přesycených roztoků, k zahájení krystalizace / srážek a kontrole velikosti krystalů a morfologie pomocí ultrazvukových parametrů procesu. Klikněte zde pro více informací o sono-krystalizaci!

sono-katalýza

Použití ultrazvuku chemické suspenze nebo roztoku může významně zlepšit katalytické reakce. Sonochemická energie zkracuje reakční dobu, zlepšuje přenos tepla a hmoty, což následně vede ke zvýšení chemických teplotních konstant, výnosů a selektorit.
Existuje mnoho katalytických procesů, které drasticky těží z aplikace výkonového ultrazvuku a jeho sonochemických účinků. Jakákoli reakce heterogenní fázové přenosové katalýzy (PTC) zahrnující dvě nebo více nemísitelných kapalin nebo složení z kapalné pevné látky, těží ze sonochemické energie a lepšího přenosu hmoty.
Například srovnávací analýza tiché a ultrazvukem asistované katalytické oxidace peroxidu vlhkého peroxidu fenolu ve vodě odhalila, že ultrazvukem se snížila energetická bariéra reakce, ale neměla žádný vliv na reakční dráhu. Aktivační energie pro oxidaci fenolu přes RuI₃ katalyzátor během sonikace byl shledán 13 kJ mol^-1, který byl čtyřikrát menší ve srovnání s tichým oxidačním procesem (57 kJ mol^-1). (Rokhina a kol., 2010)
Sonochemická katalýza se úspěšně používá pro výrobu chemických výrobků a výrobu mikronových a nanostrukturovaných anorganických materiálů, jako jsou kovy, slitiny, kovové sloučeniny, nekovové materiály a anorganické kompozity. Běžnými příklady ultrazvukem asistovaného PTC jsou transesterifikace volných mastných kyselin do methylesteru (bionafty), hydrolýzy, saponifikace rostlinných olejů, sono-fentonové reakce (Fentonovy procesy), sonatakytické degradace atd.
Přečtěte si více o sono-katalýze a konkrétních aplikacích!
Sonikace zlepšuje chemii kliknutí, jako jsou azid-alkynové cykloadiční reakce!

Ostatní sonochemické aplikace

Díky všestrannému použití, spolehlivosti a jednoduchému provozu jsou sonochemické systémy, jako je UP400St nebo UIP2000hdT jsou oceňovány jako účinné zařízení pro chemické reakce. Hielscher Ultrazvukové sonochemické přístroje lze snadno použít pro dávku (otevřená kádinka) a kontinuální inline ultrazvuku pomocí sonochemické průtokové buňky. Sonochemie včetně sono-syntézy, sono-katalýzy, degradace nebo polymerace jsou široce používány v chemii, nanotechnologiích, materiálové vědě, farmacii, mikrobiologii i v jiných průmyslových odvětvích.

Vysoce výkonné sonochemické vybavení

Hielscher Ultrasonics je vaším nejlepším dodavatelem inovativních, nejmodernějších ultrasonicators, sonochemických průtokových buněk, reaktorů a příslušenství pro efektivní a spolehlivé sonochemické reakce. Všechny Hielscher ultrasonicators jsou výhradně navrženy, vyrobeny a testovány v ústředí Hielscher Ultrasonics v Teltow (poblíž Berlína), Německo. Kromě nejvyšších technických standardů a vynikající robustnosti a provozu 24/7/365 pro vysoce efektivní provoz jsou ultrasonicators Hielscher snadno a spolehlivě ovlyžovat. Vysoká účinnost, inteligentní software, intuitivní menu, automatické protokolování dat a dálkové ovládání prohlížeče jsou jen některé funkce, které odlišují Hielscher Ultrasonics od ostatních výrobců sonochemických zařízení.

Přesně nastavitelné amplitudy

Amplituda je posunutí na přední straně (špička) sonotrody (také známé jako ultrazvuková sonda nebo roh) a je hlavním ovlivňujícím faktorem ultrazvukové kavitace. Vyšší amplitudy znamenají intenzivnější kavitaci. Požadovaná intenzita kavitace silně závisí na typu reakce, použitých chemických činidlech a cílených výsledcích specifické sonochemické reakce. To znamená, že amplituda by měla být přesně nastavitelná, aby se intenzita akustické kavitace naladila na ideální úroveň. Všechny Hielscher ultrasonicators lze spolehlivě a přesně nastavit pomocí inteligentního digitálního ovládání na ideální amplitudu. Posilovací rohy lze navíc použít ke snížení nebo mechanickému zvýšení amplitudy. Ultrazvuk’ průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v nepřetržitém provozu. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.

Přesná regulace teploty během sonochemických reakcí

V kavitačním horkém místě lze pozorovat extrémně vysoké teploty mnoha tisíc stupňů Celsia. Tyto extrémní teploty jsou však místně omezeny na minutový interiér a okolí implodující kavitační bubliny. Ve sypké roztoku je nárůst teploty z imploze jedné nebo několika kavitačních bublin zanedbatelný. Ale nepřetržitá, intenzivní ultrazvuku po delší dobu může způsobit přírůstkové zvýšení teploty sypké kapaliny. Toto zvýšení teploty přispívá k mnoha chemickým reakcím a je často považováno za prospěšné. Různé chemické reakce však mají různé optimální reakční teploty. Při zpracování materiálů citlivých na teplo může být nutná regulace teploty. Aby bylo možné při sonochemických procesech umožnit ideální tepelné podmínky, hielscher ultrasonics nabízí různá sofistikovaná řešení pro přesnou regulaci teploty během sonochemických procesů, jako jsou sonochemické reaktory a průtokové články vybavené chladicími pláštěmi.
Naše sonochemické průtokové články a reaktory jsou k dispozici s chladicími pláštěmi, které podporují efektivní odvod tepla. Pro kontinuální monitorování teploty jsou ultrasonicators Hielscher vybaveny připojitelným teplotním senzorem, který lze vložit do kapaliny pro konstantní měření sypké teploty. Sofistikovaný software umožňuje nastavení teplotního rozsahu. Když je překročen teplotní limit, ultrasonicator se automaticky pozastaví, dokud teplota v kapalině neklesne na určitý nastavený bod a nezačne automaticky sonikovat znovu. Všechna měření teploty, stejně jako další důležitá ultrazvuková procesní data, jsou automaticky zaznamenána na vestavěné SD kartě a lze je snadno revidovat pro řízení procesu.
Teplota je klíčovým parametrem sonochemických procesů. Propracovaná technologie hielscheru vám pomůže udržet teplotu vaší sonochemické aplikace v ideálním teplotním rozsahu.

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators: