Sonochemie a sonochemické reaktory
Sonochemie je obor chemie, kde se ultrazvuk s vysokou intenzitou používá k indukci, urychlení a úpravě chemických reakcí (syntéza, katalýza, degradace, polymerace, hydrolýza atd.). Ultrazvukem generovaná kavitace se vyznačuje jedinečnými podmínkami s vysokou energií, které podporují a zesilují chemické reakce. Rychlejší reakční rychlosti, vyšší výtěžky a použití zelených, mírnějších činidel činí ze sonochemie velmi výhodný nástroj pro dosažení lepších chemických reakcí.
Sonochemie
Sonochemie je oblast výzkumu a zpracování, ve které molekuly procházejí chemickou reakcí kvůli použití ultrazvuku s vysokou intenzitou (např. 20 kHz). Jev zodpovědný za sonochemické reakce je akustická kavitace. K akustické nebo ultrazvukové kavitaci dochází, když jsou silné ultrazvukové vlny spojeny s kapalinou nebo suspenzí. V důsledku střídání vysokotlakých / nízkotlakých cyklů způsobených výkonovými ultrazvukovými vlnami v kapalině vznikají vakuové bubliny (kavitační dutiny), které rostou v průběhu několika tlakových cyklů. Když kavitační vakuová bublina dosáhne určité velikosti, kdy nemůže absorbovat více energie, vakuová bublina prudce imploduje a vytváří vysoce energeticky husté horké místo. Tato lokálně se vyskytující horká skvrna je charakterizována velmi vysokými teplotami, tlaky a mikroprouděním extrémně rychlých kapalných proudů.
Reaktor s uzavřenou šarží vyrobený z nerezové oceli je vybaven ultrasonicator UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustická kavitace a účinky ultrazvuku s vysokou intenzitou
Akustickou kavitaci, často také nazývanou ultrazvuková kavitace, lze rozlišit do dvou forem, stabilní a přechodnou kavitaci. Během stabilní kavitace kavitační bublina osciluje mnohokrát kolem svého rovnovážného poloměru, zatímco během přechodné kavitace, při které krátkodobá bublina prochází dramatickými změnami objemu během několika akustických cyklů a končí prudkým kolapsem (Suslick 1988). Stabilní a přechodná kavitace se může vyskytovat současně v roztoku a bublina procházející stabilní kavitací se může stát přechodnou dutinou. Imploze bublin, která je charakteristická pro přechodnou kavitaci a sonikaci s vysokou intenzitou, vytváří různé fyzikální podmínky včetně velmi vysokých teplot 5000–25 000 K, tlaků až několika 1000 barů a proudů kapalin s rychlostmi až 1000 m/s. Vzhledem k tomu, že ke kolapsu/implozi kavitačních bublin dochází za méně než nanosekundu, velmi vysoké rychlosti ohřevu a chlazení přesahující 1011 Lze pozorovat K/s. Tak vysoké rychlosti ohřevu a tlakové rozdíly mohou iniciovat a urychlit reakce. Pokud jde o vyskytující se kapalné proudy, tyto vysokorychlostní mikrojety vykazují obzvláště vysoké výhody, pokud jde o heterogenní suspenze pevná látka-kapalina. Trysky kapaliny dopadají na povrch při plné teplotě a tlaku hroutící se bubliny a způsobují erozi v důsledku kolize mezi částicemi a také lokálního tavení. V důsledku toho je pozorován výrazně zlepšený přenos hmoty v roztoku.
Ultrazvuková kavitace je nejúčinnější generována v kapalinách a rozpouštědlech s nízkým tlakem par. Proto jsou média s nízkým tlakem par vhodná pro sonochemické aplikace.
V důsledku ultrazvukové kavitace mohou vytvořené intenzivní síly přepínat dráhy reakcí na účinnější cesty, takže se zabrání úplnějším přeměnám a/nebo produkci nežádoucích vedlejších produktů.
Energeticky hustý prostor vytvořený kolapsem kavitačních bublin se nazývá hot-spot. Nízkofrekvenční, vysoce výkonný ultrazvuk v rozsahu 20 kHz a schopnost vytvářet vysoké amplitudy je dobře zaveden pro generování intenzivních horkých míst a příznivých sonochemických podmínek.
Ultrazvukové laboratorní vybavení, stejně jako průmyslové ultrazvukové reaktory pro komerční sonochemické procesy, jsou snadno dostupné a osvědčené jako spolehlivé, účinné a šetrné k životnímu prostředí v laboratorním, pilotním a plně průmyslovém měřítku. Sonochemické reakce mohou být prováděny jako dávkový (tj. Otevřená nádoba) nebo in-line proces pomocí reaktoru s uzavřenou průtočnou buňkou.
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 intenzivní sonikace mohou vést k štěpení molekul, vytváření volných radikálů a/nebo přepínání chemických cest. Sonochemická syntéza je proto intenzivně využívána pro výrobu nebo modifikaci široké škály nanostrukturovaných materiálů. Příklady nanomateriálů vyrobených sonosyntézou jsou nanočástice (např. zlaté nanočástice, stříbrné nanočástice), pigmenty, nanočástice jádra a obalu, nano-hydroxyapatit, kovové organické konstrukce (MOF), aktivní farmaceutické přísady (API), mikrosférami dekorované nanočástice, nanokompozity a mnoho dalších materiálů.
Příklady: Ultrazvuková transesterifikace methylesterů mastných kyselin (bionafta) nebo Transesterifikace polyolů pomocí ultrazvuku.
TEM snímek (A) a jeho distribuce velikosti částic (B) nanočástic stříbra (Ag-NPs), které byly sonochemicky syntetizovány za optimálních podmínek.
Široce se také používá ultrazvukem podporovaná krystalizace (sono-krystalizace), kde se výkonový ultrazvuk používá k výrobě přesycených roztoků, k zahájení krystalizace / srážení a řízení velikosti a morfologie krystalů pomocí parametrů ultrazvukového procesu. Klikněte zde a dozvíte se více o sono-krystalizaci!
sono-katalýza
Sonikace chemické suspenze nebo roztoku může výrazně zlepšit katalytické reakce. Sonochemická energie zkracuje reakční dobu, zlepšuje přenos tepla a hmoty, což následně vede ke zvýšení chemických rychlostních konstant, výtěžků a selektivity.
Existuje mnoho katalytických procesů, které drasticky těží z aplikace výkonového ultrazvuku a jeho sonochemických účinků. Jakákoli heterogenní katalýzní reakce přenosu fáze (PTC) zahrnující dvě nebo více nemísitelných kapalin nebo složení kapalina-pevná látka, těží ze sonikace, sonochemické energie a zlepšeného přenosu hmoty.
Například srovnávací analýza tiché a ultrazvukem asistované katalytické oxidace fenolu ve vodě odhalila, že sonikace snížila energetickou bariéru reakce, ale neměla žádný vliv na reakční dráhu. Aktivační energie pro oxidaci fenolu nad RuI3 bylo zjištěno, že katalyzátor během sonikace je 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 produktů i pro výrobu anorganických materiálů s mikronovou a nanostrukturou, jako jsou kovy, slitiny, sloučeniny kovů, nekovové materiály a anorganické kompozity. Běžnými příklady ultrazvukem asistovaného PTC jsou transesterifikace volných mastných kyselin na methylester (bionafta), hydrolýza, zmýdelnění rostlinných olejů, sono-Fentonova reakce (Fentonovy procesy), sonokatalytická degradace atd.
Přečtěte si více o sono-katalýze a konkrétních aplikacích!
Sonikace zlepšuje chemii kliknutí, jako jsou azid-alkynové cykloadiční reakce!
Další sonochemické aplikace
Díky svému všestrannému použití, spolehlivosti a jednoduché obsluze jsou sonochemické systémy, jako je UP400St nebo UIP2000hdT jsou ceněny jako účinné zařízení pro chemické reakce. Hielscher Ultrazvuková sonochemická zařízení lze snadno použít pro dávkovou (otevřenou kádinku) a kontinuální inline sonikaci pomocí sonochemické průtokové buňky. Sonochemie včetně sonosyntézy, sono-katalýzy, degradace nebo polymerace je široce používána v chemii, nanotechnologii, vědě o materiálech, farmacii, mikrobiologii i v jiných průmyslových odvětvích.
Průmyslový ultrasonicator UIP2000hdT (2kW) se sonochemickým inline reaktorem.
Vysoce výkonné sonochemické zařízení
Hielscher Ultrasonics je váš nejlepší dodavatel inovativních, nejmodernějších ultrazvukových přístrojů, sonochemických průtokových buněk, reaktorů a příslušenství pro účinné a spolehlivé sonochemické reakce. Všechny Hielscher ultrasonicators jsou výhradně navrženy, vyráběny a testovány v centrále Hielscher Ultrasonics v Teltow (poblíž Berlína), Německo. Kromě nejvyšších technických standardů a vynikající robustnosti a provozu 24/7/365 pro vysoce efektivní provoz, Hielscher ultrasonicators jsou snadno a spolehlivě ovladatelné. 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 v přední části (špičce) 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 konkrétní sonochemické reakce. To znamená, že amplituda by měla být přesně nastavitelná, aby bylo možné vyladit intenzitu akustické kavitace na ideální úroveň. Všechny Hielscher ultrasonicators lze spolehlivě a přesně nastavit pomocí inteligentního digitálního ovládání na ideální amplitudu. Booster houkačky lze navíc použít k mechanickému snížení nebo zvýšení amplitudy. Ultrazvuk’ Průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.
Přesná regulace teploty během sonochemických reakcí
V kavitační horké oblasti lze pozorovat extrémně vysoké teploty mnoha tisíc stupňů Celsia. Tyto extrémní teploty jsou však lokálně omezeny na nepatrný vnitřek a okolí implodující kavitační bubliny. V sypkém roztoku je nárůst teploty v důsledku imploze jedné nebo několika kavitačních bublin zanedbatelný. Ale nepřetržitá, intenzivní sonikace po delší dobu může způsobit postupné zvyšování teploty objemové 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 úpravě materiálů citlivých na teplo může být nutná regulace teploty. Aby bylo možné zajistit ideální tepelné podmínky během sonochemických procesů, Hielscher Ultrasonics nabízí různá sofistikovaná řešení pro přesnou regulaci teploty během sonochemických procesů, jako jsou sonochemické reaktory a průtokové cely vybavené chladicími plášti.
Naše sonochemické průtočné cely a reaktory jsou k dispozici s chladicími plášti, které podporují efektivní odvod tepla. Pro nepřetržité sledování teploty jsou Hielscher ultrasonicators vybaveny zásuvným teplotním senzorem, který může být vložen do kapaliny pro neustálé měření objemové teploty. Sofistikovaný software umožňuje nastavení teplotního rozsahu. Když je překročen teplotní limit, ultrasonikátor se automaticky pozastaví, dokud teplota v kapalině neklesne na určitou nastavenou hodnotu a znovu začne automaticky sonikovat. Všechna měření teploty, stejně jako další důležitá ultrazvuková procesní data, se automaticky zaznamenávají na vestavěnou SD kartu a lze je snadno revidovat pro řízení procesu.
Teplota je klíčovým parametrem sonochemických procesů. Hielscherova propracovaná technologie vám pomůže udržet teplotu vaší sonochemické aplikace v ideálním teplotním rozmezí.
- Vysoká efektivita
- Nejmodernější technologie
- Snadná a bezpečná obsluha
- spolehlivost & Robustnost
- várka & Vložené
- pro libovolný svazek
- Inteligentní software
- Chytré funkce (např. datové protokolování)
- CIP (čištění na místě)
Sonochemický reaktor: Intenzivní sonikace a následná kavitace iniciuje a zintenzivňuje chemické reakce a může přepínat i cesty.
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.
Příklady ultrazvukem vylepšené chemické reakce vs konvenční reakce
Níže uvedená tabulka poskytuje přehled o několika běžných chemických reakcích. Pro každý typ reakce se porovnává konvenčně probíhající reakce s ultrazvukem zesílenou reakcí, pokud jde o výtěžek a rychlost konverze.
| 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% |
(Srov. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Základy intenzifikace procesů, první vydání. Vydalo 2019 nakladatelství Wiley)
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 vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.