Sonokemiske reaktioner og syntese
Sonochemistry er anvendelsen af ultralyd til kemiske reaktioner og processer. Den mekanisme, der forårsager sonokemiske virkninger i væsker, er fænomenet akustisk kavitation.
Hielscher ultralydslaboratorium og industrielle enheder bruges i en lang række sonokemiske processer. Ultralydskavitation intensiverer og fremskynder kemiske reaktioner såsom syntese og katalyse.
Sonokemiske reaktioner
Følgende sonokemiske virkninger kan observeres i kemiske reaktioner og processer:
- Forøgelse af reaktionshastigheden
- Stigning i reaktionsoutput
- mere effektivt energiforbrug
- Sonokemiske metoder til skift af reaktionsvej
- Forbedring af ydeevne af faseoverførselskatalysatorer
- undgåelse af faseoverførselskatalysatorer
- anvendelse af rå eller tekniske reagenser
- aktivering af metaller og faste stoffer
- reagensers eller katalysatorers reaktivitet (Klik her for at læse mere om ultralydassisteret katalyse)
- forbedring af partikelsyntese
- Belægning af nanopartikler
7 ultralydshomogenisatorer af model UIP1000hdT (7x 1kW ultralydseffekt) installeret som klynge til sonokemiske reaktioner i industriel skala.
Fordele ved ultralydsintensiverede kemiske reaktioner
Ultralydsfremmede kemiske reaktioner er en etableret teknik til procesintensivering inden for kemisk syntese og forarbejdning. Ved at udnytte kraften i ultralydsbølger giver disse reaktioner adskillige fordele i forhold til konventionelle metoder, hvilket forbedrer kemisk katalyse og syntese. Turbohurtige konverteringsrater, fremragende udbytter, forbedret selektivitet, forbedret energieffektivitet og reduceret miljøpåvirkning er de vigtigste fordele ved sonokemiske reaktioner.
Tabelblæsen viser nogle fremtrædende fordele ved ultralydsfremmede reaktioner i forhold til konventionelle kemiske reaktioner:
| reaktion | Reaktionstid Konventionel |
Reaktionstid ultralyd |
give efter Konventionel (%) |
give efter Ultralyd (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder cyklisering | 35 timer | 3,5 timer | 77.9 | 97.3 |
| Oxidation af indan til indan-1-on | 3 timer | 3 timer | mindre end 27 % | 73% |
| Reduktion af methoxyaminosilan | ingen reaktion | 3 timer | 0% | 100% |
| Epoxidation af umættede fedtestere med lange kæder | 2 timer | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidation af arylalkaner | 4 timer | 4 timer | 12% | 80% |
| Michael tilsætning af nitroalkaner til monosubstituerede α.β-umættede estere | 2 dage | 2 timer | 85% | 90% |
| Permanganatoxidation af 2-octanol | 5 timer | 5 timer | 3% | 93% |
| Syntese af chalkoner ved CLaisen-Schmidt-kondensation | 60 minutter | 10 minutter | 5% | 76% |
| UIllmann kobling af 2-iodonitrobenzen | 2 timer | 2 timer | mindre solbrun 1,5 % | 70.4% |
| Reformatsky reaktion | 12 timer | 30 min | 50% | 98% |
Ultralydkavitation i væsker
Kavitation, det vil sige dannelse, vækst og implosivt kollaps af bobler i en væske. Kavitationelt kollaps producerer intens lokal opvarmning (~5000 K), høje tryk (~1000 atm) og enorme opvarmnings- og kølehastigheder (>109 K/sek.) og flydende jetstrømme (~400 km/t). (Suslick 1998)
Kavitation ved hjælp af UIP1000hd:
Kavitationsbobler er vakuumbobler. Vakuumet skabes af en hurtigt bevægende overflade på den ene side og en inert væske på den anden. De resulterende trykforskelle tjener til at overvinde samhørigheds- og vedhæftningskræfterne i væsken.
Kavitation kan produceres på forskellige måder, såsom Venturi-dyser, højtryksdyser, højhastighedsrotation eller ultralydstransducere. I alle disse systemer omdannes inputenergien til friktion, turbulenser, bølger og kavitation. Den brøkdel af den tilførte energi, der omdannes til kavitation, afhænger af flere faktorer, der beskriver bevægelsen af det kavitationsgenererende udstyr i væsken.
Accelerationsintensiteten er en af de vigtigste faktorer, der påvirker den effektive omdannelse af energi til kavitation. Højere acceleration skaber højere trykforskelle. Dette øger igen sandsynligheden for dannelsen af vakuumbobler i stedet for dannelsen af bølger, der forplanter sig gennem væsken. Jo højere acceleration, jo højere er den brøkdel af energien, der omdannes til kavitation. I tilfælde af en ultralydstransducer beskrives accelerationsintensiteten ved svingningsamplituden.
Højere amplituder resulterer i en mere effektiv skabelse af kavitation. De industrielle enheder fra Hielscher Ultrasonics kan skabe amplituder på op til 115 μm. Disse høje amplituder giver mulighed for et højt effektoverførselsforhold, hvilket igen gør det muligt at skabe høje effekttætheder på op til 100 W/cm³.
Ud over intensiteten skal væsken accelereres på en måde, der skaber minimale tab med hensyn til turbulenser, friktion og bølgegenerering. Til dette er den optimale måde en ensidig bevægelsesretning.
Ultralydsreaktor med 16.000 watt til sonokemisk forbedret inline transesterificering.
- Fremstilling af aktiverede metaller ved reduktion af metalsalte
- generering af aktiverede metaller ved sonikering
- sonokemisk syntese af partikler ved udfældning af metaloxider (Fe, Cr, Mn, Co), f.eks. til brug som katalysatorer
- Imprægnering af metaller eller metalhalogenider på understøtninger
- Fremstilling af aktiverede metalopløsninger
- reaktioner, der involverer metaller via in situ-genererede organiske elementarter
- reaktioner, der involverer ikke-metalliske faste stoffer
- krystallisation og udfældning af metaller, legeringer, zeolitter og andre faste stoffer
- Ændring af overflademorfologi og partikelstørrelse ved interpartikelkollisioner med høj hastighed
- dannelse af amorfe nanostrukturerede materialer, herunder overgangsmetaller, legeringer, carbider, oxider og kolloider med højt overfladeareal
- agglomerering af krystaller
- Udjævning og fjernelse af passiverende oxidbelægning
- mikromanipulation (fraktionering) af små partikler
- dispersion af faste stoffer
- fremstilling af kolloider (Ag, Au, Q-størrelse CdS)
- interkalering af gæstemolekyler til værtens uorganiske lagdelte faste stoffer
- Sonokemi af polymerer
- Nedbrydning og modifikation af polymerer
- syntese af polymerer
- Sonolyse af organiske miljøgifte i vand
Sonokemisk udstyr
De fleste af de nævnte sonokemiske processer kan eftermonteres til at arbejde inline. Vi hjælper dig gerne med at vælge det sonokemiske udstyr til dine behandlingsbehov. Til forskning og til afprøvning af processer anbefaler vi vores laboratorieudstyr eller UIP1000hdT sæt.
Om nødvendigt FM- og ATEX-certificerede ultralydsenheder og reaktorer (f.eks. UIP1000-Exd) er tilgængelige til sonikering af brændbare kemikalier og produktformuleringer i farlige miljøer.
Ultralydkavitation ændrer ringåbningsreaktioner
Ultralydbehandling er en alternativ mekanisme til varme, tryk, lys eller elektricitet for at starte kemiske reaktioner. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth, og deres team på Kemifakultetet på University of Illinois i Urbana-Champaign brugte ultralydskraft til at udløse og manipulere ringåbningsreaktioner. Under sonikering genererede de kemiske reaktioner produkter, der er forskellige fra dem, der er forudsagt af orbitale symmetriregler (Nature 2007, 446, 423). Gruppen forbandt mekanisk følsomme 1,2-disubstituerede benzocyclobutenisomerer til to polyethylenglycolkæder, anvendte ultralydsenergi og analyserede bulkopløsningerne ved hjælp af C13 kernemagnetisk resonansspektroskopi. Spektrene viste, at både cis- og transisomererne giver det samme ringåbnede produkt, som forventes af transisomeren. Mens termisk energi forårsager tilfældig brownsk bevægelse af reaktanterne, giver den mekaniske energi ved ultralydbehandling en retning til atomare bevægelser. Derfor dirigerer kavitationseffekter effektivt energien ved at belaste molekylet og omforme den potentielle energioverflade.
Sonde-type ultralydapparater som UP400St intensivere syntesen af nanopartikler. Den sonokemiske vej er enkel, effektiv, hurtig og fungerer med ikke-giftige kemikalier under milde forhold.
Højtydende ultralydapparater til sonokemi
Hielscher Ultrasonics leverer ultralydsprocessorer til laboratorier og industri. Alle Hielscher ultralydapparater er meget kraftfulde og robuste ultralydsmaskiner og bygget til kontinuerlig 24/7 drift under fuld belastning. Digital kontrol, programmerbare indstillinger, temperaturovervågning, automatisk dataprotokol og fjernstyring af browseren er blot nogle få funktioner i Hielscher ultralydapparater. Designet til høj ydeevne og komfortabel betjening, brugerne værdsætter sikker og nem håndtering af Hielscher Ultrasonics-udstyr. Hielscher industrielle ultralydsprocessorer leverer amplituder på op til 200 μm og er ideelle til tunge applikationer. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsapplikationer, dispersion, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, pilot- og industriel skala.
Litteratur / Referencer
- 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 fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.