Sonokemi er anvendelsen af ​​ultralyd til kemiske reaktioner og processer. Mekanismen, der forårsager sonokemiske virkninger i væsker, er fænomenet akustisk kavitation.

Hielscher ultralyds laboratorium og industrielle enheder anvendes i en bred vifte af sonochemical processer. Ultralyd kavitation intensiverer og fremskynder kemiske reaktioner såsom syntese og katalyse.

Sonokemiske reaktioner

Følgende sonokemiske virkninger kan observeres i kemiske reaktioner og processer:

• stigning i reaktionshastigheden
• stigning i reaktionsudgang
• mere effektiv energiforbrug
• sonokemiske metoder til omskiftning af reaktionsvej
• ydeevne forbedring af faseoverførsel katalysatorer
• undgåelse af faseoverførselskatalysatorer
• anvendelse af rå eller teknisk reagenser
• aktivering af metaller og faste stoffer
• stigning i reaktiviteten eller katalysatorernes reaktivitet (Klik her for at læse mere om ultralydassistent katalyse)
• forbedring af partikel syntese
• belægning af nanopartikler

Ultralyd Cavitation i Væsker

Kavitation, det er dannelsen, væksten og implosiv sammenbrud af bobler i en væske. Cavitational collapse producerer intens lokalvarme (~ 5000 K), højt 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 er skabt af en hurtig bevægelig overflade på den ene side og en inert væske på den anden side. De resulterende trykforskelle tjener til at overvinde kohæsions- og vedhæftningskræfterne i væsken.

Kavitation kan fremstilles på forskellige måder, såsom venturi-dyser, højtryksdyser, højhastighedskontrol eller ultralydtransducere. I alle disse systemer transformeres inputenergien til friktion, turbulenser, bølger og kavitation. Fraktionen af ​​inputenergien, der omdannes til kavitation, afhænger af flere faktorer, der beskriver bevægelsen af ​​kavitationsgenereringsudstyret i væsken.

Intensiteten af ​​acceleration 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 formerer gennem væsken. Således jo højere accelerationen jo højere er den del af energien, der omdannes til kavitation. I tilfælde af en ultralydstransducer beskrives intensiteten af ​​accelerationen ved oscillations amplitude.

Højere amplituder resulterer i en mere effektiv skabelse af kavitation. De industrielle enheder af Hielscher Ultrasonics kan skabe amplituder på op til 115 μm. Disse høje amplituder giver mulighed for et højt effektoverførselsforhold, der igen giver mulighed for at skabe højeffektdensiteter på op til 100 W / cm³.

Ud over intensiteten skal væsken accelereres på en måde, der skaber minimalt tab i form af turbulenser, friktion og bølgeneration. For dette er den optimale måde en ensidig bevægelsesretning.

Ultralyd anvendes på grund af dets effekter i processer, såsom:

• Fremstilling af aktiverede metaller ved reduktion af metalsalte
• generation af aktiverede metaller ved sonikering
• sonokemisk syntese af partikler ved udfældning af metal (Fe, Cr, Mn, Co) oxider, fx til anvendelse som katalysatorer
• imprægnering af metaller eller metalhalogenider på understøtninger
• Fremstilling af aktiverede metalopløsninger
• reaktioner involverende metaller via in situ genererede organoelement arter
• reaktioner, der involverer ikke-metalliske faste stoffer
• krystallisation og udfældning af metaller, legeringer, zeolitter og andre faste stoffer
• modifikation af overflademorfologi og partikelstørrelse ved høje hastigheds interpartikelkollisioner
  • dannelse af amorfe nanostrukturerede materialer, herunder overfladeovergangsmetaller med høj overflade, legeringer, carbider, oxider og kolloider
  • agglomerering af krystaller
  • udjævning og fjernelse af passiverende oxidbelægning
  • mikromanipulation (fraktionering) af små partikler
• faststofdispersion
• fremstilling af kolloider (Ag, Au, Q-størrelse CdS)
• interkalering af gæstemolekyler i værtsorganiske lagdelte faste stoffer
• sonokemi af polymerer
  • nedbrydning og modifikation af polymerer
  • syntese af polymerer
• sonolyse af organiske forurenende stoffer i vand

Sonokemisk udstyr

De fleste af de nævnte sonokemiske processer kan eftermonteres til arbejde inline. Vi hjælper gerne med at vælge det sonokemiske udstyr til dine behandlingsbehov. Til forskning og til test af processer anbefaler vi vores laboratorieapparater eller UIP1000hdT sæt.

Hvis det er nødvendigt, FM- og ATEX-certificerede ultralydsenheder og reaktorer (f.eks EKS UIP1000-Exd) er tilgængelige til sonikering af brandfarlige kemikalier og produktformuleringer i farlige miljøer.

Ultralydkavitation ændrer ringåbningsreaktioner

Ultralyd er en alternativ mekanisme til opvarmning, tryk, lys eller elektricitet for at igangsætte kemiske reaktioner. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth, og deres hold på Kemi fakultet ved University of Illinois i Urbana-Champaign Brugte ultralydseffekt til at udløse og manipulere ringåbningsreaktioner. Under sonikering producerede de kemiske reaktioner forskellige produkter end dem, der forudsiges af kredsløbssymmetrien regler (Nature 2007, 446, 423). Gruppen bundet mekanisk følsomme 1,2-disubstituerede benzocyclobutenisomerer til to polyethylenglycolkæder, påført ultralydsenergi og analyserede bulkopløsningerne ved anvendelse af C¹³ kernemagnetisk resonansspektroskopi. Spektra viste, at både cis- og trans-isomererne tilvejebringer det samme ringåbnede produkt, det som forventes fra trans-isomeren. Mens termisk energi forårsager tilfældig brunisk bevægelse af reaktanterne, giver den mekaniske energi af ultralydning en retning til atombevægelser. Kavitationelle virkninger styrer derfor energien effektivt ved at spænde molekylet og omforme den potentielle energioverflade.

Litteratur

Suslick, KS (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4. udgave. J. Wiley & Sønner: 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): Akustisk Kavitation og dets kemiske Consequences, i Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.