Sonokemiske reaktioner og syntese
Sonokemi er anvendelsen af ultralyd til kemiske reaktioner og processer. Mekanismen, der forårsager sonokemiske effekter i væsker, er fænomenet akustisk kavitation.
Hielschers ultralydsapparater til laboratorie- og industribrug anvendes i en lang række sonokemiske processer. Ultralydskavitation intensiverer og accelererer kemiske reaktioner såsom syntese og katalyse.
Sonokemiske reaktioner
Følgende sonokemiske effekter kan observeres i kemiske reaktioner og processer:
- øget reaktionshastighed
- øget reaktionsudbytte
- mere effektiv energiudnyttelse
- sonokemiske metoder til ændring af reaktionsvejen
- forbedring af faseoverførselskatalysatorers ydeevne
- undgåelse af faseoverførselskatalysatorer
- brug af urensede reagenser eller reagenser af teknisk kvalitet
- aktivering af metaller og faste stoffer
- øget reaktivitet af reagenser eller katalysatorer (klik her for at læse mere om ultralydsassisteret katalyse)
- forbedring af partikelsyntese
- belægning af nanopartikler
7 ultralydshomogenisatorer af modellen UIP1000hdT (7x 1kW ultralydseffekt) installeret som en klynge til sonokemiske reaktioner i industriel skala.
Fordele ved kemiske reaktioner intensiveret med ultralyd
Kemiske reaktioner fremmet med ultralyd er en etableret teknik til procesintensivering inden for kemisk syntese og forarbejdning. Ved at udnytte ultralydsbølgernes kraft giver disse reaktioner adskillige fordele i forhold til konventionelle metoder og forbedrer kemisk katalyse og syntese. Turbohurtig omsætning, fremragende udbytter, øget selektivitet, forbedret energieffektivitet og reduceret miljøpåvirkning er de vigtigste fordele ved sonokemiske reaktioner.
Tabellen nedenfor viser nogle markante fordele ved reaktioner fremmet med ultralyd sammenlignet med konventionelle kemiske reaktioner:
| Reaktion | Reaktionstid Konventionel |
Reaktionstid Ultralyd |
Udbytte Konventionelt (%) |
Udbytte Ultralyd (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder-cyklisering | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oxidation af indane til indane-1-one | 3 h | 3 h | mindre end 27% | 73% |
| Reduktion af methoxyaminosilane | ingen reaktion | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidering af langkædede umættede fedtsyreestere | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidation af arylalkaner | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michael-addition af nitroalkaner til monosubstituerede α,β-umættede estere | 2 dage | 2 h | 85% | 90% |
| Permanganatoxidation af 2-octanol | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Syntese af chalconer ved Claisen-Schmidt-kondensation | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Ullmann-kobling af 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2h | mindre end 1,5% | 70,4% |
| Reformatsky-reaktion | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultralydskavitation i væsker
Kavitation er dannelsen, væksten og det implosive kollaps af bobler i en væske. Kavitationskollaps frembringer intens lokal opvarmning (~5000 K), høje tryk (~1000 atm), enorme opvarmnings- og afkølingshastigheder (>10⁹ K/sec) samt væskestråler (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitation med UIP1000hd:
Kavitationsbobler er vakuumbobler. Vakuummet skabes af en hurtigt bevægende overflade på den ene side og en inert væske på den anden. De resulterende trykforskelle tjener til at overvinde kohæsions- og adhæsionskræfterne i væsken.
Kavitation kan frembringes på forskellige måder, såsom med venturidyser, højtryksdyser, rotation med høj hastighed eller ultralydstransducere. I alle disse systemer omdannes den tilførte energi til friktion, turbulens, bølger og kavitation. Den andel af den tilførte energi, der omdannes til kavitation, afhænger af flere faktorer, som beskriver det kavitationsfrembringende udstyrs bevægelse i væsken.
Accelerationens intensitet er en af de vigtigste faktorer, der påvirker den effektive omdannelse af energi til kavitation. Højere acceleration skaber større trykforskelle. Dette øger igen sandsynligheden for dannelse af vakuumbobler frem for dannelse af bølger, der forplanter sig gennem væsken. Jo højere accelerationen er, desto større er derfor den andel af energien, der omdannes til kavitation. For en ultralydstransducer beskrives accelerationens intensitet ved svingningsamplituden.
Højere amplituder resulterer i en mere effektiv frembringelse af kavitation. Industriapparaterne fra Hielscher Ultrasonics kan frembringe amplituder på op til 115 µm. Disse høje amplituder muliggør en høj andel af overført effekt, hvilket igen gør det muligt at opnå høje effekttætheder på op til 100 W/cm³.
Ud over intensiteten bør væsken accelereres på en måde, der skaber minimale tab som følge af turbulens, friktion og bølgedannelse. Til dette er en ensrettet bevægelse optimal.
Ultralydsreaktor med 16.000 watt til sonokemisk forbedret inline-transesterificering.
- fremstilling af aktiverede metaller ved reduktion af metalsalte
- dannelse 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 bærematerialer
- fremstilling af aktiverede metalopløsninger
- reaktioner med metaller via organoelementforbindelser dannet in situ
- reaktioner med ikke-metalliske faste stoffer
- krystallisation og udfældning af metaller, legeringer, zeolithes og andre faste stoffer
- ændring af overflademorfologi og partikelstørrelse ved kollisioner mellem partikler med høj hastighed
- dannelse af amorfe nanostrukturerede materialer, herunder overgangsmetaller med stort overfladeareal, legeringer, carbider, oxider og kolloider
- agglomerering af krystaller
- udglatning og fjernelse af passiverende oxidbelægning
- mikromanipulation (fraktionering) af små partikler
- dispergering af faste stoffer
- fremstilling af kolloider (Ag, Au, CdS med Q-størrelse)
- interkalation af gæstemolekyler i uorganiske lagdelte faste værtsstoffer
- 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 inline-drift. Vi hjælper dig gerne med at vælge det sonokemiske udstyr til dine procesbehov. Til forskning og afprøvning af processer anbefaler vi vores laboratorieapparater eller sættet UIP1000hdT.
Ved behov fås FM- og ATEX-certificerede ultralydsapparater og reaktorer (f.eks. UIP1000-Exd) til sonikering af brandfarlige kemikalier og produktformuleringer i farlige miljøer.
Ultralydskavitation ændrer ringåbningsreaktioner
Sonikering er en alternativ mekanisme til varme, tryk, lys eller elektricitet til at igangsætte kemiske reaktioner. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth og deres team ved det kemiske fakultet ved University of Illinois at Urbana-Champaign anvendte ultralydseffekt til at udløse og manipulere ringåbningsreaktioner. Under sonikering dannede de kemiske reaktioner produkter, der var forskellige fra dem, som orbitalsymmetrireglerne forudsagde (Nature 2007, 446, 423). Gruppen koblede mekanisk følsomme isomerer af 1,2-disubstituted benzocyclobutene til to polyethylenglykolkæder, tilførte ultralydsenergi og analyserede opløsningerne som helhed ved hjælp af kernemagnetisk resonansspektroskopi med C13 . Spektrene viste, at både cis- og trans-isomererne giver det samme ringåbnede produkt, nemlig det, der forventes fra trans-isomeren. Mens termisk energi forårsager tilfældig brownsk bevægelse af reaktanterne, giver sonikeringens mekaniske energi atomernes bevægelser en retning. Derfor dirigerer kavitationseffekter effektivt energien ved at deformere molekylet og ændre den potentielle energioverflades form.
Ultralydsapparater af sondetypen såsom UP400St intensiverer syntesen af nanopartikler. Den sonokemiske fremgangsmåde er enkel, effektiv og hurtig og fungerer med ugiftige kemikalier under milde betingelser.
Ultralydsapparater med høj ydeevne til sonokemi
Hielscher Ultrasonics leverer ultralydsprocessorer til laboratorier og industri. Alle Hielschers ultralydsapparater er meget kraftige og robuste ultralydsmaskiner, der er bygget til kontinuerlig drift 24/7 under fuld belastning. Digital styring, programmerbare indstillinger, temperaturovervågning, automatisk datalogning og fjernstyring via browser er blot nogle af funktionerne i Hielschers ultralydsapparater. Udstyret fra Hielscher Ultrasonics er designet til høj ydeevne og komfortabel betjening, og brugerne værdsætter dets sikre og nemme håndtering. Hielschers industrielle ultralydsprocessorer leverer amplituder på op til 200µm og er ideelle til krævende anvendelser. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:
| Batchvolumen | Volumenstrøm | Anbefalede apparater |
|---|---|---|
| 1 til 500mL | 10 til 200mL/min | UP100H |
| 10 til 2000mL | 20 til 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 til 20L | 0,2 til 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 til 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Hielscher Ultrasonics fremstiller ultralydshomogenisatorer med høj ydeevne til blanding, dispergering, 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 ultralydshomogenisatorer med høj ydeevne fra laboratoriestørrelse til industriel størrelse.