Sonokemi og sonokemiske reaktorer

Sonokemi er det område inden for kemi, hvor ultralyd med høj intensitet anvendes til at fremkalde, accelerere og modificere kemiske reaktioner (syntese, katalyse, nedbrydning, polymerisation, hydrolyse osv.). Ultralydsgenereret kavitation er kendetegnet ved unikke forhold med høj energitæthed, som fremmer og intensiverer kemiske reaktioner. Hurtigere reaktionshastigheder, højere udbytter og anvendelsen af grønne, mildere reagenser gør sonokemi til et meget fordelagtigt værktøj til at opnå forbedrede kemiske reaktioner.

Sonokemi

Sonokemi er det forsknings- og procesområde, hvor molekyler gennemgår en kemisk reaktion som følge af anvendelsen af sonikering med høj intensitet (f.eks. 20 kHz). Det fænomen, der er ansvarligt for sonokemiske reaktioner, er akustisk kavitation. Akustisk kavitation eller ultralydskavitation opstår, når kraftige ultralydsbølger kobles ind i en væske eller opslæmning. På grund af de vekslende højtryks- og lavtrykscyklusser, som kraftige ultralydsbølger skaber i væsken, dannes der vakuumbobler (kavitationshulrum), som vokser over flere trykcyklusser. Når vakuumboblen fra kavitationen når en bestemt størrelse, hvor den ikke kan absorbere mere energi, imploderer den voldsomt og skaber et varmt punkt med meget høj energitæthed. Dette lokalt forekommende varme punkt er kendetegnet ved meget høje temperaturer, høje tryk og mikrostrømning i form af ekstremt hurtige væskestråler.

Akustisk kavitation og virkninger af sonikering med høj intensitet

Akustisk kavitation, som ofte også kaldes ultralydskavitation, kan opdeles i to former: stabil og transient kavitation. Ved stabil kavitation oscillerer kavitationsboblen mange gange omkring sin ligevægtsradius, mens en kortlivet boble ved transient kavitation gennemgår dramatiske volumenændringer i løbet af nogle få akustiske cyklusser og til sidst kollapser voldsomt (Suslick 1988). Stabil og transient kavitation kan forekomme samtidigt i opløsningen, og en boble, der gennemgår stabil kavitation, kan blive til et transient kavitationshulrum. Boblens implosion, som er karakteristisk for transient kavitation og sonikering med høj intensitet, skaber forskellige fysiske forhold, herunder meget høje temperaturer på 5000–25.000 K, tryk på op til flere 1000 bar og væskestrømme med hastigheder på op til 1000m/s. Da kavitationsboblers kollaps/implosion sker på mindre end et nanosekund, kan der observeres meget høje opvarmnings- og afkølingshastigheder på over 10¹¹ K/s. Så høje opvarmningshastigheder og trykforskelle kan igangsætte og accelerere reaktioner. Hvad angår de opståede væskestrømme, giver disse mikrostråler med høj hastighed særligt store fordele ved heterogene faststof–væske-opslæmninger. Væskestrålerne rammer overfladen med den kollapsende bobles fulde temperatur og tryk og forårsager erosion gennem kollisioner mellem partikler samt lokal smeltning. Som følge heraf observeres en betydeligt forbedret masseoverførsel i opløsningen.

Ultralydskavitation genereres mest effektivt i væsker og opløsningsmidler med lave damptryk. Derfor er medier med lave damptryk fordelagtige til sonokemiske anvendelser.
Som følge af ultralydskavitation kan de intense kræfter, der skabes, ændre reaktionsvejene til mere effektive veje, så mere fuldstændige omdannelser og/eller dannelsen af uønskede biprodukter undgås.
Det område med høj energitæthed, der skabes ved kavitationsboblernes kollaps, kaldes et varmt punkt. Lavfrekvent ultralyd med høj effekt i området omkring 20kHz og evnen til at skabe høje amplituder er veletablerede til at generere intense varme punkter og de fordelagtige sonokemiske forhold.

Ultralydsudstyr til laboratorier samt industrielle ultralydsreaktorer til kommercielle sonokemiske processer er let tilgængelige og har vist sig at være pålidelige, effektive og miljøvenlige i laboratorie-, pilot- og fuld industriel skala. Sonokemiske reaktioner kan udføres som batchprocesser (dvs. i en åben beholder) eller inlineprocesser med en lukket flowcellereaktor.

Sonosyntese

Sonosyntese eller sonokemisk syntese er anvendelsen af ultralydsgenereret kavitation til at igangsætte og fremme kemiske reaktioner. Sonikering med høj effekt (f.eks. ved 20 kHz) har kraftige virkninger på molekyler og kemiske bindinger. For eksempel kan de sonokemiske virkninger af intens sonikering medføre spaltning af molekyler, dannelse af frie radikaler og/eller ændring af kemiske reaktionsveje. Sonokemisk syntese anvendes derfor i vid udstrækning til fremstilling eller modifikation af en lang række nanostrukturerede materialer. Eksempler på nanomaterialer fremstillet ved sonosyntese er nanopartikler (NP’er) (f.eks. guld-NP’er og sølv-NP’er), pigmenter, kerne-skal-nanopartikler, nanohydroxyapatit, metalorganiske netværk (MOF’er), aktive farmaceutiske ingredienser (API’er), nanopartikler dekoreret med mikrosfærer og nanokompositter blandt mange andre materialer.
Eksempler: Ultralydsbaseret transesterificering af fedtsyremethylestere (biodiesel) eller transesterificering af polyoler ved hjælp af ultralyd.

TEM-billede (A) og tilhørende partikelstørrelsesfordeling (B) af sølvnanopartikler (Ag-NPs), som er syntetiseret sonokemisk under optimale forhold.

Ultralydsfremmet krystallisation (sonokrystallisation) anvendes også i vid udstrækning. Her bruges ultralyd med høj effekt til at fremstille overmættede opløsninger, igangsætte krystallisation / udfældning og styre krystalstørrelse og morfologi via ultralydsprocesparametre. Klik her for at læse mere om sonokrystallisation!

Sonokatalyse

Sonikering af en kemisk suspension eller opløsning kan forbedre katalytiske reaktioner betydeligt. Den sonokemiske energi reducerer reaktionstiden og forbedrer varme- og masseoverførslen, hvilket efterfølgende resulterer i højere kemiske hastighedskonstanter, udbytter og selektiviteter.
Der findes talrige katalytiske processer, som har meget stor gavn af anvendelsen af ultralyd med høj effekt og dens sonokemiske virkninger. Enhver heterogen faseoverførselskatalytisk reaktion (PTC), der involverer to eller flere ikke-blandbare væsker eller en sammensætning af væske og fast stof, har gavn af sonikering, den sonokemiske energi og den forbedrede masseoverførsel.
For eksempel viste en sammenlignende analyse af katalytisk vådoxidation af phenol i vand med peroxid, henholdsvis uden ultralyd og med ultralydsassistance, at sonikeringen reducerede reaktionens energibarriere, men ikke havde nogen indvirkning på reaktionsvejen. Aktiveringsenergien for oxidation af phenol med katalysatoren RuI₃ under sonikering blev fundet at være 13 kJ mol^-1, hvilket var fire gange mindre end ved oxidationsprocessen uden ultralyd (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonokemisk katalyse anvendes med succes til fremstilling af kemiske produkter samt mikro- og nanostrukturerede uorganiske materialer såsom metaller, legeringer, metalforbindelser, ikke-metalliske materialer og uorganiske kompositter. Almindelige eksempler på ultralydsassisteret PTC er transesterificering af frie fedtsyrer til methylester (biodiesel), hydrolyse, forsæbning af vegetabilske olier, sono-Fenton-reaktion (Fenton-lignende processer), sonokatalytisk nedbrydning osv.
Læs mere om sonokatalyse og specifikke anvendelser!
Sonikering forbedrer klikkemi såsom azid-alkyn-cycloadditionsreaktioner!

Andre sonokemiske anvendelser

På grund af deres alsidige anvendelsesmuligheder, pålidelighed og enkle betjening værdsættes sonokemiske systemer som UP400St eller UIP2000hdT som effektivt udstyr til kemiske reaktioner. Sonokemiske apparater fra Hielscher Ultrasonics kan nemt anvendes til batchsonikering (åbent bægerglas) og kontinuerlig inlinesonikering med en sonokemisk flowcelle. Sonokemi, herunder sonosyntese, sonokatalyse, nedbrydning og polymerisation, anvendes i vid udstrækning inden for kemi, nanoteknologi, materialevidenskab, lægemidler, mikrobiologi samt andre industrier.

Sonokemisk udstyr med høj ydeevne

Hielscher Ultrasonics er din førende leverandør af innovative, topmoderne ultralydsapparater, sonokemiske flowceller, reaktorer og tilbehør til effektive og pålidelige sonokemiske reaktioner. Alle ultralydsapparater fra Hielscher udvikles, fremstilles og testes udelukkende på hovedkontoret for Hielscher Ultrasonics i Teltow (nær Berlin), Tyskland. Ud over de højeste tekniske standarder, enestående robusthed og 24/7/365-drift for meget effektiv drift er ultralydsapparater fra Hielscher nemme og pålidelige at betjene. Høj effektivitet, intelligent software, en intuitiv menu, automatisk datalogning og fjernbetjening via browser er blot nogle få af de funktioner, der adskiller Hielscher Ultrasonics fra andre producenter af sonokemisk udstyr.

Præcist justerbare amplituder

Amplituden er forskydningen ved fronten (spidsen) af sonotroden (også kendt som ultralydssonde eller horn) og er den vigtigste faktor, der påvirker ultralydskavitation. Højere amplituder betyder mere intens kavitation. Den nødvendige kavitationsintensitet afhænger i høj grad af reaktionstypen, de anvendte kemiske reagenser og de ønskede resultater af den specifikke sonokemiske reaktion. Det betyder, at amplituden bør kunne justeres præcist for at indstille intensiteten af den akustiske kavitation til det ideelle niveau. Alle ultralydsapparater fra Hielscher kan pålideligt og præcist indstilles til den ideelle amplitude via en intelligent digital styring. Boosterhorn kan desuden anvendes til at reducere eller øge amplituden mekanisk. De industrielle ultralydsprocessorer fra Ultrasonics kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder.

Præcis temperaturstyring under sonokemiske reaktioner

I kavitationens varme punkt kan der observeres ekstremt høje temperaturer på mange tusinde grader Celsius. Disse ekstreme temperaturer er dog lokalt begrænset til det meget lille indre af den imploderende kavitationsboble og dens omgivelser. I opløsningen som helhed er temperaturstigningen fra implosionen af en enkelt eller nogle få kavitationsbobler ubetydelig. Kontinuerlig, intens sonikering i længere perioder kan dog medføre en gradvis stigning i temperaturen i væsken som helhed. Denne temperaturstigning bidrager til mange kemiske reaktioner og betragtes ofte som fordelagtig. Forskellige kemiske reaktioner har dog forskellige optimale reaktionstemperaturer. Ved behandling af varmefølsomme materialer kan temperaturstyring være nødvendig. For at muliggøre ideelle termiske forhold under sonokemiske processer tilbyder Hielscher Ultrasonics forskellige avancerede løsninger til præcis temperaturstyring under sonokemiske processer, såsom sonokemiske reaktorer og flowceller udstyret med kølekapper.
Vores sonokemiske flowceller og reaktorer fås med kølekapper, som understøtter effektiv varmeafledning. Til kontinuerlig temperaturovervågning er ultralydsapparater fra Hielscher udstyret med en tilslutningsbar temperatursensor, som kan indsættes i væsken for konstant at måle temperaturen i væsken som helhed. Avanceret software gør det muligt at indstille et temperaturinterval. Når temperaturgrænsen overskrides, holder ultralydsapparatet automatisk pause, indtil temperaturen i væsken er faldet til en bestemt indstillet værdi, hvorefter sonikeringen automatisk genoptages. Alle temperaturmålinger samt andre vigtige ultralydsprocesdata registreres automatisk på et indbygget SD-kort og kan nemt gennemgås med henblik på processtyring.
Temperaturen er en afgørende parameter i sonokemiske processer. Den avancerede teknologi fra Hielscher hjælper dig med at holde temperaturen i din sonokemiske anvendelse inden for det ideelle temperaturinterval.

Tabellen nedenfor giver en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: