Sonokemi og sonokemiske reaktorer
Sonokemi er det kemiske område, hvor ultralyd med høj intensitet bruges til at inducere, fremskynde og modificere kemiske reaktioner (syntese, katalyse, nedbrydning, polymerisation, hydrolyse osv.). Ultralydgenereret kavitation er kendetegnet ved unikke energitætte forhold, som fremmer og intensiverer kemiske reaktioner. Hurtigere reaktionshastigheder, højere udbytter og brug af grønne, mildere reagenser gør sonokemi til et meget fordelagtigt værktøj for at opnå forbedrede kemiske reaktioner.
Sonokemi
Sonokemi er det forsknings- og behandlingsområde, hvor molekyler gennemgår en kemisk reaktion på grund af anvendelsen af ultralydbehandling med høj intensitet (f.eks. 20 kHz). Fænomenet, der er ansvarlig for sonokemiske reaktioner, er akustisk kavitation. Akustisk eller ultralydskavitation opstår, når kraftige ultralydsbølger kobles til en væske eller opslæmning. På grund af de skiftende højtryks- / lavtrykscyklusser forårsaget af ultralydsbølger i væsken genereres vakuumbobler (kavitationelle hulrum), som vokser over flere trykcyklusser. Når kavitationsvakuumboblen når en vis størrelse, hvor den ikke kan absorbere mere energi, imploderer vakuumboblen voldsomt og skaber et meget energitæt hot spot. Dette lokalt forekommende hot spot er kendetegnet ved meget høje temperaturer, tryk og mikrostreaming af ekstremt hurtige væskestråler.
Den lukkede batchreaktor fremstillet af rustfrit stål er udstyret med ultralydsapparat UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustisk kavitation og effekter af ultralydbehandling med høj intensitet
Akustisk kavitation, ofte også kaldet ultralydskavitation, kan skelnes i to former, stabil og forbigående kavitation. Under stabil kavitation svinger kavitationsboblen mange gange omkring sin ligevægtsradius, mens den under forbigående kavitation, hvor en kortvarig boble gennemgår dramatiske volumenændringer i nogle få akustiske cyklusser og ender i et voldsomt kollaps (Suslick 1988). Stabil og forbigående kavitation kan forekomme samtidigt i opløsningen, og en boble, der gennemgår stabil kavitation, kan blive et forbigående hulrum. Bobleimplosionen, som er karakteristisk for forbigående kavitation og højintensiv sonikering, skaber forskellige fysiske forhold, herunder meget høje temperaturer på 5000-25.000 K, tryk på op til flere 1000 bar og flydende strømme med hastigheder på op til 1000 m / s. Da kollaps/implosion af kavitationsbobler sker på mindre end et nanosekund, meget høje opvarmnings- og afkølingshastigheder på over 1011 K/s kan observeres. Sådanne høje opvarmningshastigheder og trykforskelle kan starte og fremskynde reaktioner. Med hensyn til de forekommende væskestrømme viser disse højhastighedsmikrostråler særligt store fordele, når det kommer til heterogene fast-flydende opslæmninger. Væskestrålerne rammer overfladen med den fulde temperatur og tryk fra den kollapsende boble og forårsager erosion via interpartikelkollision samt lokal smeltning. Som følge heraf observeres en signifikant forbedret masseoverførsel i opløsningen.
Ultralydkavitation genereres mest effektivt i væsker og opløsningsmidler med lave damptryk. Derfor er medier med lavt damptryk gunstige til sonokemiske anvendelser.
Som et resultat af ultralydskavitation kan de intense kræfter, der skabes, skifte reaktionsveje til mere effektive ruter, så mere komplette konverteringer og / eller produktion af uønskede biprodukter undgås.
Det energitætte rum, der skabes ved sammenbruddet af kavitationsbobler, kaldes hot-spot. Lavfrekvent ultralyd med høj effekt i området 20 kHz og evnen til at skabe høje amplituder er veletableret til generering af intense hot-spots og de gunstige sonokemiske forhold.
Ultralydslaboratorieudstyr såvel som industrielle ultralydsreaktorer til kommercielle sonokemiske processer er let tilgængelige og bevist som pålidelige, effektive og miljøvenlige i laboratorie-, pilot- og fuldindustriel skala. Sonokemiske reaktioner kan udføres som batch (dvs. åben beholder) eller in-line proces ved hjælp af en lukket flowcellereaktor.
Sono-syntese
Sonosyntese eller sonokemisk syntese er anvendelsen af ultralydgenereret kavitation for at initiere og fremme kemiske reaktioner. Ultralydbehandling med høj effekt (f.eks. Ved 20 kHz) viser stærke virkninger på molekyler og kemiske bindinger. For eksempel kan de sonokemiske virkninger som følge af intens sonikering resultere i opdeling af molekyler, skabelse af frie radikaler og / eller skift af kemiske veje. Sonokemisk syntese bruges derfor intenst 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, sølv-NP'er), pigmenter, kerne-skal-nanopartikler, nano-hydroxyapatit, metalorganiske rammer (MOF'er), aktive farmaceutiske ingredienser (API'er), mikrosfæredekorerede nanopartikler, nanokompositter blandt mange andre materialer.
Eksempler: Ultralydstransesterificering af fedtsyremethylestere (biodiesel) eller Transesterificering af polyoler ved hjælp af ultralyd.
TEM-billede (A) og dets partikelstørrelsesfordeling (B) af sølvnanopartikler (Ag-NP'er), som er blevet sonokemisk syntetiseret under optimale forhold.
Også bredt anvendt er den ultralydsfremmede krystallisation (sono-krystallisation), hvor power-ultralyd bruges til at producere overmættede opløsninger, til at initiere krystallisation / udfældning og kontrollere krystalstørrelse og morfologi via ultralydsprocesparametre. Klik her for at lære mere om sono-krystallisation!
Sono-katalyse
Sonikering af en kemisk suspension eller opløsning kan forbedre katalytiske reaktioner betydeligt. Den sonokemiske energi reducerer reaktionstiden, forbedrer varme- og masseoverførslen, hvilket efterfølgende resulterer i øgede kemiske hastighedskonstanter, udbytter og selektiviteter.
Der er adskillige katalytiske processer, som drager drastisk fordel af anvendelsen af ultralyd og dens sonokemiske virkninger. Enhver heterogen faseoverførselskatalyse (PTC) reaktion, der involverer to eller flere ikke-blandbare væsker eller en flydende fast sammensætning, drager fordel af sonikering, den sonokemiske energi og den forbedrede masseoverførsel.
For eksempel afslørede den komparative analyse af lydløs og ultralydassisteret katalytisk våd peroxidoxidation af phenol i vand, at sonikeringen reducerede reaktionens energibarriere, men ikke havde nogen indflydelse på reaktionsvejen. Aktiveringsenergien til oxidation af phenol over RuI3 katalysator under sonikering viste sig at være 13 kJ mol-1, som var fire gange mindre sammenlignet med den lydløse oxidationsproces (57 kJ mol-1). (Rokhina et al., 2010)
Sonokemisk katalyse bruges med succes til fremstilling af kemiske produkter samt fremstilling af mikron- og nanostrukturerede uorganiske materialer såsom metaller, legeringer, metalforbindelser, ikke-metalmaterialer og uorganiske kompositter. Almindelige eksempler på ultralydassisteret 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 sono-katalyse og specifikke applikationer!
Sonikering forbedrer klikkemi, såsom azid-alkyn cycloadditionsreaktioner!
Andre sonokemiske anvendelser
På grund af deres alsidige brug, pålidelighed og enkle betjening er sonokemiske systemer som f.eks. UP400St eller UIP2000hdT værdsættes som effektivt udstyr til kemiske reaktioner. Hielscher Ultrasonics sonokemiske enheder kan let bruges til batch (åbent bæger) og kontinuerlig inline sonikering ved hjælp af en sonokemisk flowcelle. Sonokemi inklusive sono-syntese, sono-katalyse, nedbrydning eller polymerisation er meget udbredt inden for kemi, nanoteknologi, materialevidenskab, lægemidler, mikrobiologi såvel som i andre industrier.
industriel ultralydsapparat UIP2000hdT (2kW) med sonokemisk inline-reaktor.
Højtydende sonokemisk udstyr
Hielscher Ultrasonics er din topleverandør af innovative, avancerede ultralydsapparater, sonokemiske flowceller, reaktorer og tilbehør til effektive og pålidelige sonokemiske reaktioner. Alle Hielscher ultralydapparater er eksklusivt designet, fremstillet og testet på Hielscher Ultrasonics hovedkvarter i Teltow (nær Berlin), Tyskland. Udover de højeste tekniske standarder og enestående robusthed og 24/7/365 drift for meget effektiv drift, er Hielscher ultralydapparater nemme og pålidelige at betjene. Høj effektivitet, smart software, intuitiv menu, automatisk dataprotokol og browserfjernbetjening er blot nogle få funktioner, der adskiller Hielscher Ultrasonics fra andre producenter af sonokemisk udstyr.
Præcist justerbare amplituder
Amplituden er forskydningen foran (spidsen) af sonotroden (også kendt som ultralydssonde eller horn) og er den vigtigste påvirkningsfaktor for ultralydskavitation. Højere amplituder betyder mere intens kavitation. Den krævede intensitet af kavitation afhænger stærkt af reaktionstypen, anvendte kemiske reagenser og målrettede resultater af den specifikke sonokemiske reaktion. Det betyder, at amplituden skal være præcist justerbar for at indstille intensiteten af akustisk kavitation til det ideelle niveau. Alle Hielscher ultralydapparater kan justeres pålideligt og præcist via en intelligent digital kontrol til den ideelle amplitude. Boosterhorn kan desuden bruges til at mindske eller øge amplituden mekanisk. Ultralyd’ Industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige.
Præcis temperaturkontrol under sonokemiske reaktioner
I kavitations-hot-spotet kan der observeres ekstremt høje temperaturer på mange tusinde grader Celsius. Disse ekstreme temperaturer er dog lokalt begrænset til det mindste indre og omgivelser af den imploderende kavitationsboble. I bulkopløsningen er temperaturstigningen fra implosionen en enkelt eller få kavitationsbobler ubetydelig. Men kontinuerlig, intens sonikering i længere perioder kan forårsage en trinvis stigning i bulkvæskens temperatur. Denne temperaturstigning bidrager til mange kemiske reaktioner og betragtes ofte som gavnlig. Forskellige kemiske reaktioner har imidlertid forskellige optimale reaktionstemperaturer. Når varmefølsomme materialer behandles, kan temperaturkontrol være nødvendig. For at give mulighed for ideelle termiske forhold under sonokemiske processer tilbyder Hielscher Ultrasonics forskellige sofistikerede løsninger til præcis temperaturkontrol under sonokemiske processer, såsom sonokemiske reaktorer og flowceller udstyret med kølekapper.
Vores sonokemiske flowceller og reaktorer fås med kølekapper, som understøtter en effektiv varmeafledning. Til kontinuerlig temperaturovervågning er Hielscher ultralydapparater udstyret med en tilsluttbar temperatursensor, som kan indsættes i væsken til konstant måling af bulktemperaturen. Sofistikeret software gør det muligt at indstille et temperaturområde. Når temperaturgrænsen overskrides, holder ultralydsapparatet automatisk pause, indtil temperaturen i væsken er faldet til et bestemt indstillingspunkt og begynder automatisk at sonikere igen. Alle temperaturmålinger samt andre vigtige ultralydsprocesdata registreres automatisk på et indbygget SD-kort og kan nemt revideres til processtyring.
Temperatur er en afgørende parameter for sonokemiske processer. Hielschers udarbejdede teknologi hjælper dig med at holde temperaturen på din sonokemiske applikation i det ideelle temperaturområde.
- høj effektivitet
- Avanceret teknologi
- Nem og sikker at betjene
- pålidelighed & Robusthed
- batch & Inline
- til enhver volumen
- Intelligent software
- smarte funktioner (f.eks. dataprotokol)
- CIP (rengøring på stedet)
Sonokemisk reaktor: Intens sonikering og resulterende kavitation initierer og intensiverer kemiske reaktioner og kan skifte jævne veje.
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.
Eksempler på ultralydsforbedret kemisk reaktion vs konventionelle reaktioner
Tabellen nedenfor giver et overblik over flere almindelige kemiske reaktioner. For hver reaktionstype sammenlignes den konventionelt kørte reaktion vs den ultralydsintensiverede reaktion med hensyn til udbytte og konverteringshastighed.
| 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% |
(jf. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, første udgave. Udgivet 2019 af Wiley)
Litteratur / Referencer
- 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 fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.