Sonochemistry er kemiområdet, hvor ultralyd med høj intensitet bruges til at fremkalde, fremskynde og ændre kemiske reaktioner (syntese, katalyse, nedbrydning, polymerisering, hydrolyse osv.). Ultralydgenereret kavitation er kendetegnet ved unikke energitæt forhold, som fremmer og intensiverer kemiske reaktioner. Hurtigere reaktionshastigheder, højere udbytter og brug af grønne, mildere reagenser gør sonochemistry til et meget fordelagtigt værktøj for at opnå forbedrede kemiske reaktioner.

sonochemistry

Sonochemistry er forsknings- og behandlingsområdet, hvor molekyler gennemgår en kemisk reaktion på grund af anvendelsen af højintensiv ultralydbehandling (f.eks. 20 kHz). Fænomenet, der er ansvarlig for sonokemiske reaktioner, er akustisk kavitation. Akustisk eller ultralyd kavitation opstår, når kraftige ultralydbølger er koblet til en væske eller gylle. På grund af de vekslende højtryks- / lavtrykscyklusser forårsaget af effekt ultralydbølger 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.

Akustisk kavitation og effekter af højintensiv ultralydsmærkning

Akustisk kavitation, ofte også kaldet ultralydkavitation, 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 slutter i et voldsomt sammenbrud (Suslick 1988). Stabil og forbigående kavitation kan forekomme samtidigt i opløsningen, og en boble under stabil kavitation kan blive et forbigående hulrum. Boble implosionen, 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 sammenbruddet/implosionen af kavitationsbobler forekommer på mindre end et nanosekund, er meget høje varme- og kølehastigheder på over 10¹¹ K/s kan observeres. Sådanne høje varmehastigheder og trykforskelle kan starte og fremskynde reaktioner. Med hensyn til de forekommende flydende strømme viser disse højhastighedsmikrojets særligt høje fordele, når det kommer til heterogene fast-flydende gylle. De flydende stråler påvirker overfladen med den kollapsende bobles fulde temperatur og tryk og forårsager erosion via interpartikelkollision samt lokaliseret smeltning. Derfor observeres en signifikant forbedret masseoverførsel i opløsningen.

Ultralydkavitation genereres mest effektivt i væsker og opløsningsmidler med lavt damptryk. Derfor er medier med lavt damptryk gunstige for sonokemiske anvendelser.
Som følge af ultralydkavitation kan de intense kræfter, der skabes, skifte reaktionsveje til mere effektive ruter, så mere komplette konverteringer og / eller produktion af uønskede biprodukter undgås.
Det energitæt rum skabt af 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.

Ultralydlaboratorieudstyr samt industrielle ultralydsreaktorer til kommercielle sonokemiske processer er let tilgængelige og bevist som pålidelige, effektive og miljøvenlige på laboratorie-, pilot- og fuldt industriel skala. Sonokemiske reaktioner kan udføres som batch (dvs. åbent fartøj) eller in-line proces ved hjælp af en lukket flowcellereaktor.

Sono-syntese

Sonosyntese eller sonokemisk syntese er anvendelsen af ultralydsgenereret kavitation for at indlede og fremme kemiske reaktioner. Ultralyd ultralydsbaseret ultralyd (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, oprettelse af frie radikaler og / eller skift af kemiske veje. Sonokemisk syntese anvendes derfor intenst til fremstilling eller modifikation af en lang række nanostrukturerede materialer. Eksempler på nanomaterialer, der produceres via sonosyntese, er nanopartikler (NPs) (f.eks. guld-NPs, sølv-NPs), pigmenter, nanopartikler med kerneskal, nano-hydroxyapatit, organiske rammer for metal (MOF'er), aktive farmaceutiske ingredienser (API'er), mikrosfære dekorerede nanopartikler, nanokompositter blandt mange andre materialer.
Eksempler: Ultralyd transesterificering af fedtsyre methylestere (biodiesel) eller transesterificering af polyoler ved hjælp af ultralyd.

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

Også bredt anvendt er ultralyd fremmes krystallisering (sono-krystallisering), hvor magt-ultralyd er en bruges til at producere overmættede løsninger, til at indlede krystallisering / nedbør, og kontrollere krystal størrelse og morfologi via ultralyd proces parametre. Klik her for at lære mere om sono-krystallisering!

Sono-katalyse

Soning af en kemisk suspension eller opløsning kan forbedre katalytiske reaktioner betydeligt. Den sonokemiske energi reducerer reaktionstiden, forbedrer varme- og masseoverførsel, hvilket efterfølgende resulterer i øgede kemiske hastighedskonstanter, udbytter og selektiviteter.
Der er mange katalytiske processer, som drager drastisk fordel af anvendelsen af effekt ultralyd og dens sonokemiske virkninger. Enhver heterogen faseoverførselskatysereaktion (PTC), der involverer to eller flere umiskendelige væsker eller en flydende fast sammensætning, drager fordel af sonikering, den sonokemiske energi og den forbedrede masseoverførsel.
For eksempel viste den sammenlignende analyse af tavs og ultralydassisteret katalytisk vådperoxidoxidation af phenol i vand, at sonikeringen reducerede reaktionens energibarriere, men havde ingen indvirkning 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 i forhold til den tavse oxidationsproces (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al., 2010)
Sonokemisk katalyse anvendes med succes til fremstilling af kemiske produkter samt fremstilling af mikron- og nanostrukturerede uorganiske materialer som 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), sonocatalytisk 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 drift er sonokemiske systemer som UP400St eller UIP2000hdT værdiansættes som effektivt udstyr til kemiske reaktioner. Hielscher Ultrasonics sonochemical enheder kan let bruges til batch (åbent bægerglas) og kontinuerlig inline sonikering ved hjælp af en sonokemisk flowcelle. Sonochemistry herunder sono-syntese, sono-katalyse, nedbrydning, eller polymerisering er meget udbredt i kemi, nanoteknologi, materialevidenskab, lægemidler, mikrobiologi samt i andre brancher.

Højtydende sonokemisk udstyr

Hielscher Ultrasonics er din største leverandør af innovative, topmoderne ultralydsapparater, sonokemiske flowceller, reaktorer og tilbehør til effektive og pålidelige sonokemiske reaktioner. Alle Hielscher ultralydsapparater er udelukkende designet, fremstillet og testet på Hielscher Ultrasonics hovedkvarter i Teltow (nær Berlin), Tyskland. Udover de højeste tekniske standarder og fremragende robusthed og 24/7/365 drift for højeffektiv drift, er Hielscher ultralydsapparater nemme og pålidelige at betjene. Høj effektivitet, smart software, intuitiv menu, automatisk dataprotokollering og browserfjernstyring er blot nogle få funktioner, der adskiller Hielscher Ultrasonics fra andre sonokemiske udstyrsproducenter.

Præcist justerbare amplituder

Amplituden er forskydningen foran (spidsen) af sonotrode (også kendt som ultralydsonde eller horn) og er den vigtigste indflydelsesfaktor for ultralydkavitation. Højere amplituder betyder mere intens kavitation. Den krævede intensitet af kavitation afhænger i høj grad af reaktionstypen, de anvendte kemiske reagenser og de 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 ultralydsapparater kan justeres pålideligt og præcist via en intelligent digital styring til den ideelle amplitude. Boosterhorn kan desuden bruges til at reducere 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, tilpassede ultralydssonotroder er tilgængelige.

Præcis temperaturkontrol under sonokemiske reaktioner

I kavitation hot-spot, ekstremt høje temperaturer på mange tusinde grader Celsius kan observeres. Disse ekstreme temperaturer er dog begrænset lokalt til minutinteriøret og omgivelserne i 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 dog forskellige optimale reaktionstemperaturer. Når varmefølsomme materialer behandles, kan temperaturregulering være nødvendig. For at give mulighed for ideelle termiske forhold under sonokemiske processer tilbyder Hielscher Ultrasonics forskellige sofistikerede løsninger til præcis temperaturstyring under sonokemiske processer, såsom sonokemiske reaktorer og flowceller udstyret med kølejakker.
Vores sonokemiske flowceller og reaktorer fås med kølejakker, som understøtter en effektiv varmeafledning. Til kontinuerlig temperaturovervågning er Hielscher ultralydsapparater udstyret med en plug-temperatursensor, som kan indsættes i væsken til konstant måling af bulktemperaturen. Sofistikeret software gør det muligt at indstille et temperaturområde. Når temperaturgrænsen overskrides, stopper ultralydsapparatet automatisk, indtil temperaturen i væsken er sænket til et bestemt sætpunkt og begynder automatisk at sonikere igen. Alle temperaturmålinger samt andre vigtige ultralydsprocesdata registreres automatisk på et indbygget SD-kort og kan let 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.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: