Sonochemische Reaktionen und Synthese
Unter Sonochemie versteht man die Anwendung von Ultraschall auf chemische Reaktionen und Prozesse. Der Mechanismus, der sonochemische Effekte in Flüssigkeiten hervorruft, ist das Phänomen der akustischen Kavitation.
Hielscher-Ultraschall-Labor- und Industriegeräte werden in einer Vielzahl von sonochemischen Verfahren eingesetzt. Die Ultraschallkavitation intensiviert und beschleunigt chemische Reaktionen wie Synthese und Katalyse.
sonochemische Reaktionen
Bei chemischen Reaktionen und Prozessen können die folgenden sonochemischen Effekte beobachtet werden:
- Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit
- Erhöhung der Reaktionsleistung
- effizientere Energienutzung
- sonochemische Methoden zur Umschaltung des Reaktionsweges
- Verbesserung der Leistung von Phasentransferkatalysatoren
- Vermeidung von Phasentransferkatalysatoren
- Verwendung von rohen oder technischen Reagenzien
- Aktivierung von Metallen und Feststoffen
- Erhöhung der Reaktivität von Reagenzien oder Katalysatoren (Klicken Sie hier, um mehr über ultraschallunterstützte Katalyse zu erfahren)
- Verbesserung der Partikelsynthese
- Beschichtung von Nanopartikeln
7 Ultraschallhomogenisatoren der Modell UIP1000hdT (7x 1kW Ultraschallleistung) als Cluster für sonochemische Reaktionen im industriellen Maßstab installiert.
Vorteile von durch Ultraschall intensivierten chemischen Reaktionen
Mit Ultraschall geförderte chemische Reaktionen sind eine etablierte Technik zur Prozessintensivierung im Bereich der chemischen Synthese und Verarbeitung. Durch die Nutzung der Kraft von Ultraschallwellen bieten diese Reaktionen zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden und verbessern die chemische Katalyse und Synthese. Turboschnelle Umsetzungsraten, hervorragende Ausbeuten, erhöhte Selektivität, verbesserte Energieeffizienz und geringere Umweltauswirkungen sind die Hauptvorteile sonochemischer Reaktionen.
Die Tabelle zeigt einige wichtige Vorteile der ultraschallunterstützten Reaktion gegenüber herkömmlichen chemischen Reaktionen:
| Reaktion | Reaktionszeit Konventionell |
Reaktionszeit Ultraschall |
Ertrag Konventionell (%) |
Ertrag Ultraschall (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder-Cyclisierung | 35 h | 3.5 h | 77.9 | 97.3 |
| Oxidation von Indan zu Indan-1-on | 3 h | 3 h | weniger als 27% | 73% |
| Reduktion von Methoxyaminosilan | keine Reaktion | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidierung von langkettigen ungesättigten Fettsäureestern | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidation von Arylalkanen | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michael-Addition von Nitroalkanen an monosubstituierte α,β-ungesättigte Ester | 2 Tage | 2 h | 85% | 90% |
| Permanganat-Oxidation von 2-Oktanol | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Synthese von Chalkonen durch CLaisen-Schmidt-Kondensation | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| UIllmann-Kupplung von 2-Jodnitrobenzol | 2 h | 2H | weniger als 1,5% | 70.4% |
| Reformatsky-Reaktion | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultraschallkavitation in Flüssigkeiten
Kavitation, d. h. die Bildung, das Wachstum und der implosive Kollaps von Blasen in einer Flüssigkeit. Der Kollaps durch Kavitation führt zu einer starken lokalen Erwärmung (~5000 K), hohen Drücken (~1000 atm) und enormen Heiz- und Kühlraten (>109 K/sec) und Flüssigkeitsstrahlen (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitation mit dem UIP1000hd:
Kavitationsblasen sind Vakuumblasen. Das Vakuum wird durch eine sich schnell bewegende Oberfläche auf der einen Seite und eine inerte Flüssigkeit auf der anderen Seite erzeugt. Die entstehenden Druckunterschiede dienen dazu, die Kohäsions- und Adhäsionskräfte innerhalb der Flüssigkeit zu überwinden.
Kavitation kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden, z. B. durch Venturi-Düsen, Hochdruckdüsen, Hochgeschwindigkeitsrotation oder Ultraschallwandler. In all diesen Systemen wird die zugeführte Energie in Reibung, Turbulenzen, Wellen und Kavitation umgewandelt. Der Anteil der zugeführten Energie, der in Kavitation umgewandelt wird, hängt von mehreren Faktoren ab, die die Bewegung der kavitationserzeugenden Ausrüstung in der Flüssigkeit beschreiben.
Die Intensität der Beschleunigung ist einer der wichtigsten Faktoren, die die effiziente Umwandlung von Energie in Kavitation beeinflussen. Eine höhere Beschleunigung erzeugt höhere Druckunterschiede. Dies wiederum erhöht die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Vakuumblasen anstelle der Erzeugung von Wellen, die sich in der Flüssigkeit ausbreiten. Je höher also die Beschleunigung, desto höher ist der Anteil der Energie, der in Kavitation umgewandelt wird. Im Falle eines Ultraschallwandlers wird die Intensität der Beschleunigung durch die Schwingungsamplitude beschrieben.
Höhere Amplituden führen zu einer effektiveren Erzeugung von Kavitation. Die Industriegeräte von Hielscher Ultrasonics können Amplituden von bis zu 115 µm erzeugen. Diese hohen Amplituden ermöglichen ein hohes Leistungsübertragungsverhältnis, was wiederum hohe Leistungsdichten von bis zu 100 W/cm³ ermöglicht.
Zusätzlich zur Intensität sollte die Flüssigkeit so beschleunigt werden, dass nur minimale Verluste in Form von Turbulenzen, Reibung und Wellenbildung entstehen. Optimal ist hierfür eine einseitige Bewegungsrichtung.
Ultraschallreaktor mit 16.000 Watt für die sonochemisch unterstützte Inline-Umesterung.
- Herstellung von aktivierten Metallen durch Reduktion von Metallsalzen
- Erzeugung von aktivierten Metallen durch Beschallung
- sonochemische Synthese von Partikeln durch Ausfällung von Metalloxiden (Fe, Cr, Mn, Co), z. B. zur Verwendung als Katalysatoren
- Imprägnierung von Metallen oder Metallhalogeniden auf Trägern
- Herstellung von aktivierten Metalllösungen
- Reaktionen mit Metallen über in situ erzeugte Organoelementarten
- Reaktionen mit nicht-metallischen Feststoffen
- Kristallisation und Ausfällung von Metallen, Legierungen, Zeolithen und anderen Feststoffen
- Veränderung der Oberflächenmorphologie und der Partikelgröße durch Hochgeschwindigkeits-Zwischenpartikelkollisionen
- Bildung von amorphen nanostrukturierten Materialien, einschließlich Übergangsmetallen mit großer Oberfläche, Legierungen, Karbiden, Oxiden und Kolloiden
- Kristallagglomeration
- Glätten und Entfernen der passivierenden Oxidschicht
- Mikromanipulation (Fraktionierung) von kleinen Partikeln
- Dispersion von Feststoffen
- Herstellung von Kolloiden (Ag, Au, CdS in Q-Größe)
- Interkalation von Gastmolekülen in anorganische Schichtfestkörper als Wirt
- Sonochemie der Polymere
- Abbau und Modifizierung von Polymeren
- Synthese von Polymeren
- Sonolyse von organischen Schadstoffen in Wasser
Sonochemische Ausrüstung
Die meisten der genannten sonochemischen Verfahren können für den Inline-Betrieb nachgerüstet werden. Wir beraten Sie gerne bei der Auswahl der sonochemischen Anlagen für Ihre Prozessanforderungen. Für die Forschung und für die Erprobung von Verfahren empfehlen wir unsere Laborgeräte oder die UIP1000hdT Set.
Bei Bedarf können FM- und ATEX-zertifizierte Ultraschallgeräte und Reaktoren (z. B. UIP1000-Exd) sind für die Beschallung von brennbaren Chemikalien und Produktformulierungen in gefährlichen Umgebungen erhältlich.
Ultraschallkavitation verändert ringöffnende Reaktionen
Ultraschall ist ein alternativer Mechanismus zu Hitze, Druck, Licht oder Elektrizität, um chemische Reaktionen auszulösen. Jeffrey S. MooreCharles R. Hickenboth, und ihr Team von der Fakultät für Chemie an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign nutzten Ultraschall, um Ringöffnungsreaktionen auszulösen und zu manipulieren. Unter Beschallung erzeugten die chemischen Reaktionen Produkte, die sich von denen unterschieden, die nach den Regeln der Orbitalsymmetrie vorhergesagt wurden (Nature 2007, 446, 423). Die Gruppe verknüpfte mechanisch empfindliche 1,2-disubstituierte Benzocyclobuten-Isomere mit zwei Polyethylenglykolketten, wendete Ultraschallenergie an und analysierte die Bulk-Lösungen mit Hilfe von C13 Kernspinresonanzspektroskopie. Die Spektren zeigten, dass sowohl die cis- als auch die trans-Isomere das gleiche ringgeöffnete Produkt liefern, nämlich das, das man vom trans-Isomer erwartet. Während thermische Energie eine zufällige Brownsche Bewegung der Reaktanten verursacht, gibt die mechanische Energie der Ultraschallbehandlung den atomaren Bewegungen eine Richtung. Daher wird die Energie durch Kavitationseffekte effizient gelenkt, indem das Molekül belastet und die potenzielle Energieoberfläche neu geformt wird.
Ultraschallgeräte mit Sonotrode wie der UP400St die Synthese von Nanopartikeln zu intensivieren. Die sonochemische Methode ist einfach, wirksam und schnell und arbeitet mit nichttoxischen Chemikalien unter milden Bedingungen.
Hochleistungsultraschallgeräte für die Sonochemie
Hielscher Ultrasonics liefert Ultraschallprozessoren für Labor und Industrie. Alle Hielscher-Ultraschallgeräte sind sehr leistungsstarke und robuste Ultraschallmaschinen und für den 24/7-Dauerbetrieb unter Volllast ausgelegt. Digitale Steuerung, programmierbare Einstellungen, Temperaturüberwachung, automatische Datenprotokollierung und Browser-Fernsteuerung sind nur einige Merkmale der Hielscher-Ultraschallgeräte. Konzipiert für hohe Leistung und komfortable Bedienung, schätzen Anwender die sichere und einfache Handhabung der Hielscher Ultrasonics-Geräte. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher liefern Amplituden von bis zu 200µm und sind ideal für Hochleistungsanwendungen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 1 bis 500ml | 10 bis 200ml/min | UP100H |
| 10 bis 2000ml | 20 bis 400ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 bis 20l | 0,2 bis 4l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100l | 2 bis 10l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.
Literatur / Literaturhinweise
- 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 fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.