Hielscher – Ultraschall-Technologie

Sonochemische Reaktionen und Synthese

Unter Sonochemie versteht man die Anwendung von Ultraschall auf chemische Reaktionen und Prozesse. Der Mechanismus, der die sonochemischen Effekte hervorruft, ist das Phänomen der akustischen Kavitation.

Hielscher Labor- und Industrie-Ultraschallgeräte werden hauptsächlich dazu verwendet, um Flüssigkeiten zu beschallen. Folgende sonochemischen Effekte können bei chemischen Reaktionen und Prozessen beobachtet werden:

  • Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit
  • Steigerung der Reaktionsergebnisse
  • effizientere Energienutzung
  • Steuerung des Reaktionsweges
  • Leistungsverbesserung der Phasentransferkatalysatoren
  • Vermeiden der Verwendung von Phasentransferkatalysatoren
  • Einsatz von rohen oder technischen Reagenten
  • Aktivierung von Metallen und Feststoffen
  • Reaktivitätssteigerung der Reagenten oder Katalysatoren

Ultraschallkavitation in Flüssigkeiten

Kavitation ist „die Formation, das Wachstum und der implosive Kollaps der Blasen in einer Flüssigkeit. Der Kavitationskollaps verursacht lokal hohe Temperaturen (~5000 K), hohe Drücke (~1000 atm), enorme Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten (>109 K/sec)“ und Flüssigkeitsstrahlen (~400 km/h). (Suslick 1998)

Kavitationsblasen sind Vakuumblasen. Das Vakuum entsteht durch eine sich schnell bewegende Oberfläche und eine reaktionsträge Flüssigkeit. Die daraus resultierenden Druckunterschiede überwinden die Kohäsions- und Adhäsionskräfte innerhalb der Flüssigkeit.

Kavitation kann auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden, so beispielsweise mit Venturi-Düsen, mit Hochdruckdüsen, durch Hochgeschwindigkeitsrotation oder mittels Ultraschallwandler.

Bei all diesen Systemen wird der Energieeintrag in Reibung, Turbulenzen, Wellen und Kavitation umgewandelt. Der Energieanteil, der in Kavitation umgewandelt wird, hängt von mehreren Faktoren ab, die die Bewegung angeben, die von den kavitationserzeugenden Geräten auf die Flüssigkeit übertragen werden.

Die Intensität der Beschleunigung ist einer der wichtigsten Faktoren, der die effiziente Umwandlung von Energie in Kavitation beeinflusst. Höhere Beschleunigung erzeugt höhere Druckunterschiede. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass Vakuumblasen anstatt der Wellen in der Flüssigkeit erzeugt werden. Dies bedeutet: Je höher die Beschleunigung, desto höher ist der Energieanteil, der in Kavitation umgewandelt wird.

Bei einem (Ultra-)Schallwandler wird die Intensität der Beschleunigung durch die Schwingungsamplitude festgelegt. Höhere Amplituden resultieren dementsprechend in einer effektiveren Kavitationserzeugung. Die Industrie-Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics können Amplituden von bis zu 115 µm erzeugen. Diese hohen Amplituden ermöglichen ein Hochleistungsübertragungsverhältnis, welches es wiederum ermöglicht, Hochleistungsdichten von bis zu 100 W/cm³ zu generieren.

Neben der Intensität des Ultraschalls ist es auch wichtig, dass die Flüssigkeit so beschleunigt wird, dass möglichst geringe Verluste aus den Turbulenzen, der Reibung und der Wellengeneration entstehen. Dazu ist der Weg der unilateralen Bewegungsrichtung am besten geeignet.

Ultraschall wird aufgrund seiner Effekte in folgenden Prozessen eingesetzt:

  • Vorbereiten aktivierter Metalle durch die Reduktion metallischer Salze
  • Herstellung aktivierter Metalle durch Beschallung
  • Fällung von Metall(Fe, Cr, Mn, Co) -oxiden, z. B. für die Verwendung als Katalysatoren
  • Imprägnieren von Metallen oder Metall-Haloiden
  • Vorbereitung aktivierter Metalllösungen
  • Reaktionen, die Metalle mittels lokal erzeugter Organoelemente einbinden
  • Reaktionen, die nicht-metallische Feststoffe einbinden
  • Kristallisierung und Fällung von Metallen, Legierungen, Zeolithen und anderen Feststoffen
  • Modifikation der Oberflächenmorphologie und der Partikelgröße durch interpartikuläre Kollision bei hoher Geschwindigkeit
    • Formation amorpher Materialien mit Nanostruktur, einschließlich Metalle mit hoher Oberflächenänderung, Legierungen, Carbide, Oxide und Kolloide
    • Agglomeration von Kristallen
    • Glätten und Abtragen passivierender Oxidbeschichtungen
    • Mikromanipulation (Fraktionierung) von kleinen Partikeln
  • Dispersion von Feststoffen
  • Herstellung von Kolloiden (Ag, Au, Q-sized CdS)
  • Einschieben von Gastmolekülen in anorganisch geschichtete Wirtsfeststoffe
  • Sonochemie bei Polymeren
    • Degradation und Modifikation von Polymeren
    • Synthese von Polymeren
  • Sonolyse organischer Kontaminanten in Wasser

Die meisten dieser Prozesse können so aufgerüstet bzw. nachgerüstet werden, dass sie als Inline-Verfahren ablaufen können. Gerne unterstützen wir Sie bei der Auswahl des richtigen Systems für Ihren spezifischen Prozess. Für die Entwicklung und das Testen der Prozessabläufe empfehlen wir Ihnen unsere Laborgeräte oder das UIP1000hdT Set.

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Ultraschallkavitation verändert ringöffnende Reaktionen

Ultraschall ist ein alternativer Mechanismus zu Temperatur, Druck, Licht oder Elektrizität, um chemische Reaktionen auszulöschen. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth und sein Team an der Fakultät für Chemie der Universität von Illinois in Urbana-Champaign benutze Ultraschall, um ringöffnende Reaktionen auszulösen und zu manipulieren. Unter Beschallung wurde in den chemischen Reaktionen Produkte entwickelt, die von den Orbital-Symmetrieregeln zu erwarten sind, unterschieden (Nature 2007, 446, 423). Die Gruppe vernetztes mechanisch empfindliches 1,2-disubstituiertes Benzocyclobuten-Isomer an zwei Polyethylenglycol-Ketten, setzt den Ultraschall aus und analysiert die Bulk-Lösung mittels C13-kernmagnetische Resonanzspektroskopie. The Spectrum procedure, the current of the Trans-Isomere, the simple ringöffnende Produkt, the vom Trans-Isomer controls. Während die Reaktoren durch die thermische Energie in die geregelte Brown'sche Molekularbewegung versetzt werden, wird durch die mechanische Energie des Ultraschalls die Bewegungsrichtung der Atmosphäre vorgesorgt. Daher erhöhen die Kavitationseffekte die Energie direkt und so effizient, dass die Molekularkupplungen und die potentielle Energieoberfläche regeneriert werden.

Literaturverweis


Suslick, KS (1998): Kirk-Othmer Enzyklopädie der chemischen Technologie; 4. Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.