Sonochemie und sonochemische Reaktoren

Die Sonochemie ist das Teilgebiet der Chemie, in dem hochintensiver Ultraschall eingesetzt wird, um chemische Reaktionen auszulösen, zu beschleunigen und zu verändern (Synthese, Katalyse, Abbau, Polymerisation, Hydrolyse usw.). Ultraschallinduzierte Kavitation zeichnet sich durch einzigartige Bedingungen mit hoher Energiedichte aus, die chemische Reaktionen fördern und intensivieren. Höhere Reaktionsgeschwindigkeiten, höhere Ausbeuten und der Einsatz umweltfreundlicher, milderer Reagenzien machen die Sonochemie zu einem sehr vorteilhaften Werkzeug zur Verbesserung chemischer Reaktionen.

Sonochemie

Die Sonochemie ist das Forschungs- und Verfahrensgebiet, in dem Moleküle durch die Anwendung hochintensiver Beschallung (z. B. bei 20 kHz) eine chemische Reaktion eingehen. Das für sonochemische Reaktionen verantwortliche Phänomen ist die akustische Kavitation. Akustische Kavitation oder Ultraschallkavitation tritt auf, wenn leistungsstarke Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit oder Suspension eingekoppelt werden. Durch die abwechselnden Hochdruck- und Niederdruckzyklen, die Leistungsultraschallwellen in der Flüssigkeit verursachen, entstehen Vakuumblasen (Kavitationshohlräume), die über mehrere Druckzyklen hinweg wachsen. Wenn eine solche Kavitationsblase eine bestimmte Größe erreicht, bei der sie keine weitere Energie aufnehmen kann, implodiert sie heftig und erzeugt einen Hotspot mit sehr hoher Energiedichte. Dieser lokal auftretende Hotspot zeichnet sich durch sehr hohe Temperaturen, hohe Drücke und Mikroströmungen in Form extrem schneller Flüssigkeitsstrahlen aus.

Akustische Kavitation und Wirkungen hochintensiver Beschallung

Akustische Kavitation, häufig auch Ultraschallkavitation genannt, lässt sich in zwei Formen unterteilen: stabile und transiente Kavitation. Bei stabiler Kavitation oszilliert die Kavitationsblase vielfach um ihren Gleichgewichtsradius, während bei transienter Kavitation eine kurzlebige Blase innerhalb weniger akustischer Zyklen drastische Volumenänderungen durchläuft und schließlich heftig kollabiert (Suslick 1988). Stabile und transiente Kavitation können gleichzeitig in der Lösung auftreten, und eine Blase mit stabiler Kavitation kann in eine transiente Kavitationsblase übergehen. Die für transiente Kavitation und hochintensive Beschallung charakteristische Blasenimplosion erzeugt verschiedene physikalische Bedingungen, darunter sehr hohe Temperaturen von 5000–25.000 K, Drücke von bis zu mehreren 1000 bar sowie Flüssigkeitsströmungen mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000m/s. Da der Kollaps beziehungsweise die Implosion von Kavitationsblasen in weniger als einer Nanosekunde erfolgt, lassen sich sehr hohe Aufheiz- und Abkühlraten von über 10¹¹ K/s beobachten. Solch hohe Aufheizraten und Druckdifferenzen können Reaktionen auslösen und beschleunigen. Die dabei auftretenden Hochgeschwindigkeits-Mikrostrahlen bieten besonders große Vorteile bei heterogenen Feststoff-Flüssigkeits-Suspensionen. Die Flüssigkeitsstrahlen treffen mit der vollen Temperatur und dem vollen Druck der kollabierenden Blase auf die Oberfläche und verursachen Erosion durch Kollisionen zwischen Partikeln sowie lokales Aufschmelzen. Dadurch wird ein deutlich verbesserter Stofftransport in der Lösung beobachtet.

Ultraschallkavitation lässt sich am wirksamsten in Flüssigkeiten und Lösungsmitteln mit niedrigem Dampfdruck erzeugen. Daher sind Medien mit niedrigem Dampfdruck für sonochemische Anwendungen vorteilhaft.
Die durch Ultraschallkavitation erzeugten intensiven Kräfte können Reaktionen auf effizientere Reaktionswege umlenken, sodass vollständigere Umsetzungen und/oder die Bildung unerwünschter Nebenprodukte vermieden werden.
Der durch den Kollaps von Kavitationsblasen entstehende Bereich hoher Energiedichte wird als Hotspot bezeichnet. Niederfrequenter Hochleistungsultraschall im Bereich von 20kHz mit der Fähigkeit, hohe Amplituden zu erzeugen, hat sich zur Erzeugung intensiver Hotspots und günstiger sonochemischer Bedingungen bewährt.

Ultraschall-Laborgeräte sowie industrielle Ultraschallreaktoren für kommerzielle sonochemische Prozesse sind ohne Weiteres verfügbar und haben sich im Labor-, Pilot- und großindustriellen Maßstab als zuverlässig, effizient und umweltfreundlich erwiesen. Sonochemische Reaktionen können als Batchprozess (d. h. im offenen Gefäß) oder als Inlineprozess mit einem geschlossenen Durchflusszellenreaktor durchgeführt werden.

Sonosynthese

Sonosynthese oder sonochemische Synthese bezeichnet die Anwendung ultraschallinduzierter Kavitation, um chemische Reaktionen einzuleiten und zu fördern. Die Beschallung mit Hochleistungsultraschall (z. B. bei 20 kHz) wirkt stark auf Moleküle und chemische Bindungen ein. Beispielsweise können die sonochemischen Effekte intensiver Beschallung zur Spaltung von Molekülen, zur Bildung freier Radikale und/oder zur Änderung chemischer Reaktionswege führen. Die sonochemische Synthese wird daher intensiv zur Herstellung oder Modifizierung einer Vielzahl nanostrukturierter Materialien eingesetzt. Beispiele für durch Sonosynthese hergestellte Nanomaterialien sind Nanopartikel (NPs) (z. B. Gold-NPs, Silber-NPs), Pigmente, Kern-Schale-Nanopartikel, Nano-Hydroxylapatit, metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs), pharmazeutische Wirkstoffe (APIs), mit Mikrosphären dekorierte Nanopartikel, Nanokomposite und viele weitere Materialien.
Beispiele: Ultraschallgestützte Umesterung von Fettsäuremethylestern (Biodiesel) oder die Umesterung von Polyolen mit Ultraschall.

TEM-Aufnahme (A) und zugehörige Partikelgrößenverteilung (B) von Silbernanopartikeln (Ag-NPs), die unter optimalen Bedingungen sonochemisch synthetisiert wurden.

Weit verbreitet ist auch die ultraschallgeförderte Kristallisation (Sonokristallisation), bei der Leistungsultraschall eingesetzt wird, um übersättigte Lösungen herzustellen, die Kristallisation beziehungsweise Fällung einzuleiten und die Kristallgröße und -morphologie über die Ultraschallprozessparameter zu steuern. Klicken Sie hier, um mehr über Sonokristallisation zu erfahren!

Sonokatalyse

Die Beschallung einer chemischen Suspension oder Lösung kann katalytische Reaktionen erheblich verbessern. Die sonochemische Energie verkürzt die Reaktionszeit und verbessert den Wärme- und Stofftransport, was wiederum zu höheren Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten, Ausbeuten und Selektivitäten führt.
Zahlreiche katalytische Prozesse profitieren erheblich vom Einsatz von Leistungsultraschall und seinen sonochemischen Effekten. Jede heterogene Phasentransferkatalyse (PTC), an der zwei oder mehr nicht mischbare Flüssigkeiten oder eine Flüssig-Feststoff-Zusammensetzung beteiligt sind, profitiert von der Beschallung, der sonochemischen Energie und dem verbesserten Stofftransport.
So zeigte beispielsweise die vergleichende Analyse der katalytischen Nassoxidation von Phenol in Wasser mit Peroxid ohne und mit Ultraschallunterstützung, dass die Beschallung die Energiebarriere der Reaktion senkte, jedoch keinen Einfluss auf den Reaktionsweg hatte. Die Aktivierungsenergie für die Oxidation von Phenol am RuI₃-Katalysator betrug unter Beschallung 13 kJ mol^-1, also viermal weniger als beim Oxidationsprozess ohne Beschallung (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Die sonochemische Katalyse wird erfolgreich zur Herstellung chemischer Produkte sowie zur Herstellung von mikro- und nanostrukturierten anorganischen Materialien wie Metallen, Legierungen, Metallverbindungen, nichtmetallischen Werkstoffen und anorganischen Verbundwerkstoffen eingesetzt. Gängige Beispiele für ultraschallunterstützte PTC sind die Umesterung freier Fettsäuren zu Methylestern (Biodiesel), die Hydrolyse, die Verseifung pflanzlicher Öle, die Sono-Fenton-Reaktion (Fenton-ähnliche Prozesse), der sonokatalytische Abbau usw.
Lesen Sie mehr über Sonokatalyse und spezifische Anwendungen!
Beschallung verbessert die Klickchemie, beispielsweise Azid-Alkin-Cycloadditionsreaktionen!

Weitere sonochemische Anwendungen

Aufgrund ihrer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten, ihrer Zuverlässigkeit und ihrer einfachen Bedienung werden sonochemische Systeme wie UP400St oder UIP2000hdT als effiziente Geräte für chemische Reaktionen geschätzt. Sonochemische Geräte von Hielscher Ultrasonics lassen sich problemlos zur chargenweisen Beschallung (im offenen Becherglas) und zur kontinuierlichen Inlinebeschallung mit einer sonochemischen Durchflusszelle einsetzen. Sonochemische Verfahren wie Sonosynthese, Sonokatalyse, Abbau oder Polymerisation werden in der Chemie, Nanotechnologie, Materialwissenschaft, Pharmazie, Mikrobiologie sowie in weiteren Branchen häufig eingesetzt.

Leistungsstarke sonochemische Geräte

Hielscher Ultrasonics ist Ihr führender Anbieter innovativer Ultraschallgeräte auf dem neuesten Stand der Technik, sonochemischer Durchflusszellen, Reaktoren und Zubehör für effiziente und zuverlässige sonochemische Reaktionen. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher werden ausschließlich am Hauptsitz von Hielscher Ultrasonics in Teltow (bei Berlin), Deutschland, entwickelt, hergestellt und geprüft. Neben höchsten technischen Standards, herausragender Robustheit und einem 24/7/365-Betrieb für einen hocheffizienten Einsatz bieten die Ultraschallgeräte von Hielscher eine einfache und zuverlässige Bedienung. Hohe Effizienz, intelligente Software, intuitive Menüführung, automatische Datenprotokollierung und Browser-Fernsteuerung sind nur einige Merkmale, die Hielscher Ultrasonics von anderen Herstellern sonochemischer Geräte unterscheiden.

Präzise einstellbare Amplituden

Die Amplitude ist die Auslenkung an der Stirnfläche (Spitze) der Sonotrode (auch als Ultraschallsonde oder Ultraschallhorn bezeichnet) und der wichtigste Einflussfaktor für die Ultraschallkavitation. Höhere Amplituden bedeuten intensivere Kavitation. Die erforderliche Kavitationsintensität hängt stark vom Reaktionstyp, den eingesetzten chemischen Reagenzien und den angestrebten Ergebnissen der jeweiligen sonochemischen Reaktion ab. Daher sollte die Amplitude präzise einstellbar sein, um die Intensität der akustischen Kavitation auf das ideale Niveau abzustimmen. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher lassen sich über eine intelligente digitale Steuerung zuverlässig und präzise auf die ideale Amplitude einstellen. Zusätzlich können Booster eingesetzt werden, um die Amplitude mechanisch zu verringern oder zu erhöhen. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb nutzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.

Präzise Temperaturregelung während sonochemischer Reaktionen

Im Kavitationshotspot lassen sich extrem hohe Temperaturen von vielen Tausend Grad Celsius beobachten. Diese extremen Temperaturen sind jedoch lokal auf den winzigen Innenraum und die unmittelbare Umgebung der implodierenden Kavitationsblase begrenzt. In der gesamten Lösung ist der Temperaturanstieg durch die Implosion einer einzelnen oder weniger Kavitationsblasen vernachlässigbar. Eine kontinuierliche, intensive Beschallung über längere Zeiträume kann jedoch einen allmählichen Anstieg der Temperatur der gesamten Flüssigkeit verursachen. Dieser Temperaturanstieg trägt zu vielen chemischen Reaktionen bei und wird häufig als vorteilhaft angesehen. Verschiedene chemische Reaktionen haben jedoch unterschiedliche optimale Reaktionstemperaturen. Bei der Behandlung wärmeempfindlicher Materialien kann eine Temperaturregelung erforderlich sein. Um ideale thermische Bedingungen während sonochemischer Prozesse zu ermöglichen, bietet Hielscher Ultrasonics verschiedene ausgereifte Lösungen zur präzisen Temperaturregelung während sonochemischer Prozesse an, beispielsweise sonochemische Reaktoren und Durchflusszellen mit Kühlmänteln.
Unsere sonochemischen Durchflusszellen und Reaktoren sind mit Kühlmänteln erhältlich, die eine wirksame Wärmeabfuhr unterstützen. Zur kontinuierlichen Temperaturüberwachung sind die Ultraschallgeräte von Hielscher mit einem steckbaren Temperatursensor ausgestattet, der zur fortlaufenden Messung der Temperatur der gesamten Flüssigkeit in diese eingetaucht werden kann. Eine ausgereifte Software ermöglicht die Einstellung eines Temperaturbereichs. Wird der Temperaturgrenzwert überschritten, pausiert das Ultraschallgerät automatisch, bis die Temperatur der Flüssigkeit auf einen festgelegten Sollwert gesunken ist, und setzt die Beschallung anschließend automatisch fort. Alle Temperaturmesswerte sowie weitere wichtige Ultraschallprozessdaten werden automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet und können zur Prozesskontrolle einfach eingesehen werden.
Die Temperatur ist ein entscheidender Parameter sonochemischer Prozesse. Die ausgereifte Technologie von Hielscher hilft Ihnen, die Temperatur Ihrer sonochemischen Anwendung im idealen Bereich zu halten.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: