Ηχοχημικές αντιδράσεις και σύνθεση
Η ηχοχημεία είναι η εφαρμογή υπερήχων σε χημικές αντιδράσεις και διεργασίες. Ο μηχανισμός που προκαλεί ηχοχημικές επιδράσεις στα υγρά είναι το φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης.
Οι εργαστηριακές και βιομηχανικές συσκευές υπερήχων της Hielscher χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα ηχοχημικών διεργασιών. Η σπηλαίωση μέσω υπερήχων εντατικοποιεί και επιταχύνει χημικές αντιδράσεις όπως η σύνθεση και η κατάλυση.
Ηχοχημικές αντιδράσεις
Οι ακόλουθες ηχοχημικές επιδράσεις μπορούν να παρατηρηθούν σε χημικές αντιδράσεις και διεργασίες:
- αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης
- αύξηση της παραγωγής προϊόντων της αντίδρασης
- αποδοτικότερη χρήση της ενέργειας
- ηχοχημικές μέθοδοι για την αλλαγή της οδού της αντίδρασης
- βελτίωση της απόδοσης των καταλυτών μεταφοράς φάσης
- αποφυγή της χρήσης καταλυτών μεταφοράς φάσης
- χρήση ακατέργαστων αντιδραστηρίων ή αντιδραστηρίων τεχνικής καθαρότητας
- ενεργοποίηση μετάλλων και στερεών
- αύξηση της δραστικότητας των αντιδραστηρίων ή των καταλυτών (κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με την υποβοηθούμενη από υπερήχους κατάλυση)
- βελτίωση της σύνθεσης σωματιδίων
- επικάλυψη νανοσωματιδίων
7 ομογενοποιητές υπερήχων του μοντέλου UIP1000hdT (7x 1kW ισχύος υπερήχων) εγκατεστημένοι ως συστοιχία για ηχοχημικές αντιδράσεις σε βιομηχανική κλίμακα.
Πλεονεκτήματα των χημικών αντιδράσεων που εντατικοποιούνται με υπερήχους
Οι χημικές αντιδράσεις που ενισχύονται με υπερήχους αποτελούν καθιερωμένη τεχνική εντατικοποίησης διεργασιών στον τομέα της χημικής σύνθεσης και επεξεργασίας. Αξιοποιώντας την ισχύ των υπερηχητικών κυμάτων, οι αντιδράσεις αυτές προσφέρουν πολυάριθμα πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών μεθόδων, βελτιώνοντας τη χημική κατάλυση και σύνθεση. Οι εξαιρετικά γρήγοροι ρυθμοί μετατροπής, οι εξαιρετικές αποδόσεις, η ενισχυμένη εκλεκτικότητα, η βελτιωμένη ενεργειακή απόδοση και οι μειωμένες περιβαλλοντικές επιπτώσεις είναι τα κύρια πλεονεκτήματα των ηχοχημικών αντιδράσεων.
Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει ορισμένα σημαντικά πλεονεκτήματα των αντιδράσεων που ενισχύονται με υπερήχους έναντι των συμβατικών χημικών αντιδράσεων:
| Αντίδραση | Χρόνος αντίδρασης Συμβατική μέθοδος |
Χρόνος αντίδρασης Υπέρηχοι |
Απόδοση Συμβατική μέθοδος (%) |
Απόδοση Υπέρηχοι (%) |
|---|---|---|---|---|
| Κυκλοποίηση Diels-Alder | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Οξείδωση του ινδανίου σε ινδαν-1-όνη | 3 h | 3 h | λιγότερο από 27% | 73% |
| Αναγωγή του μεθοξυαμινοσιλανίου | καμία αντίδραση | 3 h | 0% | 100% |
| Εποξείδωση ακόρεστων εστέρων λιπαρών οξέων μακράς αλυσίδας | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Οξείδωση αρυλαλκανίων | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Προσθήκη Michael νιτροαλκανίων σε μονοϋποκατεστημένους α,β-ακόρεστους εστέρες | 2 ημέρες | 2 h | 85% | 90% |
| Οξείδωση της 2-οκτανόλης με υπερμαγγανικό | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Σύνθεση χαλκονών με συμπύκνωση Claisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Σύζευξη Ullmann του 2-ιωδονιτροβενζολίου | 2 h | 2h | λιγότερο από 1,5% | 70,4% |
| Αντίδραση Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Σπηλαίωση μέσω υπερήχων σε υγρά
Η σπηλαίωση είναι ο σχηματισμός, η ανάπτυξη και η κατάρρευση φυσαλίδων προς το εσωτερικό τους σε ένα υγρό. Η κατάρρευση λόγω σπηλαίωσης προκαλεί έντονη τοπική θέρμανση (~5000 K), υψηλές πιέσεις (~1000 atm), τεράστιους ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης (>10⁹ K/sec) και πίδακες υγρού (~400 km/h). (Suslick 1998)
Σπηλαίωση με τη χρήση του UIP1000hd:
Οι φυσαλίδες σπηλαίωσης είναι φυσαλίδες κενού. Το κενό δημιουργείται από μια ταχέως κινούμενη επιφάνεια στη μία πλευρά και ένα αδρανές υγρό στην άλλη. Οι διαφορές πίεσης που προκύπτουν επιτρέπουν την υπερνίκηση των δυνάμεων συνοχής και προσκόλλησης εντός του υγρού.
Η σπηλαίωση μπορεί να παραχθεί με διάφορους τρόπους, όπως με ακροφύσια Venturi, ακροφύσια υψηλής πίεσης, περιστροφή υψηλής ταχύτητας ή μετατροπείς υπερήχων. Σε όλα αυτά τα συστήματα, η εισερχόμενη ενέργεια μετατρέπεται σε τριβή, στροβιλισμούς, κύματα και σπηλαίωση. Το κλάσμα της εισερχόμενης ενέργειας που μετατρέπεται σε σπηλαίωση εξαρτάται από διάφορους παράγοντες που περιγράφουν την κίνηση του εξοπλισμού παραγωγής σπηλαίωσης μέσα στο υγρό.
Το μέγεθος της επιτάχυνσης είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που επηρεάζουν την αποδοτική μετατροπή της ενέργειας σε σπηλαίωση. Η μεγαλύτερη επιτάχυνση δημιουργεί μεγαλύτερες διαφορές πίεσης. Αυτό, με τη σειρά του, αυξάνει την πιθανότητα δημιουργίας φυσαλίδων κενού αντί για κύματα που διαδίδονται μέσα στο υγρό. Επομένως, όσο μεγαλύτερη είναι η επιτάχυνση, τόσο μεγαλύτερο είναι το κλάσμα της ενέργειας που μετατρέπεται σε σπηλαίωση. Στην περίπτωση ενός μετατροπέα υπερήχων, το μέγεθος της επιτάχυνσης περιγράφεται από το πλάτος της ταλάντωσης.
Τα μεγαλύτερα πλάτη οδηγούν σε αποτελεσματικότερη δημιουργία σπηλαίωσης. Οι βιομηχανικές συσκευές της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παράγουν πλάτη έως και 115 µm. Αυτά τα μεγάλα πλάτη επιτρέπουν υψηλό λόγο μετάδοσης ισχύος, ο οποίος, με τη σειρά του, επιτρέπει τη δημιουργία υψηλών πυκνοτήτων ισχύος έως και 100 W/cm³.
Εκτός από το μέγεθος της επιτάχυνσης, το υγρό θα πρέπει να επιταχύνεται με τρόπο που να ελαχιστοποιεί τις απώλειες λόγω στροβιλισμών, τριβής και δημιουργίας κυμάτων. Για τον σκοπό αυτό, ο βέλτιστος τρόπος είναι η κίνηση προς μία μόνο κατεύθυνση.
Αντιδραστήρας υπερήχων ισχύος 16.000 watts για ηχοχημικά ενισχυμένη μετεστεροποίηση εντός γραμμής.
- παρασκευή ενεργοποιημένων μετάλλων με αναγωγή μεταλλικών αλάτων
- παραγωγή ενεργοποιημένων μετάλλων με κατεργασία με υπερήχους
- ηχοχημική σύνθεση σωματιδίων με καταβύθιση οξειδίων μετάλλων (Fe, Cr, Mn, Co), π.χ. για χρήση ως καταλύτες
- εμποτισμός φορέων με μέταλλα ή αλογονίδια μετάλλων
- παρασκευή ενεργοποιημένων διαλυμάτων μετάλλων
- αντιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν μέταλλα μέσω οργανοστοιχειακών χημικών ειδών που παράγονται in situ
- αντιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν μη μεταλλικά στερεά
- κρυστάλλωση και καταβύθιση μετάλλων, κραμάτων, zeolithes και άλλων στερεών
- τροποποίηση της μορφολογίας της επιφάνειας και του μεγέθους των σωματιδίων μέσω συγκρούσεων υψηλής ταχύτητας μεταξύ σωματιδίων
- σχηματισμός άμορφων νανοδομημένων υλικών, συμπεριλαμβανομένων μετάλλων μετάπτωσης με μεγάλη ειδική επιφάνεια, κραμάτων, καρβιδίων, οξειδίων και κολλοειδών
- συσσωμάτωση κρυστάλλων
- εξομάλυνση και αφαίρεση της παθητικοποιητικής επίστρωσης οξειδίου
- μικροχειρισμός (κλασμάτωση) μικρών σωματιδίων
- διασπορά στερεών
- παρασκευή κολλοειδών (Ag, Au, CdS μεγέθους Q)
- παρεμβολή φιλοξενούμενων μορίων σε ανόργανα στρωματικά στερεά που λειτουργούν ως ξενιστές
- ηχοχημεία πολυμερών
- αποικοδόμηση και τροποποίηση πολυμερών
- σύνθεση πολυμερών
- ηχόλυση οργανικών ρύπων στο νερό
Ηχοχημικός εξοπλισμός
Οι περισσότερες από τις αναφερόμενες ηχοχημικές διεργασίες μπορούν να προσαρμοστούν εκ των υστέρων ώστε να λειτουργούν εντός γραμμής. Θα χαρούμε να σας βοηθήσουμε να επιλέξετε τον ηχοχημικό εξοπλισμό που ανταποκρίνεται στις ανάγκες επεξεργασίας σας. Για την έρευνα και τη δοκιμή διεργασιών συνιστούμε τις εργαστηριακές συσκευές μας ή το σετ UIP1000hdT.
Εφόσον απαιτείται, διατίθενται συσκευές υπερήχων και αντιδραστήρες με πιστοποίηση FM και ATEX (π.χ. UIP1000-Exd) για την κατεργασία με υπερήχους εύφλεκτων χημικών ουσιών και σκευασμάτων προϊόντων σε επικίνδυνα περιβάλλοντα.
Η σπηλαίωση υπερήχων μεταβάλλει τις αντιδράσεις διάνοιξης δακτυλίου
Η κατεργασία με υπερήχους αποτελεί έναν εναλλακτικό μηχανισμό για την έναρξη χημικών αντιδράσεων, αντί της θερμότητας, της πίεσης, του φωτός ή του ηλεκτρισμού. Ο Jeffrey S. Moore, ο Charles R. Hickenboth και η ομάδα τους στη Σχολή Χημείας του Πανεπιστημίου του Ιλινόι στο Urbana-Champaign χρησιμοποίησαν ισχύ υπερήχων για να πυροδοτήσουν και να ελέγξουν αντιδράσεις διάνοιξης δακτυλίου. Κατά την κατεργασία με υπερήχους, οι χημικές αντιδράσεις παρήγαγαν προϊόντα διαφορετικά από εκείνα που προβλέπονται από τους κανόνες συμμετρίας των τροχιακών (Nature 2007, 446, 423). Η ομάδα συνέδεσε μηχανικά ευαίσθητα ισομερή του 1,2-διυποκατεστημένου βενζοκυκλοβουτενίου με δύο αλυσίδες πολυαιθυλενογλυκόλης, εφάρμοσε ενέργεια υπερήχων και ανέλυσε τα διαλύματα στο σύνολό τους χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού C13 . Τα φάσματα έδειξαν ότι τόσο τα cis όσο και τα trans ισομερή δίνουν το ίδιο προϊόν διάνοιξης δακτυλίου, εκείνο που αναμένεται από το trans ισομερές. Ενώ η θερμική ενέργεια προκαλεί τυχαία κίνηση Brown των αντιδρώντων, η μηχανική ενέργεια της κατεργασίας με υπερήχους προσδίδει κατεύθυνση στις ατομικές κινήσεις. Επομένως, τα φαινόμενα σπηλαίωσης κατευθύνουν αποτελεσματικά την ενέργεια ασκώντας μηχανική παραμόρφωση στο μόριο και αναδιαμορφώνοντας την επιφάνεια δυναμικής ενέργειας.
Οι συσκευές υπερήχων τύπου καθετήρα, όπως η UP400St, εντατικοποιούν τη σύνθεση νανοσωματιδίων. Η ηχοχημική οδός είναι απλή, αποτελεσματική, ταχεία και λειτουργεί με μη τοξικές χημικές ουσίες υπό ήπιες συνθήκες.
Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την ηχοχημεία
Η Hielscher Ultrasonics προμηθεύει επεξεργαστές υπερήχων για το εργαστήριο και τη βιομηχανία. Όλες οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι πολύ ισχυρά και ανθεκτικά μηχανήματα υπερήχων, κατασκευασμένα για συνεχή λειτουργία 24/7 υπό πλήρες φορτίο. Ο ψηφιακός έλεγχος, οι προγραμματιζόμενες ρυθμίσεις, η παρακολούθηση της θερμοκρασίας, η αυτόματη καταγραφή δεδομένων και ο απομακρυσμένος έλεγχος μέσω προγράμματος περιήγησης είναι μερικά μόνο από τα χαρακτηριστικά των συσκευών υπερήχων της Hielscher. Ο εξοπλισμός της Hielscher Ultrasonics έχει σχεδιαστεί για υψηλές επιδόσεις και άνετη λειτουργία, και οι χρήστες εκτιμούν τον ασφαλή και εύκολο χειρισμό του. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher παρέχουν πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm και είναι ιδανικοί για απαιτητικές εφαρμογές. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ηχοτρόδια υπερήχων ειδικής κατασκευής.
Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για εφαρμογές ανάμειξης, διασποράς, γαλακτωματοποίησης και εκχύλισης σε εργαστηριακή, πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Βιβλιογραφία / Παραπομπές
- 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.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλών επιδόσεων από εργαστηριακό έως βιομηχανικό μέγεθος.