Sonochemistry και Sonochemical αντιδραστήρες

Η sonochemistry είναι ο τομέας της χημείας όπου χρησιμοποιείται υπερηχογράφημα υψηλής έντασης για την πρόκληση, επιτάχυνση και τροποποίηση χημικών αντιδράσεων (σύνθεση, κατάλυση, αποικοδόμηση, πολυμερισμός, υδρόλυση κ.λπ.). Υπερήχων παράγονται σπηλαίωση χαρακτηρίζεται από μοναδικές ενεργειακά πυκνές συνθήκες, οι οποίες προωθούν και εντείνουν χημικές αντιδράσεις. Τα ταχύτερα ποσοστά αντίδρασης, οι υψηλότερες αποδόσεις και η χρήση πράσινων, ηπιότερων αντιδραστηρίου μετατρέπουν τη sonochemistry σε ένα πολύ επωφελές εργαλείο για την επίτευξη βελτιωμένων χημικών αντιδράσεων.

sonochemistry

Sonochemistry είναι το πεδίο έρευνας και επεξεργασίας στο οποίο τα μόρια υποβάλλονται σε χημική αντίδραση λόγω της εφαρμογής υπερήχων υψηλής έντασης (π.χ. 20 kHz). Το φαινόμενο που είναι υπεύθυνο για τις sonochemical αντιδράσεις είναι η ακουστική σπηλαίωση. Ακουστική ή υπερηχητική σπηλαίωση συμβαίνει όταν ισχυρά κύματα υπερήχων συνδέονται σε υγρό ή πολτούς. Λόγω των εναλλασσόμενων κύκλων υψηλής πίεσης / χαμηλής πίεσης που προκαλούνται από τα κύματα υπερήχων ισχύος στο υγρό, δημιουργούνται φυσαλίδες κενού (σπηλαιωτικά κενά), οι οποίες αναπτύσσονται σε διάφορους κύκλους πίεσης. Όταν η σπηλαίωση κενού φυσαλίδα φτάνει σε ένα ορισμένο μέγεθος όπου δεν μπορεί να απορροφήσει περισσότερη ενέργεια, η φυσαλίδα κενού εκρήγνυται βίαια και δημιουργεί ένα εξαιρετικά ενεργειακά πυκνό καυτό σημείο. Αυτό το τοπικό θερμό σημείο χαρακτηρίζεται από πολύ υψηλές θερμοκρασίες, πιέσεις και μικρο-ροή εξαιρετικά γρήγορου υγρού αεριωθούμενων αεροπλάνων.

Ακουστική σπηλαίωση και επιδράσεις υπερήχων υψηλής έντασης

Ακουστική σπηλαίωση, συχνά ονομάζεται επίσης υπερήχων σπηλαίωση, μπορεί να διακριθεί σε δύο μορφές, σταθερή και παροδική σπηλαίωση. Κατά τη διάρκεια της σταθερής σπηλαίωσης, η φυσαλίδα σπηλαίωσης ταλαντεύεται πολλές φορές γύρω από την ακτίνα ισορροπίας της, ενώ κατά τη διάρκεια της παροδικής σπηλαίωσης, στην οποία μια βραχύβια φυσαλίδα υφίσταται δραματικές αλλαγές όγκου σε μερικούς ακουστικούς κύκλους και τερματίζεται σε μια βίαιη κατάρρευση (Suslick 1988). Σταθερή και παροδική σπηλαίωση μπορεί να συμβεί ταυτόχρονα στο διάλυμα και μια φυσαλίδα που υποβάλλεται σε σταθερή σπηλαίωση μπορεί να γίνει μια παροδική κοιλότητα. Η κατάρρευση φυσαλίδων, η οποία είναι χαρακτηριστική για την παροδική σπηλαίωση και την κατεργασία με υπερήχους υψηλής έντασης, δημιουργεί διάφορες φυσικές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένων πολύ υψηλών θερμοκρασιών 5000-25.000 K, πιέσεων έως και αρκετών 1000 bar και υγρών ρευμάτων με ταχύτητες έως 1000m/s. Δεδομένου ότι η κατάρρευση/κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης συμβαίνει σε λιγότερο από ένα νανοδευτερόλεπτο, πολύ υψηλά ποσοστά θέρμανσης και ψύξης άνω των 10¹¹ K/s μπορεί να παρατηρηθεί. Τέτοιοι υψηλοί ρυθμοί θέρμανσης και διαφορικά πίεσης μπορούν να ξεκινήσουν και να επιταχύνουν τις αντιδράσεις. Όσον αφορά τα ρεύματα υγρών που συμβαίνουν, αυτά τα μικρο-τζετ υψηλής ταχύτητας παρουσιάζουν ιδιαίτερα υψηλά οφέλη όταν πρόκειται για ετερογενείς στερεούς-υγρούς πολτούς. Οι υγροί πίδακες προσκρούουν στην επιφάνεια με την πλήρη θερμοκρασία και πίεση της καταρρέουσας φυσαλίδας και προκαλούν διάβρωση μέσω σύγκρουσης μεταξύ των τμημάτων καθώς και τοπική τήξη. Κατά συνέπεια, παρατηρείται σημαντικά βελτιωμένη μεταφορά μάζας στο διάλυμα.

Υπερήχων σπηλαίωση παράγεται πιο αποτελεσματικά σε υγρά και διαλύτες wit χαμηλές πιέσεις ατμών. Ως εκ τούτου, τα μέσα με χαμηλές πιέσεις ατμών είναι ευνοϊκά για sonochemical εφαρμογές.
Ως αποτέλεσμα της υπερηχητικής σπηλαίωσης, οι έντονες δυνάμεις που δημιουργούνται μπορούν να αλλάξουν τις οδούς των αντιδράσεων σε πιο αποτελεσματικές διαδρομές, έτσι ώστε να αποφεύγονται πιο ολοκληρωμένες μετατροπές ή / και η παραγωγή ανεπιθύμητων υποπροϊόντων.
Ο ενεργειακά πυκνός χώρος που δημιουργείται από την κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης ονομάζεται hot-spot. Ο υπέρηχος χαμηλής συχνότητας, υψηλής ισχύος της τάξης των 20kHz και η δυνατότητα δημιουργίας υψηλών πλάτους είναι καλά εδραιωμένοι για τη δημιουργία έντονων θερμών σημείων και των ευνοϊκών sonochemical συνθηκών.

Υπερήχων εργαστηριακός εξοπλισμός, καθώς και βιομηχανικοί αντιδραστήρες υπερήχων για εμπορικές sonochemical διαδικασίες είναι άμεσα διαθέσιμα και αποδεδειγμένα ως αξιόπιστα, αποτελεσματικά και φιλικά προς το περιβάλλον σε εργαστηριακή, πιλοτική και πλήρως βιομηχανική κλίμακα. Οι sonochemical αντιδράσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν ως παρτίδα (δηλ. ανοικτό δοχείο) ή σε σειρά διεργασία με τη χρήση αντιδραστήρα κλειστών κυψελών ροής.

Sono-Σύνθεση

Sono-σύνθεση ή sonochemical σύνθεση είναι η εφαρμογή της υπερήχων παράγονται σπηλαίωση προκειμένου να ξεκινήσει και να προωθήσει χημικές αντιδράσεις. Υπερήχους υψηλής ισχύος (π.χ. στα 20 kHz) δείχνει ισχυρές επιδράσεις σε μόρια και χημικές συγκολλήσεις. Για παράδειγμα, οι sonochemical επιδράσεις που προκύπτουν από την έντονη κατεργασία με υπερήχους μπορεί να οδηγήσει σε διάσπαση μορίων, δημιουργία ελεύθερων ριζών ή/ και αλλαγή χημικών οδών. Ως εκ τούτου, η sonochemical σύνθεση χρησιμοποιείται έντονα για την κατασκευή ή την τροποποίηση ενός ευρέος φάσματος νανο-δομηματολογικών υλικών. Παραδείγματα νανοϋλικών που παράγονται μέσω sono-synthesis είναι τα νανοσωματίδια (NPs) (π.χ. NPs χρυσού, ασημένια NPs), οι χρωστικές ουσίες, τα νανοσωματίδια πυρήνα-κελύφους, νανο-υδροξυαπατίτης, μεταλλικά οργανικά πλαίσια (MOFs), ενεργά φαρμακευτικά συστατικά (API), νανοσωματίδια διακοσμημένα με μικροσφαιρίδια, νανο-σύνθετα υλικά μεταξύ πολλών άλλων υλικών.
Παραδείγματα: Υπερηχητική μετεστεροποίηση μεθυλεστέρων λιπαρών οξέων (βιοντίζελ) ή τη μετεστεροποίηση των πολυολών με υπερήχους.

Η εικόνα TEM (A) και η κατανομή του μεγέθους των σωματιδίων (B) των νανοσωματιδίων αργύρου (Ag-NPs), τα οποία έχουν συντεθεί sonochemically υπό βέλτιστες συνθήκες.

Επίσης ευρέως εφαρμοσμένος είναι η υπερηχητικά προωθημένη κρυστάλλωση (sono-crystallization), όπου ο υπερηχογράφημα δύναμης χρησιμοποιείται για να παραγάγει τις υπερκορεσμένες λύσεις, για να αρχίσει την κρυστάλλωση/την καθίζηση, και να ελέγξει το μέγεθος κρυστάλλου και τη μορφολογία μέσω των υπερηχητικών παραμέτρων διαδικασίας. Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τη sono-κρυσταλλοποίηση!

Sono-Κατάλυση

Η κατεργασία με υπερήχους ενός χημικού εναιωρήματος ή διαλύματος μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις καταλυτικές αντιδράσεις. Η sonochemical ενέργεια μειώνει το χρόνο αντίδρασης, βελτιώνει τη μεταφορά θερμότητας και μάζας, γεγονός που στη συνέχεια οδηγεί σε αυξημένες σταθερές χημικών ρυθμών, αποδόσεις και επιλεκτικότητες.
Υπάρχουν πολυάριθμες καταλυτικές διεργασίες, οι οποίες επωφελούνται δραστικά από την εφαρμογή υπερήχων ισχύος και τις sonochemical επιδράσεις του. Κάθε ανομοιογενής αντίδραση κατάλυσης μεταφοράς φάσης (PTC) που περιλαμβάνει δύο ή περισσότερα ανεπίτρεπτα υγρά ή μια υγρή-στερεά σύνθεση, επωφελείται από κατεργασία με υπερήχους, η sonochemical ενέργεια και η βελτιωμένη μεταφορά μάζας.
Για παράδειγμα, η συγκριτική ανάλυση της αθόρυβης και υπερηχητικά υποβοηθούμενης καταλυτικής οξείδωσης του υπεροξειδίου του φαινόλης στο νερό αποκάλυψε ότι η κατεργασία με υπερήχους μείωσε το ενεργειακό φράγμα της αντίδρασης, αλλά δεν είχε καμία επίδραση στην οδό αντίδρασης. Η ενέργεια ενεργοποίησης για την οξείδωση της φαινόλης έναντι του RuI₃ καταλύτης κατά τη διάρκεια κατεργασίας με υπερήχους βρέθηκε να είναι 13 kJ mol^-1, η οποία ήταν τέσσερις φορές μικρότερη σε σύγκριση με τη σιωπηλή διαδικασία οξείδωσης (57 kJ mol^-1). (Ροκίνα κ.ά., 2010)
Η sonochemical catalysis χρησιμοποιείται με επιτυχία για την κατασκευή χημικών προϊόντων καθώς και για την κατασκευή μικρονικών και νανο-δομημάτων ανόργανων υλικών όπως μέταλλα, κράματα, μεταλλικές ενώσεις, μη μεταλλικά υλικά και ανόργανα σύνθετα υλικά. Κοινά παραδείγματα υπερηχητικά υποβοηθούμενης PTC είναι η μετεστεροποίηση ελεύθερων λιπαρών οξέων σε μεθύλιο εστέρη (βιοντίζελ), υδρόλυση, σαπωνοποίηση φυτικών ελαίων, αντίδραση sono-Fenton (διαδικασίες τύπου Fenton), σονοκαλυτική αποικοδόμηση κ.λπ.
Διαβάστε περισσότερα για sono-κατάλυση και συγκεκριμένες εφαρμογές!
Κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει τη χημεία κλικ, όπως αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης αζιδίου-αλκυνίου!

Άλλες Sonochemical Εφαρμογές

Λόγω της ευέλικτης χρήσης, αξιοπιστίας και απλής λειτουργίας τους, τα sonochemical συστήματα όπως το UP400St ή UIP2000hdT αποτιμώνται ως αποτελεσματικός εξοπλισμός για χημικές αντιδράσεις. Hielscher Ultrasonics sonochemical συσκευές μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί για παρτίδα (ανοιχτό δοχείο) και συνεχή ενσωματωμένη κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιώντας ένα sonochemical κύτταρο ροής. Η sonochemistry συμπεριλαμβανομένης της sono-σύνθεσης, sono-catalysis, της υποβάθμισης, ή του πολυμερισμού χρησιμοποιούνται ευρέως στη χημεία, τη νανοτεχνολογία, την επιστήμη υλικών, τα φαρμακευτικά προϊόντα, τη μικροβιολογία καθώς επίσης και σε άλλες βιομηχανίες.

Ηδοχημικός εξοπλισμός υψηλής απόδοσης

Hielscher Ultrasonics είναι ο κορυφαίος προμηθευτής σας από καινοτόμους, τελευταίας τεχνολογίας υπερήχους, sonochemical κύτταρο ροής, αντιδραστήρες και αξεσουάρ για αποτελεσματικές και αξιόπιστες sonochemical αντιδράσεις. Όλοι hielscher υπερήχων σχεδιάζονται αποκλειστικά, κατασκευάζονται και δοκιμάζονται στην έδρα Hielscher Ultrasonics στο Teltow (κοντά στο Βερολίνο), Γερμανία. Εκτός από τα υψηλότερα τεχνικά πρότυπα και την εξαιρετική ευρωστία και τη λειτουργία 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα/365 για εξαιρετικά αποτελεσματική λειτουργία, hielscher υπερήχων είναι εύκολο και αξιόπιστο να λειτουργήσει. Υψηλή απόδοση, έξυπνο λογισμικό, διαισθητικό μενού, αυτόματο πρωτόκολλο δεδομένων και τηλεχειριστήριο προγράμματος περιήγησης είναι μόνο μερικά χαρακτηριστικά που διακρίνουν Hielscher Ultrasonics από άλλους κατασκευαστές sonochemical εξοπλισμού.

Ακριβώς ρυθμιζόμενα πλάτος

Το πλάτος είναι η μετατόπιση στο μπροστινό μέρος (άκρη) της sonotrode (επίσης γνωστή ως υπερήχων καθετήρα ή κέρατο) και είναι ο κύριος παράγοντας επιρροής της υπερήχων σπηλαίωση. Τα υψηλότερα πλάτος σημαίνουν πιο έντονη σπηλαίωση. Η απαιτούμενη ένταση σπηλαίωσης εξαρτάται έντονα από τον τύπο αντίδρασης, τα χημικά αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται και τα στοχευμένα αποτελέσματα της συγκεκριμένης sonochemical αντίδρασης. Αυτό σημαίνει ότι το πλάτος πρέπει να είναι ακριβώς ρυθμιζόμενο προκειμένου να συντονιστεί η ένταση της ακουστικής σπηλαίωσης στο ιδανικό επίπεδο. Όλοι οι υπερήχους Hielscher μπορούν να ρυθμιστούν αξιόπιστα και με ακρίβεια μέσω ενός έξυπνου ψηφιακού ελέγχου στο ιδανικό πλάτος. Τα κέρατα ενίσχυσης μπορούν επιπλέον να χρησιμοποιηθούν για να μειώσουν ή να αυξήσουν το πλάτος μηχανικά. Υπερήχων’ οι βιομηχανικοί υπερηχητικοί επεξεργαστές μπορούν να παραδώσουν τα πολύ υψηλά πλάτη. Τα πλάτη μέχρι 200μm μπορούν να τρέξουν εύκολα συνεχώς στη λειτουργία 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα. Για ακόμα υψηλότερα πλάτη, τα προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes είναι διαθέσιμα.

Ακριβής έλεγχος θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια sonochemical αντιδράσεων

Στο hot-spot σπηλαίωσης, μπορούν να παρατηρηθούν εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες πολλών χιλιάδων βαθμών Κελσίου. Ωστόσο, αυτές οι ακραίες θερμοκρασίες περιορίζονται τοπικά στο λεπτό εσωτερικό και το περιβάλλον της φυσαλίδας σπηλαίωσης που καταρρέει. Στο διάλυμα χύμα, η άνοδος της θερμοκρασίας από την κατάρρευση μία ή λίγες φυσαλίδες σπηλαίωσης είναι αμελητέα. Αλλά η συνεχής, έντονη κατεργασία με υπερήχους για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα μπορεί να προκαλέσει μια σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας του χύδην υγρού. Αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας συμβάλλει σε πολλές χημικές αντιδράσεις και συχνά θεωρείται ευεργετική. Ωστόσο, διαφορετικές χημικές αντιδράσεις έχουν διαφορετικές βέλτιστες θερμοκρασίες αντίδρασης. Όταν υποβάλλονται σε επεξεργασία ευαίσθητα στη θερμότητα υλικά, ενδέχεται να απαιτείται έλεγχος της θερμοκρασίας. Προκειμένου να επιτρέψει τις ιδανικές θερμικές συνθήκες κατά τη διάρκεια των sonochemical διαδικασιών, Hielscher Ultrasonics προσφέρει διάφορες εξελιγμένες λύσεις για τον ακριβή έλεγχο της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια των sonochemical διαδικασιών, όπως sonochemical αντιδραστήρες και κύτταρα ροής εξοπλισμένα με σακάκια ψύξης.
Τα ηχοχημικά κύτταρα ροής και οι αντιδραστήρες μας είναι διαθέσιμα με σακάκια ψύξης, τα οποία υποστηρίζουν έναν αποτελεσματικό διασκεδασμό θερμότητας. Για συνεχή παρακολούθηση της θερμοκρασίας, Hielscher υπερήχους είναι εξοπλισμένα με ένα pluggable αισθητήρα θερμοκρασίας, ο οποίος μπορεί να εισαχθεί στο υγρό για συνεχή μέτρηση της θερμοκρασίας χύμα. Εξελιγμένο λογισμικό επιτρέπει τη ρύθμιση ενός εύρους θερμοκρασίας. Όταν ξεπεραστεί το όριο θερμοκρασίας, ο υπερηχητικός διακόπτεται αυτόματα μέχρι η θερμοκρασία στο υγρό να μειωθεί σε ένα συγκεκριμένο καθορισμένο σημείο και να αρχίσει αυτόματα να κάνει υπερήχους ξανά. Όλες οι μετρήσεις θερμοκρασίας καθώς και άλλα σημαντικά δεδομένα υπερήχων επεξεργάζονται αυτόματα σε ενσωματωμένη κάρτα SD και μπορούν να αναθεωρηθούν εύκολα για έλεγχο διεργασίας.
Η θερμοκρασία είναι μια κρίσιμη παράμετρος των sonochemical διαδικασιών. Η επεξεργασμένη τεχνολογία της Hielscher σας βοηθά να διατηρήσετε τη θερμοκρασία της sonochemical εφαρμογής σας στο ιδανικό εύρος θερμοκρασίας.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη για την κατά προσέγγιση ικανότητα επεξεργασίας των υπερήχων μας: