Polüoolide süntees ultraheli abil toimuva ümberesterdamise teel

Polüoolid on sünteetilised estrid, mida toodetakse peamiselt taimeõlide või loomsete rasvade triglütseriidide ümberesterdamisel. Need polüoolid on tooraineks polüuretaanide, biolubrikantide ja muude kemikaalide tootmisel. Ultraheli töötlust (sonikeerimist) kasutatakse ümberesterdamisreaktsioonide intensiivistamiseks, rakendades tugevaid nihkejõude ja soojusenergiat. Ultraheli ja selle sonokeemilised mõjud annavad reaktsiooniks vajalikku energiat ning aitavad ületada massiülekande piiranguid. Seeläbi parandab sonikeerimine oluliselt ümberesterdamise kiirust, saagist ja üldist efektiivsust.

Ultraheli abil toimuv ümberesterdamine

Ümberesterdamisreaktsioonid on üks olulisemaid sünteesiteid ning neid kasutatakse laialdaselt tõhusa meetodina taimeõlide muundamiseks naftatoodete asendajateks. Sonosüntees (ehk sonokeemiline süntees, mis on suure jõudlusega ultraheli abil kiirendatud keemiline süntees) on tuntud oma soodsate mõjude poolest nii ümberesterdamisele kui ka teistele keemilistele protsessidele.

Jätkusuutlik polüoolide süntees taimeõlidest ultraheli abil

Taimset päritolu rasvhapped, st taimeõlid, on laialdaselt kättesaadav ja taastuv tooraine ning neid saab kasutada biopõhiste polüoolide ja polüuretaanide valmistamiseks. Võimsa ultraheli rakendamine tekitab soodsaid sonokeemilisi mõjusid, mis kiirendavad oluliselt ümberesterdamise katalüütilist reaktsiooni. Lisaks suurendab ultraheli töötlus sünteesitud polüoolide saagist, kuna akustilise kavitatsiooni intensiivne segamisenergia ületab massiülekande piirangu. Ultraheli abil toimuvad ümberesterdamisreaktsioonid kulgevad teadaolevalt tõhusalt väiksema alkoholi- ja katalüsaatorikogusega kui tavapärased ümberesterdamisreaktsioonid. See toob kaasa ultraheli töötluse abil paranenud üldise efektiivsuse.

Pentaerütritoolestril põhineva biolubrikandi ultraheli süntees

Pentaerütritoolestrit saab rapsiõlist tõhusalt sünteesida kaheastmelise sonokeemilise protsessiga, nagu näitas Arumugami uurimisrühm. Oma optimeerimisuuringus kasutasid teadlased Hielscheri ultraheli homogenisaatorit UP400St (vt pilti vasakul). Esimeses sonokeemiliselt kiirendatud ümberesterdamises reageerib rapsiõli metanooliga metüülestriks. Teises ümberesterdamise etapis reageerib metüülester ksüleeni ja katalüsaatoriga pentaerütritoolestriks. Teadlased keskendusid ultraheli protsessiparameetrite optimeerimisele, et suurendada pentaerütritoolestri sünteesi saagist ja üldist efektiivsust ultraheli all. Pentaerütritoolestri parem saagis 81,4% saavutati ultraheli impulsi kestusega 15 s, ultraheli amplituudiga 60%, katalüsaatori kontsentratsiooniga 1,5 wt% ja reaktsioonitemperatuuriga 100°C. Kvaliteedikontrolliks võrreldi sonokeemiliselt sünteesitud pentaerütritoolestrit sünteetilise kompressoriõliga. Kokkuvõttes viitab uuring sellele, et ultraheli abil kiirendatud järjestikune ümberesterdamisprotsess on tõhus meetod tavapärase järjestikuse ümberesterdamisprotsessi asendamiseks pentaerütritoolestril põhineva biolubrikandi sünteesil. Ultraheli abil toimuva ümberesterdamisprotsessi peamised eelised on pentaerütritoolestri suurem saagis, lühem reaktsiooniaeg ja oluliselt madalamad reaktsioonitemperatuurid. (vrd Arumugam et al., 2019)

Rapsiõli ultraheli abil intensiivistatud kaheastmeline ümberesterdamine pentaerütritoolestriks.
(kohandatud Arumugam et al., 2019 põhjal)

Pentanaalist saadud atsetaalestrid ultraheli sünteesi abil

Kurniawani uurimisrühm sünteesis sonokeemilise meetodi abil kolm pentanaalist saadud atsetaalestrit, rakendades keemia põhimõtteid. Ultraheli töötlust kasutati kahe keemilise etapi soodustamiseks:

1. 9,10-dihüdroksüoktadekaanhappe esterdamine
2. Alküül-9,10-dihüdroksüoktadekanoaadi atsetaliseerimine

Alküül-9,10- dihüdroksüstearaadi estrite saamiseks on vaja kahte etappi ja saadi saagised 67-85%. Tõhususe hindamiseks võrreldi sonokeemilist meetodit tavapärase tagasivoolutehnikaga. Lisaks kasutati happekatalüsaatoritena homogeenseid ja tahkeid happeid, nimelt väävelhapet (H2SO4), looduslikku bentoniiti ja H-bentoniiti, et määrata erinevate katalüsaatorite mõju ja tõhusust. Leiti, et happe sonokeemiline esterdamine, mida katalüüsis H-bentoniit, andis tooteid kuni 70% saagisega 3 korda lühema reaktsiooniajaga kui tagasivoolumeetod, mis on tähelepanuväärne. Lõplik atsetaliseerimisetapp n-pentanaaliga H-bentoniidi juuresolekul ultraheli töötlust kasutades andis kolm pentanaalist saadud dioksolaanderivaati saagisega 69–85%, mis on suurem kui tavapärase meetodi puhul. Tagasivoolumeetod nõudis pikemat reaktsiooniaega kui sonokeemiline meetod, kuna ultraheli süntees nõudis vaid 10-30min. Lisaks oluliselt lühemale reaktsiooniajale ultraheli töötluse korral saadi sonokeemilist meetodit kasutades iga estri tähelepanuväärne saagis.
Uurijad arvutasid ka, et sonokeemilise reaktsiooni energiavajadus on ligikaudu 62 korda väiksem kui tavapärase meetodi oma. See vähendab kulusid ja on keskkonnasõbralik.
Iga toote füüsikalis-keemiliste omaduste uurimine näitas, et metüül-8-(2-butüül-5-oktüül-1,3-dioksolaan-4-üül)oktanoaat on potentsiaalne uudne biolubrikant, mille omadused võimaldavad asendada tavalisi määrdeaineid. (vt Kurniawan et al., 2021)

Pentaerütrüülestrite transesterdamine ultraheli abil

Pentaerütrüülestreid saab valmistada taimeõlidest, nagu päevalille-, linaseemne- ja jatrofaõli. Hasheme uurimisrühm demonstreeris biopõhiste määrdeainete sünteesi järjestikuste aluskatalüütiliste transesterdamiste kaudu, mis hõlmasid kahte transesterdamisetappi. Nad näitasid sünteesi teostatavust päevalille-, linaseemne- ja jatrofaõliga. Esimeses etapis muudeti õlid vastavateks metüülestriteks. Teises protsessis muudeti metüülestrid pentaerütrüülestriteks pentaerütritooli toimel, nagu on näidatud järgmisel skeemil: (vt Hashem et al., 2013)

Pärast taimeõli transesterdamist metüülestriks muudetakse metüülestrid pentaerütrüülestriteks pentaerütritooli toimel, nagu on näidatud ülaltoodud skeemil.
(vt Hashem et al., 2013)

Ultraheli töötluse reaktsiooni oluliselt kiirendav mõju transesterdamisele on teaduslikult tõestatud ja tööstuses kasutusel juba aastakümneid. Kõige silmapaistvam näide ultraheli abil parandatud transesterdamisest on õlide ja rasvade muundamine rasvhapete metüülestriteks (FAME), mida tuntakse biodiislina.
Loe lähemalt (jääk)õlide ja rasvade ultraheli abil toimuvast transesterdamisest biodiislikütuseks!

Ultraheli sondid ja reaktorid transesterdamiseks ja muudeks keemilisteks sünteesideks

Hielscher Ultrasonics on teie spetsialist, kui vajate keerukaid suure jõudlusega ultrahelitöötlusseadmeid sonokeemilisteks reaktsioonideks. Hielscher kavandab, toodab ja turustab suure võimsusega ultrahelitöötlusseadmeid ning lisaseadmeid, nagu sondid (sonotroodid), reaktorid ja läbivoolukambrid mis tahes suuruses, ning varustab nii keemialaboreid kui ka tööstusliku mastaabiga keemiatootmisettevõtteid. Alates kompaktsetest laboratoorsetest ultraheliseadmetest kuni tööstuslike ultraheli sondide ja reaktoriteni – Hielscher pakub teie protsessi jaoks ideaalset ultraheli süsteemi. Meie pikaajaline kogemus sellistes rakendustes nagu sonokatalüüs ja sonosüntees võimaldab meie hästi koolitatud töötajatel soovitada teie nõuetele kõige sobivamat lahendust.
Hielscher Ultrasonics toodab väga robustseid suure jõudlusega ultraheli süsteeme, mis suudavad tekitada intensiivseid ultraheli laineid, sest kõik tööstuslikud Hielscher ultrahelitöötlusseadmed suudavad pidevas töös (24/7) tagada väga suuri amplituude. Robustsed ultraheli süsteemid ei vaja peaaegu üldse hooldust ja on loodud töötama. Tänu sellele on Hielscher ultraheliseadmed töökindlad raskeks tööks nõudlikes tingimustes. Saadaval on ka spetsiaalsed sonotroodid kõrgetele temperatuuridele või väga agressiivsetele kemikaalidele.
Kõrgeim kvaliteet – kavandatud ja valmistatud Saksamaal: Kõik seadmed kavandatakse ja valmistatakse meie peakontoris Saksamaal. Enne kliendile tarnimist testitakse iga ultraheliseadet hoolikalt täiskoormusel. Me püüame tagada klientide rahulolu ja meie tootmine on üles ehitatud kõrgeima kvaliteeditagatise täitmiseks (nt ISO sertifitseerimine).

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultrahelitöötlusseadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest: