Sonokeemilised reaktsioonid ja süntees
Sonochemistry on ultraheli rakendamine keemilistele reaktsioonidele ja protsessidele. Vedelikes sonokeemilisi mõjusid põhjustav mehhanism on akustilise kavitatsiooni nähtus.
Hielscheri ultraheli laborit ja tööstusseadmeid kasutatakse mitmesugustes sonokeemilistes protsessides. Ultraheli kavitatsioon intensiivistab ja kiirendab keemilisi reaktsioone, nagu süntees ja katalüüs.
sonokeemilised reaktsioonid
Keemilistes reaktsioonides ja protsessides võib täheldada järgmisi sonokeemilisi mõjusid:
- reaktsioonikiiruse suurenemine
- reaktsiooni väljundi suurenemine
- tõhusam energiatarbimine
- sonokeemilised meetodid reaktsiooniraja vahetamiseks
- faasiülekande katalüsaatorite jõudluse parandamine
- faasiülekande katalüsaatorite vältimine
- töötlemata või tehniliste reaktiivide kasutamine
- metallide ja tahkete ainete aktiveerimine
- reaktiivide või katalüsaatorite reaktiivsuse suurenemine (Klõpsake siin, et lugeda rohkem ultraheli abil katalüüsi kohta)
- osakeste sünteesi parandamine
- Nanoosakeste katmine
7 ultraheli homogenisaatorit mudel UIP1000hdT (7x 1kW ultraheli võimsus) paigaldatud klastrina sonokeemiliste reaktsioonide jaoks tööstuslikus mastaabis.
Ultraheli intensiivistatud keemiliste reaktsioonide eelised
Ultraheli edendatud keemilised reaktsioonid on väljakujunenud meetod protsessi intensiivistamiseks keemilise sünteesi ja töötlemise valdkonnas. Kasutades ultraheli lainete jõudu, pakuvad need reaktsioonid tavapäraste meetoditega võrreldes mitmeid eeliseid, parandades keemilist katalüüsi ja sünteesi. Sonokeemiliste reaktsioonide peamised eelised on turbo-kiired konversioonimäärad, suurepärased saagised, suurem selektiivsus, parem energiatõhusus ja väiksem keskkonnamõju.
Tabeli löök näitab ultraheli edendatud reaktsiooni mõningaid silmapaistvaid eeliseid võrreldes tavapäraste keemiliste reaktsioonidega:
| reaktsioon | Reaktsiooni aeg Tavapäraste |
Reaktsiooni aeg ultraheli |
Saagis Tavapärane (%) |
Saagis Ultraheli (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alderi tsükliseerimine | 35 tundi | 3,5 h | 77.9 | 97.3 |
| Indaani oksüdeerimine indaan-1-ooniks | 3 tundi | 3 tundi | vähem kui 27% | 73% |
| Metoksüaminosilaani vähendamine | reaktsioon puudub | 3 tundi | 0% | 100% |
| Pika ahelaga küllastumata rasvestrite epoksüdatsioon | 2 tundi | 15 minutit | 48% | 92% |
| Arüülalkaanide oksüdatsioon | 4 tundi | 4 tundi | 12% | 80% |
| Michaeli nitroalkaanide lisamine monosubstituteeritud α,β küllastumata estritele | 2 päeva | 2 tundi | 85% | 90% |
| 2-oktanooli permanganaadi oksüdatsioon | 5 tundi | 5 tundi | 3% | 93% |
| Halkoonide süntees CLaisen-Schmidti kondensatsiooni abil | 60 minutit | 10 minutit | 5% | 76% |
| UIllmanni 2-jodonitrobenseeni sidumine | 2 tundi | 2H | vähem päevitust 1,5% | 70.4% |
| Reformatski reaktsioon | 12h | 30 minutit | 50% | 98% |
Ultraheli kavitatsioon vedelikes
Kavitatsioon, see on mullide moodustumine, kasv ja implosiivne kokkuvarisemine vedelikus. Kavitatsiooniline kollaps tekitab intensiivset kohalikku kuumutamist (~ 5000 K), kõrget rõhku (~ 1000 atm) ning tohutuid kütte- ja jahutuskiirusi (>109 K/sek) ja vedelad jugavoolud (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitatsioon kasutades UIP1000hd:
Kavitatsioonimullid on vaakummullid. Vaakumi tekitab ühelt poolt kiiresti liikuv pind ja teiselt poolt inertne vedelik. Sellest tulenevad rõhuerinevused aitavad ületada vedeliku ühtekuuluvus- ja adhesioonijõude.
Kavitatsiooni saab toota erinevatel viisidel, nagu Venturi düüsid, kõrgsurvepihustid, suure kiirusega pöörlemine või ultraheliandurid. Kõigis neis süsteemides muundatakse sisendenergia hõõrdumiseks, turbulentsiks, laineteks ja kavitatsiooniks. Kavitatsiooniks muunduva sisendenergia osa sõltub mitmest tegurist, mis kirjeldavad kavitatsiooni tekitavate seadmete liikumist vedelikus.
Kiirenduse intensiivsus on üks olulisemaid tegureid, mis mõjutavad energia tõhusat muundamist kavitatsiooniks. Suurem kiirendus tekitab suuremaid rõhuerinevusi. See omakorda suurendab vaakummullide tekkimise tõenäosust vedeliku kaudu levivate lainete loomise asemel. Seega, mida suurem on kiirendus, seda suurem on energia osa, mis muundatakse kavitatsiooniks. Ultrahelianduri puhul kirjeldatakse kiirenduse intensiivsust võnkumise amplituudiga.
Suuremad amplituudid toovad kaasa kavitatsiooni tõhusama loomise. Hielscher Ultrasonics'i tööstuslikud seadmed võivad luua amplituudid kuni 115 μm. Need suured amplituudid võimaldavad suure võimsusega ülekandearvu, mis omakorda võimaldab luua suuri võimsustihedusi kuni 100 W / cm³.
Lisaks intensiivsusele tuleks vedelikku kiirendada viisil, mis tekitaks minimaalseid kadusid turbulentsi, hõõrdumise ja lainete tekke osas. Selleks on optimaalne viis ühepoolne liikumissuund.
Ultraheli reaktor 16 000 vatti sonokeemiliselt täiustatud inline ümberesterdamiseks.
- aktiveeritud metallide valmistamine metallisoolade redutseerimise teel
- aktiveeritud metallide genereerimine ultrahelitöötlusega
- osakeste sonokkeemiline süntees metalloksiidide (Fe, Cr, Mn, Co) sadestamise teel, nt kasutamiseks katalüsaatoritena
- Metallide või metallhalogeniidide immutamine tugedele
- aktiveeritud metallilahuste valmistamine
- metallidega seotud reaktsioonid in situ tekitatud orgaaniliste elementide liikide kaudu
- mittemetalsete tahkete ainetega seotud reaktsioonid
- metallide, sulamite, tseoliitide ja muude tahkete ainete kristalliseerumine ja sadestamine
- pinna morfoloogia ja osakeste suuruse muutmine suure kiirusega osakestevaheliste kokkupõrgete abil
- amorfsete nanostruktuursete materjalide, sealhulgas suure pindalaga siirdemetallide, sulamite, karbiidide, oksiidide ja kolloidide moodustumine
- kristallide aglomeratsioon
- passiivse oksiidkatte silumine ja eemaldamine
- väikeste osakeste mikromanipulatsioon (fraktsioneerimine)
- tahkete ainete dispersioon
- kolloidide valmistamine (Ag, Au, Q-suuruses CdS)
- külalismolekulide interkalatsioon peremees-anorgaanilisteks kihilisteks tahketeks aineteks
- Polümeeride sonokeemia
- polümeeride lagunemine ja modifitseerimine
- polümeeride süntees
- orgaaniliste saasteainete sonolüüs vees
sonokeemilised seadmed
Enamikku nimetatud sonokeemilistest protsessidest saab moderniseerida, et need töötaksid tekstisiseselt. Meil on hea meel aidata teil valida teie töötlemisvajadustele vastavad sonokeemilised seadmed. Uuringuteks ja protsesside testimiseks soovitame meie laboriseadmeid või UIP1000hdT komplekt.
Vajadusel FM ja ATEX sertifitseeritud ultraheli seadmed ja reaktorid (nt UIP1000-Exd) on saadaval tuleohtlike kemikaalide ja tootevormide ultraheliga töötlemiseks ohtlikus keskkonnas.
Ultraheli kavitatsioon muudab rõnga avamise reaktsioone
Ultraheli on alternatiivne mehhanism soojusele, rõhule, valgusele või elektrile keemiliste reaktsioonide algatamiseks. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth, ja nende meeskond Illinoisi ülikooli keemiateaduskond Urbana-Champaignis Kasutati ultraheli võimsust rõnga avamisreaktsioonide käivitamiseks ja manipuleerimiseks. Ultrahelitöötluse käigus tekitasid keemilised reaktsioonid tooteid, mis erinesid orbitaalsümmeetria reeglitega ennustatud toodetest (Nature 2007, 446, 423). Rühm ühendas mehaaniliselt tundlikud 1,2-disubstituteeritud bensotsüklobuteeni isomeerid kahe polüetüleenglükooli ahelaga, rakendas ultraheli energiat ja analüüsis lahtiseid lahuseid, kasutades C13 tuumamagnetresonantsspektroskoopia. Spektrid näitasid, et nii cis- kui ka trans-isomeerid annavad sama rõngaga avatud toote, mida oodatakse trans-isomeerilt. Kuigi soojusenergia põhjustab reaktiivide juhuslikku Browni liikumist, annab ultraheli mehaaniline energia suuna aatomi liikumisele. Seetõttu suunavad kavitatsioonilised mõjud energiat tõhusalt, pingutades molekuli, kujundades ümber potentsiaalse energiapinna.
Sondi tüüpi ultrasonikaatorid kui UP400St intensiivistada nanoosakeste sünteesi. Sonokeemiline tee on lihtne, tõhus, kiire ja töötab kergetes tingimustes mittetoksiliste kemikaalidega.
Suure jõudlusega ultrasonikaatorid Sonochemistry jaoks
Hielscher Ultrasonics varustab ultraheli protsessoreid laborile ja tööstusele. Kõik Hielscheri ultrasonikaatorid on väga võimsad ja tugevad ultrahelimasinad ning ehitatud pidevaks 24/7 tööks täiskoormuse all. Digitaalne juhtimine, programmeeritavad seaded, temperatuuri jälgimine, automaatne andmete protokollimine ja brauseri kaugjuhtimine on vaid mõned Hielscheri ultrasonikaatorite omadused. Mõeldud suure jõudlusega ja mugavaks tööks, hindavad kasutajad Hielscher Ultrasonics seadmete ohutut ja lihtsat käitlemist. Hielscheri tööstuslikud ultraheli protsessorid pakuvad amplituudid kuni 200 μm ja sobivad ideaalselt raskeveokite rakenduste jaoks. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
| 10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 kuni 20L | 0.2 kuni 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
| mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
Kirjandus / Viited
- 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.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates Lab kuni tööstuslik suurus.