Sonokeemilised reaktsioonid ja süntees
Sonokeemia on ultraheli rakendamine keemilistele reaktsioonidele ja protsessidele. Sonokeemiliste efektide mehhanism vedelikes on akustilise kavitatsiooni nähtus.
Hielscheri ultraheli laboriseadmeid ja tööstusseadmeid kasutatakse paljudes sonokeemilistes protsessides. Ultraheli kavitatsioon intensiivistab ja kiirendab keemilisi reaktsioone, näiteks sünteesi ja katalüüsi.
Sonokeemilised reaktsioonid
Keemilistes reaktsioonides ja protsessides on täheldatud järgmisi sonokeemilisi efekte:
- reaktsioonikiiruse suurenemine
- reaktsioonisaagise suurenemine
- tõhusam energiakasutus
- sonokeemilised meetodid reaktsiooniraja muutmiseks
- faasidevaheliste katalüsaatorite toimivuse parandamine
- faasidevaheliste katalüsaatorite kasutamise vältimine
- toor- või tehniliste reagentide kasutamine
- metallide ja tahkete ainete aktiveerimine
- reagentide või katalüsaatorite reaktsioonivõime suurenemine (klõpsake siin, et lugeda lähemalt ultraheli abil toetatud katalüüsi kohta)
- osakeste sünteesi parandamine
- nanoosakeste katmine
7 ultraheli homogenisaatorit mudelist UIP1000hdT (7x 1 kW ultraheli võimsust), paigaldatud klastrina sonokeemiliste reaktsioonide jaoks tööstuslikus mastaabis.
Ultraheli abil intensiivistatud keemiliste reaktsioonide eelised
Ultraheli abil kiirendatud keemilised reaktsioonid on väljakujunenud protsessi intensiivistamise meetod keemilise sünteesi ja töötlemise valdkonnas. Ultrahelilainete jõudu kasutades pakuvad need reaktsioonid arvukalt eeliseid tavapäraste meetoditega võrreldes, parandades keemilist katalüüsi ja sünteesi. Sonokeemiliste reaktsioonide peamised eelised on väga kiire konversioon, suurepärased saagised, parem selektiivsus, suurem energiatõhusus ja väiksem keskkonnamõju.
Alljärgnev tabel näitab mõningaid silmapaistvaid ultraheli abil kiirendatud reaktsioonide eeliseid tavapäraste keemiliste reaktsioonidega võrreldes:
| Reaktsioon | Reaktsiooniaeg tavapärane |
Reaktsiooniaeg ultraheliga |
Saagis tavapärane (%) |
Saagis ultraheliga (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alderi tsüklisatsioon | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Indaani oksüdeerimine indaan-1-ooniks | 3 h | 3 h | alla 27% | 73% |
| Metoksüaminosilaani redutseerimine | reaktsioon puudub | 3 h | 0% | 100% |
| Pikaahelaliste küllastumata rasvhappeestrite epoksüdeerimine | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Arüülalkaanide oksüdeerimine | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Nitroalkaanide Michaeli liitumine monoasendatud α,β-küllastumata estritele | 2 päeva | 2 h | 85% | 90% |
| 2-oktanooli permanganaatoksüdeerimine | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Kalkoonide süntees Claisen-Schmidti kondensatsiooni teel | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| 2-jodonitrobenseeni Ullmanni kuplung | 2 h | 2h | alla 1,5% | 70,4% |
| Reformatski reaktsioon | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultraheli kavitatsioon vedelikes
Kavitatsioon on mullide teke, kasv ja implosiivne kokkuvarisemine vedelikus. Kavitatsioonilise kokkuvarisemise käigus tekivad intensiivne lokaalne kuumenemine (~5000 K), kõrged rõhud (~1000 atm), tohutud kuumenemis- ja jahtumiskiirused (>10⁹ K/sec) ning vedelikujoad (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitatsioon seadmega UIP1000hd:
Kavitatsioonimullid on vaakumimullid. Vaakum tekib ühelt poolt kiiresti liikuva pinna ja teiselt poolt inertse vedeliku toimel. Tekkivad rõhuerinevused aitavad ületada vedelikusisest koheesiooni- ja adhesioonijõudu.
Kavitatsiooni saab tekitada erinevatel viisidel, näiteks Venturi düüside, kõrgsurvedüüside, suure kiirusega pöörlemise või ultraheli muundurite abil. Kõigis neis süsteemides muundatakse sisendenergia hõõrdumiseks, turbulentsiks, lainetuseks ja kavitatsiooniks. Kavitatsiooniks muundatava sisendenergia osa sõltub mitmest tegurist, mis kirjeldavad kavitatsiooni tekitava seadme liikumist vedelikus.
Kiirenduse intensiivsus on üks olulisemaid tegureid, mis mõjutavad energia tõhusat muundumist kavitatsiooniks. Suurem kiirendus tekitab suuremaid rõhuerinevusi. See suurendab omakorda tõenäosust, et tekivad vaakumimullid, mitte vedelikus levivad lained. Seega mida suurem on kiirendus, seda suurem on see energia osa, mis muundub kavitatsiooniks. Ultraheli muunduri puhul kirjeldab kiirenduse intensiivsust võnkeamplituud.
Suuremad amplituudid tekitavad kavitatsiooni tõhusamalt. Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud seadmed suudavad tekitada amplituude kuni 115 µm. Need suured amplituudid võimaldavad suurt võimsuse ülekandetegurit, mis omakorda võimaldab saavutada suuri võimsustihedusi kuni 100 W/cm³.
Intensiivsusele lisaks tuleks vedelikku kiirendada nii, et turbulentsist, hõõrdumisest ja lainetekkest tulenevad kaod oleksid minimaalsed. Selleks on optimaalne ühesuunaline liikumine.
Ultraheli reaktor võimsusega 16 000 vatti sonokeemiliselt tõhustatud inline-ümberesterdamiseks.
- aktiveeritud metallide valmistamine metallisoolade redutseerimise teel
- aktiveeritud metallide tekitamine ultraheli töötlusega
- osakeste sonokeemiline süntees metallide (Fe, Cr, Mn, Co) oksiidide sadestamise teel, nt katalüsaatoritena kasutamiseks
- metallide või metallihalogeniidide impregneerimine kandjatele
- aktiveeritud metallilahuste valmistamine
- reaktsioonid, milles osalevad metallid in situ tekitatud organoelementühendite kaudu
- reaktsioonid, milles osalevad mittemetallilised tahked ained
- metallide, sulamite, zeolithes ja muude tahkete ainete kristallimine ja sadestamine
- pinnamorfoloogia ja osakeste suuruse muutmine suure kiirusega osakestevaheliste kokkupõrgete abil
- amorfsete nanostruktuursete materjalide teke, sealhulgas suure eripinnaga siirdemetallid, sulamid, karbiidid, oksiidid ja kolloidid
- kristallide aglomeratsioon
- passiveeriva oksiidkatte silumine ja eemaldamine
- väikeste osakeste mikromanipuleerimine (fraktsioneerimine)
- tahkete ainete dispergeerimine
- kolloidide (Ag, Au, Q-suurusega CdS) valmistamine
- võõrmolekulide interkaleerimine anorgaanilistesse kihilistesse peremeestahketesse ainetesse
- polümeeride sonokeemia
- polümeeride lagundamine ja modifitseerimine
- polümeeride süntees
- orgaaniliste saasteainete sonolüüs vees
Sonokeemiline varustus
Enamiku nimetatud sonokeemilistest protsessidest saab ümber varustada inline-töörežiimiks. Aitame hea meelega valida sonokeemilist varustust teie töötlusvajadustele. Uuringuteks ja protsesside katsetamiseks soovitame meie laboriseadmeid või UIP1000hdT komplekti.
Vajaduse korral on saadaval FM- ja ATEX-sertifikaadiga ultraheli seadmed ja reaktorid (nt UIP1000-Exd) tuleohtlike kemikaalide ja tooteretseptuuride ultraheli töötluseks ohtlikes keskkondades.
Ultraheli kavitatsioon muudab ringi avanemise reaktsioone
Ultraheli töötlus on alternatiivne mehhanism keemiliste reaktsioonide käivitamiseks soojuse, rõhu, valguse või elektri kõrval. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth ja nende meeskond Illinoisi ülikooli Urbana-Champaigni keemiateaduskonnas kasutasid ultraheli energiat ringavanemisreaktsioonide käivitamiseks ja juhtimiseks. Ultraheli töötlusel andsid keemilised reaktsioonid tooteid, mis erinesid orbitaalsümmeetria reeglite järgi ennustatutest (Nature 2007, 446, 423). Rühm sidus mehaaniliselt tundlikud 1,2-asendatud bensotsüklobuteeni isomeerid kahe polüetüleenglükooli ahelaga, rakendas ultraheli energiat ja analüüsis massilahuseid, kasutades C13 tuumamagnetresonantsspektroskoopiat. Spektrid näitasid, et nii cis- kui ka trans-isomeer annavad sama ringavanenud produkti, mis oli oodatud trans-isomeerilt. Kui soojusenergia põhjustab reagentide juhuslikku Browni liikumist, siis ultraheli töötluse mehaaniline energia annab aatomite liikumisele suuna. Seetõttu suunavad kavitatsiooniefektid energiat tõhusalt, venitades molekuli ja kujundades ümber potentsiaalse energia pinda.
Sondtüüpi ultrahelitöötlusseadmed, nagu UP400St, intensiivistavad nanoosakeste sünteesi. Sonokeemiline meetod on lihtne, tõhus, kiire ja toimib mittetoksiliste kemikaalidega leebetes tingimustes.
Suure jõudlusega ultrahelitöötlusseadmed sonokeemiaks
Hielscher Ultrasonics pakub ultraheli protsessoreid laboritele ja tööstusele. Kõik Hielscheri ultrahelitöötlusseadmed on väga võimsad ja töökindlad ultraheliseadmed, mis on ehitatud pidevaks 24/7 tööks täiskoormusel. Digitaalne juhtimine, programmeeritavad seaded, temperatuuri jälgimine, automaatne andmete logimine ja kaugjuhtimine brauseri kaudu on vaid mõned Hielscheri ultrahelitöötlusseadmete funktsioonid. Seadmed on loodud kõrgeks jõudluseks ja mugavaks kasutamiseks ning kasutajad hindavad Hielscher Ultrasonics seadmete ohutut ja lihtsat käsitsemist. Hielscheri tööstuslikud ultraheli protsessorid annavad amplituude kuni 200µm ja sobivad ideaalselt raskeks tööks. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultrahelitöötlusseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster, mis koosneb seadmetest UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, pilootmastaabis 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 laboriseadmetest kuni tööstusliku suuruseni.