Sonokeemia ja sonokeemilised reaktorid
Sonokeemia on keemia valdkond, kus keemiliste reaktsioonide (süntees, katalüüs, lagunemine, polümerisatsioon, hüdrolüüs jne) indutseerimiseks, kiirendamiseks ja muutmiseks kasutatakse suure intensiivsusega ultraheli. Ultraheli genereeritud kavitatsiooni iseloomustavad ainulaadsed energiatihedad tingimused, mis soodustavad ja intensiivistavad keemilisi reaktsioone. Kiiremad reaktsioonikiirused, suuremad saagised ja roheliste, kergemate reaktiivide kasutamine muudavad sonokeemia väga soodsaks vahendiks, et saada paremaid keemilisi reaktsioone.
Sonochemistry
Sonochemistry on uurimis- ja töötlemisvaldkond, kus molekulid läbivad keemilise reaktsiooni suure intensiivsusega ultraheli (nt 20 kHz) rakendamise tõttu. Sonokeemiliste reaktsioonide eest vastutav nähtus on akustiline kavitatsioon. Akustiline või ultraheli kavitatsioon tekib siis, kui võimsad ultraheli lained on ühendatud vedeliku või läga. Vedelikus olevate võimsuse ultraheli lainete põhjustatud vahelduvate kõrgsurve / madala rõhu tsüklite tõttu tekivad vaakummullid (kavitatsioonilised tühimikud), mis kasvavad mitme rõhutsükli jooksul. Kui kavitatsiooniline vaakummull saavutab teatud suuruse, kus see ei suuda rohkem energiat absorbeerida, implodeerib vaakummull ägedalt ja tekitab väga energiatiheda kuuma koha. Seda lokaalselt esinevat kuuma kohta iseloomustavad väga kõrged temperatuurid, rõhud ja ülikiirete vedelikujugade mikrovool.
Roostevabast terasest valmistatud suletud partii reaktor on varustatud ultrasonikaator UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustiline kavitatsioon ja suure intensiivsusega ultraheli mõju
Akustilist kavitatsiooni, mida sageli nimetatakse ka ultraheli kavitatsiooniks, saab eristada kaheks vormiks, stabiilseks ja mööduvaks kavitatsiooniks. Stabiilse kavitatsiooni ajal võngub kavitatsioonimull mitu korda ümber oma tasakaaluraadiuse, samas kui mööduva kavitatsiooni ajal, kus lühiajaline mull läbib mõne akustilise tsükli jooksul dramaatilisi helitugevuse muutusi ja lõpeb vägivaldse kokkuvarisemisega (Suslick 1988). Lahuses võib samaaegselt esineda stabiilne ja mööduv kavitatsioon ning stabiilse kavitatsiooniga mull võib muutuda mööduvaks õõnsuseks. Mullide implosioon, mis on iseloomulik mööduvale kavitatsioonile ja suure intensiivsusega ultrahelitöötlusele, loob erinevaid füüsikalisi tingimusi, sealhulgas väga kõrgeid temperatuure 5000–25 000 K, rõhku kuni mitu 1000 baari ja vedelaid vooge kiirusega kuni 1000 m / s. Kuna kavitatsioonimullide kokkuvarisemine/kokkuvarisemine toimub vähem kui nanosekundi jooksul, on väga kõrged kuumutamis- ja jahutuskiirused üle 1011 K/s võib täheldada. Sellised kõrged kuumutamiskiirused ja rõhuerinevused võivad reaktsioone algatada ja kiirendada. Mis puutub esinevatesse vedelatesse voogudesse, siis need kiired mikrojetid näitavad eriti suurt kasu, kui tegemist on heterogeensete tahke-vedelate lägadega. Vedelikujoad mõjutavad pinda kokkuvariseva mulli täistemperatuuri ja rõhuga ning põhjustavad erosiooni nii osakestevahelise kokkupõrke kui ka lokaliseeritud sulamise kaudu. Järelikult täheldatakse lahuses oluliselt paranenud massiülekannet.
Ultraheli kavitatsioon tekib kõige tõhusamalt vedelikes ja lahustites madala aururõhuga. Seetõttu on madala aururõhuga söötmed sonokeemiliste rakenduste jaoks soodsad.
Ultraheli kavitatsiooni tulemusena võivad loodud intensiivsed jõud lülitada reaktsioonide teed tõhusamatele marsruutidele, nii et välditakse täielikumaid muundamisi ja / või soovimatute kõrvalsaaduste tootmist.
Kavitatsioonimullide kokkuvarisemise tagajärjel tekkinud energiatihedat ruumi nimetatakse kuumaks punktiks. Madala sagedusega, suure võimsusega ultraheli vahemikus 20 kHz ja võime luua kõrgeid amplituudi on hästi välja kujunenud intensiivsete kuumade kohtade ja soodsate sonokeemiliste tingimuste tekitamiseks.
Ultraheli laboriseadmed, samuti tööstuslikud ultraheli reaktorid kaubanduslike sonokeemiliste protsesside jaoks on kergesti kättesaadavad ja tõestatud usaldusväärseks, tõhusaks ja keskkonnasõbralikuks laboris, piloot- ja täielikult tööstuslikus mastaabis. Sonokeemilisi reaktsioone võib läbi viia partiina (st avatud anumana) või in-line protsessina, kasutades suletud vooluga rakureaktorit.
Sono-süntees
Sono-süntees või sonokeemiline süntees on ultraheli genereeritud kavitatsiooni rakendamine keemiliste reaktsioonide algatamiseks ja edendamiseks. Suure võimsusega ultraheliuuring (nt 20 kHz juures) näitab tugevat mõju molekulidele ja keemilistele sidemetele. Näiteks võivad intensiivsest ultrahelitöötlusest tulenevad sonokeemilised mõjud põhjustada molekulide lõhenemist, vabade radikaalide loomist ja / või keemiliste radade vahetamist. Sonokeemilist sünteesi kasutatakse seetõttu intensiivselt paljude nanostruktuursete materjalide valmistamiseks või modifitseerimiseks. Sonosünteesi teel toodetud nanomaterjalid on näiteks nanoosakesed (NPd) (nt kulla NP-d, hõbedased NP-d), pigmendid, tuumakestaga nanoosakesed, nano-hüdroksüapatiit, metallist orgaanilised raamistikud (MOF), ravimite toimeained (API), mikrosfääriga kaunistatud nanoosakesed, nanokomposiidid paljude muude materjalide hulgas.
Näited: Rasvhapete metüülestrite (biodiisli) ultraheli ümberesterdamine või polüoolide ümberesterdamine ultraheli abil.
TEM-kujutis (A) ja selle osakeste suuruse jaotus (B) hõbeda nanoosakestest (Ag-NP), mis on sonokeemiliselt sünteesitud optimaalsetes tingimustes.
Samuti rakendatakse laialdaselt ultraheli edendatud kristalliseerumist (sono-kristalliseerumine), kus võimsus-ultraheli kasutatakse üleküllastunud lahenduste tootmiseks, kristalliseerumise / sadestamise algatamiseks ning kristallide suuruse ja morfoloogia kontrollimiseks ultraheli protsessi parameetrite kaudu. Sonokristalliseerumise kohta lisateabe saamiseks klõpsake siin!
Sono-katalüüs
Keemilise suspensiooni või lahuse ultraheliga töötlemine võib oluliselt parandada katalüütilisi reaktsioone. Sonokeemiline energia vähendab reaktsiooniaega, parandab soojus- ja massiülekannet, mille tulemuseks on hiljem suurenenud keemilise kiiruse konstandid, saagised ja selektiivsus.
On arvukalt katalüütilisi protsesse, mis saavad drastiliselt kasu võimsuse ultraheli ja selle sonokeemiliste mõjude rakendamisest. Mis tahes heterogeenne faasiülekande katalüüsi (PTC) reaktsioon, mis hõlmab kahte või enamat segunematut vedelikku või vedelik-tahket kompositsiooni, saab kasu ultrahelitöötlusest, sonokeemilisest energiast ja paremast massiülekandest.
Näiteks fenooli vaikse ja ultraheli abil niiske peroksiidi oksüdatsiooni võrdlev analüüs vees näitas, et ultrahelitöötlus vähendas reaktsiooni energiabarjääri, kuid ei mõjutanud reaktsiooniteed. Aktiveerimisenergia fenooli oksüdeerimiseks RuI-ga3 katalüsaator ultrahelitöötluse ajal leiti, et see on 13 kJ mol-1, mis oli neli korda väiksem võrreldes vaikiva oksüdatsiooniprotsessiga (57 kJ mol-1). (Rokhina jt, 2010)
Sonokeemilist katalüüsi kasutatakse edukalt keemiatoodete valmistamiseks, samuti mikroni- ja nanostruktuursete anorgaaniliste materjalide, näiteks metallide, sulamite, metalliühendite, mittemetalliliste materjalide ja anorgaaniliste komposiitide tootmiseks. Ultraheli abil PTC tavalised näited on vabade rasvhapete ümberesterdamine metüülestriks (biodiisel), hüdrolüüs, taimeõlide seebistamine, sono-Fentoni reaktsioon (Fentoni-sarnased protsessid), sonokatalüütiline lagunemine jne.
Loe lähemalt sonokatalüüsi ja konkreetsete rakenduste kohta!
Sonikatsioon parandab klikkide keemiat, näiteks asiid-alküüni tsükloadditsioonireaktsioone!
Muud sonokeemilised rakendused
Tänu oma mitmekülgsele kasutamisele, töökindlusele ja lihtsale toimimisele on sonokeemilised süsteemid, näiteks UP400St või UIP2000hdT on hinnatud keemiliste reaktsioonide tõhusaks seadmeks. Hielscher Ultrasonics sonokeemilisi seadmeid saab hõlpsasti kasutada partii (avatud keeduklaas) ja pideva inline ultrahelitöötluse jaoks, kasutades sonokeemilist voolurakku. Sonokeemiat, sealhulgas sonosünteesi, sonokatalüüsi, lagunemist või polümerisatsiooni, kasutatakse laialdaselt keemias, nanotehnoloogias, materjaliteaduses, farmaatsias, mikrobioloogias ja teistes tööstusharudes.
tööstuslik ultrasonikaator UIP2000hdT (2kW) sonokeemilise inline reaktoriga.
Suure jõudlusega sonokeemilised seadmed
Hielscher Ultrasonics on teie parim uuenduslike, tipptasemel ultrasonikaatorite, sonokeemiliste voolurakkude, reaktorite ja tarvikute tarnija tõhusate ja usaldusväärsete sonokeemiliste reaktsioonide jaoks. Kõik Hielscheri ultrasonikaatorid on eranditult projekteeritud, toodetud ja testitud Hielscher Ultrasonics peakontoris Teltowis (Berliini lähedal), Saksamaal. Lisaks kõrgeimatele tehnilistele standarditele ja silmapaistvale töökindlusele ning 24/7/365 operatsioonile väga tõhusaks tööks on Hielscheri ultrasonikaatorid lihtne ja usaldusväärne kasutada. Kõrge efektiivsus, nutikas tarkvara, intuitiivne menüü, automaatne andmete protokollimine ja brauseri kaugjuhtimispult on vaid mõned funktsioonid, mis eristavad Hielscher Ultrasonicsit teistest sonokeemiliste seadmete tootjatest.
Täpselt reguleeritavad amplituudid
Amplituud on nihe sonotrode ees (otsas) (tuntud ka kui ultraheli sond või sarv) ja see on ultraheli kavitatsiooni peamine mõjutav tegur. Suuremad amplituudid tähendavad intensiivsemat kavitatsiooni. Kavitatsiooni nõutav intensiivsus sõltub tugevalt reaktsiooni tüübist, kasutatud keemilistest reaktiividest ja konkreetse sonokeemilise reaktsiooni sihipärastest tulemustest. See tähendab, et amplituud peaks olema täpselt reguleeritav, et häälestada akustilise kavitatsiooni intensiivsus ideaalsele tasemele. Kõiki Hielscheri ultrasonikaatoreid saab usaldusväärselt ja täpselt reguleerida intelligentse digitaalse juhtimise abil ideaalse amplituudiga. Võimendussarved saab täiendavalt kasutada amplituudi mehaaniliseks vähendamiseks või suurendamiseks. Ultraheli’ Tööstuslikud ultraheli protsessorid võivad pakkuda väga kõrgeid amplituudi. Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti pidevalt käivitada 24/7 operatsioonis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Täpne temperatuuri reguleerimine sonokeemiliste reaktsioonide ajal
Kavitatsiooni kuumas kohas võib täheldada äärmiselt kõrgeid temperatuure, mis on paljude tuhandete kraadide Celsiuse järgi. Kuid need äärmuslikud temperatuurid piirduvad lokaalselt implodeeriva kavitatsioonimulli minutilise sisemuse ja ümbrusega. Lahtises lahuses on temperatuuri tõus implosioonist ühe või mõne kavitatsioonimulliga tühine. Kuid pidev, intensiivne ultrahelitöötlus pikema aja jooksul võib põhjustada lahtise vedeliku temperatuuri järkjärgulist tõusu. See temperatuuri tõus aitab kaasa paljudele keemilistele reaktsioonidele ja seda peetakse sageli kasulikuks. Kuid erinevatel keemilistel reaktsioonidel on erinevad optimaalsed reaktsioonitemperatuurid. Kuumustundlike materjalide töötlemisel võib osutuda vajalikuks temperatuuri reguleerimine. Selleks, et võimaldada ideaalseid termilisi tingimusi sonokeemiliste protsesside ajal, pakub Hielscher Ultrasonics erinevaid keerukaid lahendusi täpseks temperatuuri reguleerimiseks sonokeemiliste protsesside ajal, nagu sonokeemilised reaktorid ja jahutussärkidega varustatud voolurakud.
Meie sonokeemilised voolurakud ja reaktorid on saadaval jahutussärkidega, mis toetavad tõhusat soojuse hajutamist. Pidevaks temperatuuri jälgimiseks on Hielscheri ultrasonikaatorid varustatud ühendatava temperatuurianduriga, mida saab vedeliku sisestada lahtise temperatuuri pidevaks mõõtmiseks. Keerukas tarkvara võimaldab seadistada temperatuurivahemikku. Kui temperatuuripiir on ületatud, peatub ultrasonikaator automaatselt, kuni vedeliku temperatuur on langenud teatud määratud punktini ja hakkab automaatselt ultraheliga töötlema. Kõik temperatuuri mõõtmised ja muud olulised ultraheli protsessi andmed salvestatakse automaatselt sisseehitatud SD-kaardile ja neid saab protsessi juhtimiseks hõlpsasti muuta.
Temperatuur on sonokeemiliste protsesside oluline parameeter. Hielscheri välja töötatud tehnoloogia aitab teil hoida oma sonokeemilise rakenduse temperatuuri ideaalses temperatuurivahemikus.
- kõrge kasutegur
- Kaasaegne tehnoloogia
- lihtne ja ohutu kasutada
- Usaldusväärsuse & töökindlus
- partii & Inline
- mis tahes mahu jaoks
- Intelligentne tarkvara
- Nutikad funktsioonid (nt andmete protokollimine)
- CIP (puhas kohapeal)
Sonokeemiline reaktor: Intensiivne ultrahelitöötlus ja sellest tulenev kavitatsioon algatab ja intensiivistab keemilisi reaktsioone ning võib vahetada isegi radu.
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.
Näited ultraheli täiustatud keemilisest reaktsioonist vs tavapärastest reaktsioonidest
Alljärgnev tabel annab ülevaate mitmest levinud keemilisest reaktsioonist. Iga reaktsioonitüübi puhul võrreldakse tavapäraselt käivitatud reaktsiooni vs ultraheli intensiivistunud reaktsiooni saagise ja konversioonikiiruse osas.
| 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% |
(vrd Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Protsessi intensiivistamise alused, esimene väljaanne. Avaldatud 2019 Wiley poolt)
Kirjandus / Viited
- 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.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates Lab kuni tööstuslik suurus.