Sonokeemia on keemia valdkond, kus kasutatakse kõrge intensiivsusega ultraheli keemiliste reaktsioonide (süntees, katalüüs, lagunemine, polümerisatsioon, hüdrolüüs jne) esilekutsumiseks, kiirendamiseks ja modifitseerimiseks. Ultraheli genereeritud kavitatsioonile on iseloomulikud unikaalsed energiatihedad tingimused, mis soodustavad ja intensiivistavad keemilisi reaktsioone. Kiiremad reaktsioonikiirused, suurem saagikus ja roheliste, leebemate reaktiivide kasutamine muudavad sonokeemia väga soodsaks vahendiks, et saavutada paremad keemilised reaktsioonid.

Sonokheemia

Sonokeemia on uurimis- ja töötlemisvaldkond, kus molekulid läbivad keemilise reaktsiooni suure intensiivsusega ultraheliuuringu (nt 20 kHz) rakendamise tõttu. Sonokeemiliste reaktsioonide eest vastutav nähtus on akustiline kavitatsioon. Akustiline või ultraheli kavitatsioon tekib siis, kui võimsad ultraheli lained on seotud vedeliku või läga. Vedeliku võimsuse ultraheli lainete põhjustatud vahelduvate kõrgsurve / madala rõhu tsüklite tõttu tekivad vaakummullid (kavitatsioonilised tühimikud), mis kasvavad mitme survetsükli jooksul. Kui kavitatsiooniline vaakummull jõuab teatud suuruseni, kus see ei suuda rohkem energiat absorbeerida, plahvatab vaakummull vägivaldselt ja loob väga energiatiheda kuuma koha. Seda kohapeal esinevat kuuma kohta iseloomustavad väga kiirete vedelate reaktiivlennukite väga kõrged temperatuurid, rõhk ja mikrovoogesitus.

Akustiline kavitatsioon ja suure intensiivsusega ultraheliuuringu mõjud

Akustilist kavitatsiooni, mida sageli nimetatakse ka ultraheli kavitatsiooniks, saab eristada kaheks vormiks, stabiilseks ja mööduvaks kavitatsiooniks. Stabiilse kavitatsiooni ajal võnkub kavitatsioonimull mitu korda oma tasakaaluraadiuse ümber, samas kui mööduva kavitatsiooni ajal, kus lühiajaline mull läbib mõne akustilise tsükli jooksul dramaatilisi mahumuutusi ja lõpeb vägivaldse kokkuvarisemisega (Suslick 1988). Lahuses võib samaaegselt tekkida stabiilne ja mööduv kavitatsioon ning stabiilset kavitatsiooni läbiv mull võib muutuda mööduvaks õõnsuseks. Mulli implosioon, mis on iseloomulik mööduvale kavitatsioonile ja suure intensiivsusega ultrahelitöötlusele, loob erinevaid füüsilisi tingimusi, sealhulgas väga kõrge temperatuur 5000–25 000 K, rõhk kuni mitu 1000 baari ja vedelad voolud kiirusega kuni 1000 m/s. Kuna kavitatsioonimullide kokkuvarisemine/implosioon toimub vähem kui nanosekundiga, on väga kõrge kütte- ja jahutuskiirus üle 10¹¹ K/s võib täheldada. Sellised kõrged küttekiirused ja rõhuerinevused võivad reaktsioone käivitada ja kiirendada. Mis puutub tekkivatesse vedelatesse voogudesse, siis need kiired mikroreaktiivid näitavad eriti suurt kasu heterogeensete tahke-vedelate läga puhul. Vedelad joad mõjutavad pinda kokkuvarisva mulli täistemperatuuri ja rõhuga ning põhjustavad erosiooni interparticle kokkupõrke ja lokaliseeritud sulamise kaudu. Sellest tulenevalt täheldatakse lahuses oluliselt paranenud massiülekannet.

Ultraheli kavitatsioon tekib kõige tõhusamalt vedelikes ja lahustites, mis on madala aururõhuga. Seetõttu on madala aururõhuga andmekandjad soodsad sonokeemilisteks rakendusteks.
Ultraheli kavitatsiooni tulemusena võivad loodud intensiivsed jõud vahetada reaktsiooniteid tõhusamatele marsruutidele, nii et välditakse täielikumaid konversioone ja /või soovimatute kõrvalsaaduste tootmist.
Kavitatsioonimullide kokkuvarisemisest tulenevat energiatihedat ruumi nimetatakse kuumaks kohaks. Madalsageduslik, suure võimsusega ultraheli vahemikus 20kHz ja võime luua kõrgeid amplituudid on hästi loodud intensiivsete kuumade laikude ja soodsate sonokeemiliste tingimuste loomiseks.

Ultraheli laboriseadmed ja tööstuslikud ultraheli reaktorid kaubanduslike sonokeemiliste protsesside jaoks on kergesti kättesaadavad ja tõestatud usaldusväärse, tõhusa ja keskkonnasõbralikuna laboris, piloodis ja täielikult tööstuslikus mastaabis. Sonokeemilisi reaktsioone võib teostada partiina (st avatud anuma) või tekstisisese protsessina suletud vooluraku reaktori abil.

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 intensiivsest ultrahelitöötlusest tulenevad sonokeemilised mõjud võivad põhjustada molekulide lõhenemist, vabade radikaalide loomist ja/või keemiliste radade vahetamist. Seetõttu kasutatakse sonokeemilist sünteesi intensiivselt mitmesuguste nanostruktuuriga materjalide valmistamiseks või modifitseerimiseks. Sonosünteesi teel toodetud nanomaterjalide näited on nanoosakesed (nt kuldsed PÕLV-d, hõbedased PÕLV-d), pigmendid, südamiku nanoosakesed, nanohüdroksüapatiit, metallist orgaanilised raamistikud (MOFid), aktiivsed farmatseutilised koostisosad (API-d), mikrosfääriga kaunistatud nanoosakesed, nanokomposiidid paljude teiste materjalide hulgas.
Näited: Rasvhapete metüülestrite ultraheli ümberesterdamine (biodiisel) või polüoolide ümberesterdamine ultraheli abil.

TEM-kujutis (A) ja selle osakeste suuruse jaotus (B) hõbeda nanoosakestest (Ag-NPd), mis on optimaalsetes tingimustes sonokeemiliselt sünteesitud.

Samuti kasutatakse laialdaselt ultraheli propageeritud kristalliseerumist (sono-kristalliseerumist), kus võimsus-ultraheli kasutatakse üleküllastunud lahenduste tootmiseks, kristalliseerumise / sademete algatamiseks ning kristalli suuruse ja morfoloogia kontrollimiseks ultraheli protsessi parameetrite kaudu. Sono-kristalliseerumise kohta lisateabe saamiseks klõpsake siin!

Sono-katalüüs

Keemilise suspensiooni või lahuse sonicating võib oluliselt parandada katalüütilisi reaktsioone. Sonokeemiline energia vähendab reaktsiooniaega, parandab soojuse ja massi ülekannet, mille tulemuseks on seejärel keemilise kiiruse konstantide, saagiste ja selektiivsuse suurenemine.
On palju katalüütilisi protsesse, mis saavad oluliselt kasu võimsuse ultraheli ja selle sonokeemiliste mõjude rakendamisest. Mis tahes heterogeense faasiülekande katalüüsi (PTC) reaktsioon, mis hõlmab kahte või enamat jäljendamatut vedelikku või vedelat tahket koostist, saab kasu ultrahelitöötlusest, sonokeemilisest energiast ja paremast massiülekandest.
Näiteks näitas fenooli vaikse ja ultraheliga toetatud katalüütilise märja peroksiidi oksüdatsiooni võrdlev analüüs, et ultrahelitöötlus vähendas reaktsiooni energiabarjääri, kuid ei mõjutanud reaktsiooniteed. Aktiveerimisenergia fenooli oksüdeerimiseks RuI kohal₃ ultrahelitöötluse ajal leiti, et katalüsaator on 13 kJ mol^-1, mis oli vaikse oksüdatsiooniprotsessiga võrreldes neli korda väiksem (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonokeemilist katalüüsi kasutatakse edukalt keemiatoodete valmistamiseks ning mikro- ja nanostruktuuriga anorgaaniliste materjalide, nagu metallid, sulamid, metalliühendid, mittemetallilised materjalid ja anorgaanilised komposiidid, tootmiseks. Ultraheli abiga PTC tavalised näited on vabade rasvhapete ümberesterdamine metüülestriks (biodiisel), hüdrolüüs, taimeõlide seebistamine, sono-Fentoni reaktsioon (Fentoni-laadsed protsessid), sonokatalüütiline lagunemine jne.
Loe lähemalt sono-katalüüs ja konkreetsed rakendused kohta!
Ultrahelitöötlus parandab klikikeemiat, näiteks asiid-alküüni tsükloadditionatsiooni reaktsioone!

Muud sonokeemilised rakendused

Tänu oma mitmekülgsele kasutamisele, töökindlusele ja lihtsale toimimisele on sonokeemilised süsteemid, nagu UP400St või UIP2000hdT on hinnatud keemiliste reaktsioonide tõhusate seadmetena. Hielscher Ultrasonics sonokeemilisi seadmeid saab hõlpsasti kasutada partii (avatud keeduklaasi) ja pideva tekstisisese ultrahelitöötluse jaoks, kasutades sonokeemilist voolurakku. Sonokeemiat, sealhulgas sonosünteesi, sono-katalüüsi, lagunemist või polümerisatsiooni kasutatakse laialdaselt keemias, nanotehnoloogias, materjaliteaduses, farmaatsiatoodetes, mikrobioloogias ja muudes tööstusharudes.

Suure jõudlusega sonokeemilised seadmed

Hielscher Ultrasonics on teie uuenduslike, tipptasemel ultrasonikaatorite, sonokeemilise vooluraku, reaktorite ja tarvikute peamine 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 lihtsasti ja usaldusväärsed. Kõrge efektiivsus, nutikas tarkvara, intuitiivne menüü, automaatne andmete protokollimine ja brauseri kaugjuhtimine on vaid mõned funktsioonid, mis eristavad Hielscher Ultrasonicsi teistest sonokeemiliste seadmete tootjatest.

Täpselt reguleeritavad amplituudid

Amplituud on sonotrode eesmise (otsa) nihkumine (tuntud ka kui ultraheli sond või sarv) ja see on ultraheli kavitatsiooni peamine mõjutav tegur. Kõrgemad amplituudid tähendavad intensiivsemat kavitatsiooni. Kavitatsiooni nõutav intensiivsus sõltub tugevalt reaktsiooni tüübist, kasutatavatest 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 kaudu ideaalse amplituudiga. Booster sarved saab täiendavalt kasutada amplituudi vähendamiseks või suurendamiseks mehaaniliselt. Ultraheli’ tööstuslikud ultraheli protsessorid võivad pakkuda väga kõrgeamplituudi. Amplituude kuni 200 μm saab kergesti pidevalt käivitada 24 / 7 operatsiooni. Isegi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.

Täpne temperatuuri reguleerimine sonokeemiliste reaktsioonide ajal

Kavitatsiooni kuumas kohas võib täheldada äärmiselt kõrgeid temperatuure tuhandeid kraadi Celsiuse järgi. Kuid need äärmuslikud temperatuurid piirduvad lokaalselt minuti sisemuse ja plahvatava kavitatsioonimulli ümbrusega. Puistelahuses tõuseb temperatuur implosioonist üks või paar kavitatsioonimulli on 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. Kuumatundlike materjalide töötlemisel võib olla vajalik temperatuuri reguleerimine. Selleks, et võimaldada ideaalseid termilisi tingimusi sonokeemiliste protsesside ajal, pakub Hielscher Ultrasonics erinevaid keerulisi lahendusi täpse temperatuuri reguleerimiseks sonokeemiliste protsesside ajal, nagu sonokeemilised reaktorid ja jahutusjakkidega varustatud voolurakud.
Meie sonokeemilised voolurakud ja reaktorid on saadaval jahutusjakkidega, mis toetavad tõhusat soojuse hajumist. Pideva temperatuuri jälgimiseks on Hielscheri ultrasonikaatorid varustatud ühendatava temperatuurianduriga, mida saab sisestada vedelikku 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 uuesti ultraheliga. 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 väljatöötatud tehnoloogia aitab teil hoida oma sonokeemilise rakenduse temperatuuri ideaalses temperatuurivahemikus.

Alljärgnev tabel annab teile ülevaate meie ultrahelihitiste ligikaudse töötlemisvõimsusest: