Ultraheli abil toetatud katalüütiline ekstraheerimine

Hielscheri ultraheli reaktoreid kasutatakse paljudes tööstusharudes katalüütilise ekstraheerimise protsessi (CEP) ehk niinimetatud faasiülekande ekstraheerimise (PTE) toetamiseks ja parandamiseks. Katalüütiline ekstraheerimine hõlmab heterogeenset segunematute faaside süsteemi, näiteks vedelik-vedelik või vedelik-tahke aine. Ultraheli tekitatud tugevad nihkejõud ja kavitatsioonijõud parandavad lahustunud ainete lahustumiskiirust oluliselt, mis viib kiirema ja täielikuma ekstraheerimiseni. Lisaks saab seda mõju kasutada kasutatava lahusti või happe koguse vähendamiseks. Ultraheli abil toetatud ekstraheerimist kasutatakse tõestatud meetodina üha enam, kuna kasvab nõudlus keskkonnasõbralike ekstraheerimismeetodite järele, mille puhul on ekstraheerimisaeg lühem ja orgaanilise lahusti tarbimine väiksem.

Katalüütiline ekstraheerimine/faasiülekande ekstraheerimine – alused

Termin „katalüütilise ekstraheerimise protsess (CEP) ehk faasiülekande ekstraheerimine (PTE)“ kirjeldab vedelik-vedelik või tahke aine-vedelik jaotumist, kui põhirõhk on analüütide ekstraheerimisel ja eemaldamisel. Seetõttu tuleb vedel või tahke lahusti (diluent) dispergeerida/emulgeerida lahustisse (vedelasse faasi). Terminiga „ekstraktant“ tähistatakse ainult lahustis sisalduvat toimeainet (st homogeenset „orgaanilist faasi“, mis sisaldab ekstraktanti, diluenti ja/või modifikaatorit), mis vastutab peamiselt lahustunud aine ülekande eest „vesifaasist“ „orgaanilisse“ faasi. [IUPAC]. Ekstraheeritavat sihtainet nimetatakse ekstraktiks.
Traditsioonilised ekstraheerimismeetodid, nagu Soxhleti ekstraheerimine, maseratsioon, mikrolaineekstraheerimine, perkolatsioon, ekstraheerimine tagasivoolu all ja veeaurudestillatsioon või turboekstraheerimine, on sageli aeglased ja ebaefektiivsed ja/või nõuavad suurt kogust ohtlikke lahusteid, mis teeb protsessi kulukaks, aeganõudvaks ja keskkonnale kahjulikuks.
Ultraheli on tõestatud alternatiiv tavapärastele ekstraheerimismeetoditele, mis tagab kiirema ja täielikuma ekstraheerimise väiksema koguse ohtlike lahustitega või ilma nendeta! Ultraheli on võimas meetod rohelisele, keskkonnasõbralikule töötlemisele.

Ultraheli abil toetatud katalüütilise ekstraheerimise põhimõte

Aine ekstraheerimiseks tuleb segunematud faasid omavahel segada, et ekstraheeritavat ainet saaks kandjafaasist lahustada lahustifaasi. Kõige sagedamini viiakse faasiülekande ekstraheerimine läbi dispersioonifaasist pidevasse faasi, mis tähendab, et tilgad ja osakesed tuleb lahustis homogeenselt dispergeerida.
Võimas ultraheli on tuntud segamis- ja ekstraheerimistehnoloogia, millel on ekstraheerimisprotsessile mitu positiivset mõju:

Ultraheliekstraktsiooni eelised:

• piirikihtide lõhkumine
• van der Waalsi jõudude ületamine
• küllastumata vedeliku liigutamine kontaktpinnale
• ülekandeagentide vajaduse vähendamine või kõrvaldamine
• aja, temperatuuri ja/või kontsentratsiooni vähendamine
• väiksem liig võrreldes täielikuks küllastumiseks vajaliku mahuga
• väiksem puhastatav maht (nt destilleerimise, aurustamise või kuivatamise teel)
• pidevalt segatavaid reaktoreid (CSR) pole vaja
• energia säästmine
• ei mingit partiitöötlust, vaid in-line töötlus
• vähem happelise või odavama lahusti kasutamine
• lahustite vältimine, selle asemel vesilahuse kasutamine
• suure tahkisesisaldusega või suure viskoossusega suspensioonide töötlemine
• roheline töötlus: keskkonnasõbralik
• orgaaniliste hapete, näiteks õunhappe või sidrunhappe kasutamine
• mitmeastmeliste ekstraktsiooniprotsesside vältimine

Vedelik-vedelik ekstraktsioon

Tavapärane protsess: Vedelik-vedelik ekstraktsioon on jaotusmeetod ainete ekstraheerimiseks ühest vedelfaasist teise vedelfaasi, tuginedes ainete suhtelisele lahustuvusele kahes erinevas segunematus vedelfaasis. Ultraheli kasutamine parandab kiirust, millega lahustunud aine kahe faasi vahel liigub, tänu suure jõudlusega segamisele, emulgeerimisele ja lahustamisele!
Vedelik-vedelik ekstraktsioon on eraldustehnika väärtuslike komponentide isoleerimiseks ja kontsentreerimiseks vesilahusest orgaanilise lahusti abil. Vedelik-vedelik ekstraktsiooni kasutatakse sageli siis, kui muud eraldustehnikad (nt destilleerimine) on ebatõhusad. Vedelik-vedelik ekstraktsiooni kasutatakse farmaatsia- ja kosmeetikatööstuses (toimeained, API-d, lõhnaained), samuti toidu- ja põllumajandustööstuses, orgaanilises ja anorgaanilises keemias, naftakeemiatööstuses ning hüdrometallurgias.

Probleem: Levinud probleem on vedelfaaside segunematus (lahusti ja lahjendi ei segune), mistõttu on vaja sobivat segamismeetodit. Kuna mõlema vedelfaasi ühtlane segamine soodustab faasiülekannet lahjendi ja lahusti vahel, on usaldusväärne dispergeerimis- või emulgeerimismeetod ülioluline. Mida peenem on segu ja mida suurem on kontaktpind mõlema faasi vahel, seda paremini saab lahusti liikuda ühest vedelfaasist teise vedelfaasi. Tavapärastel ekstraktsiooniprotsessidel puudub enamasti massiülekande soodustamine, mistõttu on ekstraktsiooniprotsess aeglane ja sageli mittetäielik. Ekstraktsiooni parandamiseks kasutatakse sageli liigses koguses lahustit, mis muudab protsessi kalliks ja keskkonda saastavaks.

 
Lahendus: Ultraheli vedelik-vedelik ekstraktsioon ületab traditsioonilised vedelik-vedelik ekstraktsioonitehnikad mitmes punktis:
Võimas ultraheli segab kaks või enam vedelfaasi usaldusväärselt ja lihtsalt omavahel. Ultraheli töötlusega (sonikeerimisega) saab tilgad vähendada nanosuuruseni, nii et peened mikro- ja nanoemulsioonid saadakse. Seejuures soodustavad tekkivad kavitatsioonijõud massiülekannet vedelfaaside vahel. Kuna sonikeerimist saab läbi viia pidevas in-line süsteemis, saab töödelda suuri koguseid ja väga viskoosseid vedelikke probleemideta.
Kuid ka mikroekstraktsiooni, nt analüütilistel eesmärkidel, saab sonikeerimisega parandada (nt ioonvedelikul põhinev mikroekstraktsioon ultraheli abil emulgeerimisega).

Ultraheliekstraktsiooni eelised:
Võimsad ultrahelijõud – mida tekitab madala sagedusega/ suure võimsusega ultraheli – aitavad

• tilkade kuju muuta
• vältida emulsiooni ülekandeaineid või amfifiilseid katalüsaatoreid
• vältida detergentide või pindaktiivsete ainete kasutamist
• vältida amfifiilseid katalüsaatoreid, detergente või pindaktiivseid aineid
• tekitada turbulentseid ebastabiilseid emulsioone ilma pindaktiivse aine kihtideta

Ultraheliga parandatud tahke-vedel ekstraktsioon

Tahke-vedel ekstraktsiooni ehk tahkefaasilise ekstraktsiooni (SPE) eesmärk on eraldada analüüdid, mis on vedelas segus lahustunud või suspendeerunud, ning isoleerida need maatriksist vastavalt nende füüsikalistele ja keemilistele omadustele. Selleks elueeritakse isolaat sorbendist sobiva lahusti abil. Ekstraheeritud ainet nimetatakse „elute“.
Tavapärased SPE-tehnikad on maatseratsioon, Soxhleti ekstraktsioon, perkolatsioon, tagasijooksu ja aurudestillatsiooni kombinatsioon või kiire segamine/ turbo-ekstraktsioon. Tahke-vedel ekstraktsioon on levinud meetod ühendite eraldamiseks bioloogias, keemias ning toidu-, farmaatsia- ja kosmeetikatööstuses. Metallide ekstraktsiooni nimetatakse ka leostamiseks.
Probleem: Tavapärased SPE-tehnikad on teadaolevalt ajamahukad ja nõuavad suhteliselt suuri lahustikoguseid, mis on enamasti keskkonnale ohtlikud ja saastavad. Kõrged protsessitemperatuurid võivad isegi viia termiliselt tundlike ekstraktide hävimiseni.
Lahendus: Ultraheli abil toetatud tahke-vedel ekstraktsiooniga saab tavapärase SPE levinud probleemid tavaliselt ületada. Kuna sonikeerimine tagab tahkete osakeste peene jaotumise lahustifaasis, on saadaval suurem faasidevaheline piir, mistõttu sihtaine massiülekanne lahustisse paraneb. Selle tulemusel on ekstraktsioon kiirem ja täielikum, samal ajal kui lahusti kasutust vähendatakse või see välditakse täielikult (selle asemel kasutatakse vedela faasina vett). Võimsa ultraheli rakendamisega saab tahkefaasilist ekstraktsiooni teha tõhusamalt, ökonoomsemalt ja keskkonnasõbralikumalt. Saastavate või ohtlike lahustite vähendamise või vältimise tõttu võib ultraheliekstraktsiooni pidada keskkonnasõbralikuks roheliseks protsessiks. Majanduslikult vähenevad protsessikulud energia, lahusti ja aja kokkuhoiu tõttu.

Ultraheliga lahustiekstraktsioon

Lahustiekstraktsiooni korral kasutatakse lahustit (nt orgaanilist lahustit), et lahustada ja eraldada ühend mõnest teisest vedelikust (nt vesifaasist). Üldiselt lahustuvad polaarsemad lahustunud ained polaarsemas lahustis ja vähem polaarsed lahustunud ained vähem polaarses lahustis. Lahustiekstraktsiooni abil on võimalik eraldada oksüdeeritud tiofeene (sulfoksiide, sulfoone) õlifaasist, kasutades atsetonitriili või muid polaarseid lahusteid. Lahustiekstraktsiooni kasutatakse ka selliste materjalide nagu uraan, plutoonium või toorium ekstraheerimiseks happelistest lahustest orgaanilisse fosfaati tri-n-butüülfosfaati (PUREX-protsess).
Vähendage oma lahustikasutust: Ultraheli kasutamine minimeerib lahustite kasutamist protsessis ja optimeerib toote sisalduse lahustis. Samuti viib see kiirema ja täielikuma ekstraktsioonini.
Klõpsake siia, et lugeda lähemalt ultraheli abil toetatud oksüdatiivse väävlitustamise kohta!

Ultraheli abil toetatud Soxhleti ekstraktsioon

Soxhleti ekstraktsioon on tahke-vedel ekstraktsioonitehnika, mida kasutatakse sageli sünteesi- ja analüütilistes laborites. Soxhleti ekstraktsiooni rakendatakse peamiselt siis, kui aine lahustuvus lahustis on ainult piiratud ja lisand on selles lahustis lahustumatu.
Ultraheli on võimalik väga edukalt kombineerida Soxhleti ekstraktsiooniga, mille tulemuseks on suuremad saagised ja lühem ekstraktsiooniaeg.
Palun klõpsake siia, et lugeda lähemalt ultraheli abil toetatud Soxhleti ekstraktsiooni kohta!

Ekstraheerimine sulamites ultraheli töötlusega

Vedelik-vedelik ekstraheerimist saab teostada segudes, kus kas üks või mõlemad vedelikufaasid on sulamid, näiteks sulasoolad või sulametallid, nagu elavhõbe. Võimas in-line ultraheli töötlus ultraheli läbivoolukamberreaktorites võimaldab töödelda isegi suure viskoossusega vedelikke, näiteks sulameid.

Ultraheli abil toetatud leostamine

Leostamine tähendab hapete, lahustite või kuuma vee kasutamist lahustunud aine selektiivseks lahustamiseks inertselt lahustumatult tahkelt kandjalt. Leostamist kasutatakse sageli kaevandustööstuses metallide ekstraheerimiseks maakidest.
Ultraheli abil leostamise eelised:

• poorsete materjalide väikeste avade pesemine
• membraanide selektiivsuse ületamine
• tahkete osakeste hävitamine, delamineerimine ja deaglomeratsioon
• passiivsete kihtide eemaldamine
• oksiidikihtide eemaldamine
• kogu materjali pinna märgamine, eriti suure pindpinevusega vedelike puhul
• nihkevedeldumine

Klõpsake siia, et lugeda rohkem ultraheli abil leostamise kohta!

Hielscheri sonikaatorid mis tahes tootmismahule

Ultraheli töötlus laboris, lauaseadmete ja tootmismastaabis: kõik Hielscheri ultraheliseadmed on ehitatud töötama 24 tundi ööpäevas, 7 päeva nädalas, ja isegi ultraheli laborihomogenisaatorid suudavad töödelda märkimisväärseid mahtusid kas partiidena või läbivoolurežiimis. Lauaseadmed ja tööstuslikud ultrahelisonikaatorid on kavandatud ja ehitatud tööstuslikus klassis, nii et suuri mahtusid ja suuri viskoossusi on võimalik töödelda probleemideta – isegi nõudlikes tingimustes, näiteks kõrge rõhu ja kõrge temperatuuri korral (nt koos ülekriitilise CO2-ga, ekstrusiooniprotsessides jne). Hielscheri töökindlad ultrahelisonikaatorid suudavad käsitleda lahusteid, abrasiivseid vedelikke ja korrosiivseid aineid. Sobivad lisatarvikud võimaldavad ultrahelisüsteemi optimaalselt kohandada ekstraheerimisprotsessi nõuetega. Ohtlikesse keskkondadesse paigaldamiseks on ATEX- või FM-klassifikatsiooniga plahvatuskindlad ultrahelisüsteemid saadaval.
Seega võimaldavad Hielscheri töökindlad ja võimsad sonikaatorid ning lai lisatarvikute valik töödelda ultraheliga selliseid materjale nagu kuum vesi/vedelikud, happed, metallisulamid, soolasulamid, lahustid (nt metanool, heksaan; orgaanilised, polaarsed lahustid, nt atsetonitriil).

Vooskeem: ultraheli faasidevahelise ekstraheerimise etapid