واکنش‌ها و سنتز سونوشیمیایی
سونوشیمی به کاربرد فراصوت در واکنش‌ها و فرایندهای شیمیایی گفته می‌شود. سازوکار ایجاد اثرات سونوشیمیایی در مایعات، پدیدهٔ کاویتاسیون آکوستیکی است.
دستگاه‌های فراصوتی آزمایشگاهی و صنعتی Hielscher در طیف گسترده‌ای از فرایندهای سونوشیمیایی به کار می‌روند. کاویتاسیون فراصوتی، واکنش‌های شیمیایی مانند سنتز و کاتالیز را تشدید می‌کند و به آن‌ها سرعت می‌بخشد.
واکنش‌های سونوشیمیایی
اثرات سونوشیمیایی زیر را می‌توان در واکنش‌ها و فرایندهای شیمیایی مشاهده کرد:
- افزایش سرعت واکنش
- افزایش میزان محصول واکنش
- استفادهٔ کارآمدتر از انرژی
- روش‌های سونوشیمیایی برای تغییر مسیر واکنش
- بهبود عملکرد کاتالیزورهای انتقال فاز
- حذف نیاز به کاتالیزورهای انتقال فاز
- استفاده از واکنشگرهای خام یا با گرید فنی
- فعال‌سازی فلزات و جامدات
- افزایش واکنش‌پذیری واکنشگرها یا کاتالیزورها (برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ کاتالیز به کمک فراصوت، اینجا کلیک کنید)
- بهبود سنتز ذرات
- پوشش‌دهی نانوذرات
7 هموژنایزر فراصوتی از مدل UIP1000hdT (توان فراصوتی 7x 1kW) که به‌صورت یک مجموعه برای واکنش‌های سونوشیمیایی در مقیاس صنعتی نصب شده‌اند.
مزایای واکنش‌های شیمیایی تشدیدشده با فراصوت
پیشبرد واکنش‌های شیمیایی با فراصوت، روشی تثبیت‌شده برای تشدید فرایند در حوزهٔ سنتز و فرآوری شیمیایی است. این واکنش‌ها با بهره‌گیری از توان امواج فراصوت، مزایای متعددی نسبت به روش‌های متداول دارند و کاتالیز و سنتز شیمیایی را بهبود می‌بخشند. سرعت‌های تبدیل فوق‌العاده بالا، بازده‌های عالی، گزینش‌پذیری بیشتر، بهبود بهره‌وری انرژی و کاهش اثرات زیست‌محیطی، از مزایای اصلی واکنش‌های سونوشیمیایی هستند.
جدول زیر برخی از مزایای برجستهٔ واکنش‌های پیش‌برده‌شده با فراصوت را در مقایسه با واکنش‌های شیمیایی متداول نشان می‌دهد:
| واکنش | زمان واکنش روش متداول |
زمان واکنش فراصوت |
بازده روش متداول (%) |
بازده فراصوت (%) |
|---|---|---|---|---|
| حلقه‌زایی دیلز–آلدر | 35 h | 3٫5 h | 77٫9 | 97٫3 |
| اکسایش ایندان به ایندان-1-اون | 3 h | 3 h | کمتر از 27% | 73% |
| کاهش متوکسی‌آمینوسیلان | بدون واکنش | 3 h | 0% | 100% |
| اپوکسیداسیون استرهای چرب غیراشباع با زنجیرهٔ بلند | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| اکسایش آریل‌آلکان‌ها | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| افزایش مایکلِ نیتروآلکان‌ها به استرهای غیراشباع α,β تک‌جانشین‌شده | 2 روز | 2 h | 85% | 90% |
| اکسایش 2-اکتانول با پرمنگنات | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| سنتز کالکون‌ها با تراکم کلایزن–اشمیت | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| جفت‌شدن اولمانِ 2-یدونیتروبنزن | 2 h | 2h | کمتر از 1٫5% | 70٫4% |
| واکنش رفورماتسکی | 12h | 30 min | 50% | 98% |
کاویتاسیون فراصوتی در مایعات
کاویتاسیون عبارت است از تشکیل، رشد و فروپاشی انفجاریِ رو به داخلِ حباب‌ها در یک مایع. فروپاشی کاویتاسیونی، گرمایش موضعی شدید (~5000 K)، فشارهای بالا (~1000 atm)، نرخ‌های بسیار زیاد گرمایش و سرمایش (>10⁹ K/sec) و جریان‌های جت مایع (~400 km/h) ایجاد می‌کند. (Suslick 1998)
کاویتاسیون با استفاده از UIP1000hd:
حباب‌های کاویتاسیون، حباب‌های خلأ هستند. خلأ بر اثر وجود سطحی با حرکت سریع در یک سمت و مایعی لَخت در سمت دیگر ایجاد می‌شود. اختلاف فشارهای حاصل، بر نیروهای هم‌چسبی و دگرچسبی درون مایع غلبه می‌کنند.
کاویتاسیون را می‌توان به روش‌های مختلفی، از جمله با نازل‌های ونتوری، نازل‌های پرفشار، چرخش با سرعت بالا یا مبدل‌های فراصوتی ایجاد کرد. در تمامی این سامانه‌ها، انرژی ورودی به اصطکاک، آشفتگی، امواج و کاویتاسیون تبدیل می‌شود. سهمی از انرژی ورودی که به کاویتاسیون تبدیل می‌شود، به چندین عامل بستگی دارد که حرکت تجهیزات مولد کاویتاسیون در مایع را توصیف می‌کنند.
شدت شتاب یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر تبدیل کارآمد انرژی به کاویتاسیون است. شتاب بیشتر، اختلاف فشارهای بیشتری ایجاد می‌کند. این امر به نوبهٔ خود، احتمال تشکیل حباب‌های خلأ را به‌جای ایجاد امواج منتشرشونده در مایع افزایش می‌دهد. بنابراین، هرچه شتاب بیشتر باشد، سهم بیشتری از انرژی به کاویتاسیون تبدیل می‌شود. در مورد مبدل فراصوتی، شدت شتاب با دامنهٔ نوسان توصیف می‌شود.
دامنه‌های بالاتر موجب ایجاد مؤثرتر کاویتاسیون می‌شوند. دستگاه‌های صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌هایی تا 115 µm ایجاد کنند. این دامنه‌های بالا، نسبت انتقال توان بالایی را امکان‌پذیر می‌سازند که به نوبهٔ خود، ایجاد چگالی‌های توان بالا تا 100 W/cm³ را ممکن می‌کند.
علاوه بر شدت، مایع باید به‌گونه‌ای شتاب بگیرد که اتلاف ناشی از آشفتگی، اصطکاک و تولید موج به حداقل برسد. برای این منظور، جهت حرکت یک‌طرفه، حالت بهینه است.
راکتور فراصوتی با توان 16٬000 وات برای ترانس‌استریفیکاسیون درون‌خطی تقویت‌شده به روش سونوشیمیایی.
- تهیهٔ فلزات فعال‌شده با کاهش نمک‌های فلزی
- تولید فلزات فعال‌شده با فراصوت‌دهی
- سنتز سونوشیمیایی ذرات از طریق رسوب‌دهی اکسیدهای فلزی (Fe, Cr, Mn, Co)، برای مثال جهت استفاده به‌عنوان کاتالیزور
- آغشته‌سازی پایه‌ها با فلزات یا هالیدهای فلزی
- تهیهٔ محلول‌های فلزی فعال‌شده
- واکنش‌های شامل فلزات از طریق گونه‌های آلی‌عنصریِ تولیدشده درجا
- واکنش‌های شامل جامدات غیرفلزی
- تبلور و رسوب‌دهی فلزات، آلیاژها، زئولیت‌ها و سایر جامدات
- اصلاح ریخت‌شناسی سطح و اندازهٔ ذرات با برخوردهای بین‌ذره‌ای با سرعت بالا
- تشکیل مواد نانوساختار آمورف، شامل فلزات واسطه با مساحت سطح بالا، آلیاژها، کاربیدها، اکسیدها و کلوئیدها
- کلوخه‌شدن بلورها
- هموارسازی و حذف پوشش اکسیدی غیرفعال‌کننده
- ریز‌دست‌کاری (جزءبه‌جزءسازی) ذرات کوچک
- پراکنش جامدات
- تهیهٔ کلوئیدها (Ag، Au، CdS با اندازهٔ کوانتومی)
- درون‌لایه‌نشانی مولکول‌های مهمان در جامدات لایه‌ای معدنی میزبان
- سونوشیمی پلیمرها
- تخریب و اصلاح پلیمرها
- سنتز پلیمرها
- سونولیز آلاینده‌های آلی در آب
تجهیزات سونوشیمیایی
بیشتر فرایندهای سونوشیمیایی ذکرشده را می‌توان با اصلاح تجهیزات موجود، برای کارکرد درون‌خطی سازگار کرد. خوشحال می‌شویم در انتخاب تجهیزات سونوشیمیایی متناسب با نیازهای فرآوری شما کمک کنیم. برای پژوهش و آزمودن فرایندها، دستگاه‌های آزمایشگاهی ما یا مجموعهٔ UIP1000hdT را توصیه می‌کنیم.
در صورت نیاز، دستگاه‌ها و راکتورهای فراصوتی دارای گواهی FM و ATEX (برای مثال UIP1000-Exd) برای فراصوت‌دهی مواد شیمیایی و فرمولاسیون‌های محصولاتِ قابل‌اشتعال در محیط‌های خطرناک در دسترس هستند.
کاویتاسیون فراصوتی واکنش‌های بازشدن حلقه را تغییر می‌دهد
فراصوت‌دهی سازوکاری جایگزینِ گرما، فشار، نور یا الکتریسیته برای آغاز واکنش‌های شیمیایی است. Jeffrey S. Moore، Charles R. Hickenboth و تیم آن‌ها در دانشکدهٔ شیمی دانشگاه ایلینوی در اوربانا–شمپین از توان فراصوتی برای آغاز و دست‌کاری واکنش‌های بازشدن حلقه استفاده کردند. تحت فراصوت‌دهی، واکنش‌های شیمیایی محصولاتی متفاوت با محصولات پیش‌بینی‌شده بر اساس قواعد تقارن اوربیتالی تولید کردند (Nature 2007, 446, 423). این گروه ایزومرهای بنزوسیکلوبوتنِ 1,2-دی‌جانشین‌شده و حساس به تحریک مکانیکی را به دو زنجیرهٔ پلی‌اتیلن گلیکول متصل کرد، انرژی فراصوتی اعمال کرد و محلول‌های توده‌ای را با استفاده از طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای C13 تجزیه‌وتحلیل کرد. طیف‌ها نشان دادند که هر دو ایزومر سیس و ترانس، محصول یکسانی با حلقهٔ بازشده به دست می‌دهند؛ همان محصولی که از ایزومر ترانس انتظار می‌رود. درحالی‌که انرژی حرارتی موجب حرکت براونی تصادفی واکنش‌دهنده‌ها می‌شود، انرژی مکانیکی فراصوت‌دهی به حرکت‌های اتمی جهت می‌دهد. بنابراین، اثرات کاویتاسیونی با ایجاد کرنش در مولکول، انرژی را به‌طور مؤثر هدایت می‌کنند و شکل سطح انرژی پتانسیل را تغییر می‌دهند.
سونیکاتورهای پروبی مانند UP400St سنتز نانوذرات را تشدید می‌کنند. مسیر سونوشیمیایی ساده، مؤثر و سریع است و با مواد شیمیایی غیرسمی در شرایط ملایم عمل می‌کند.
سونیکاتورهای با عملکرد بالا برای سونوشیمی
Hielscher Ultrasonics پردازشگرهای فراصوتی را برای آزمایشگاه و صنعت عرضه می‌کند. تمامی سونیکاتورهای Hielscher دستگاه‌های فراصوتی بسیار قدرتمند و مستحکمی هستند و برای کارکرد پیوستهٔ 24/7 تحت بار کامل ساخته شده‌اند. کنترل دیجیتال، تنظیمات قابل‌برنامه‌ریزی، پایش دما، ثبت خودکار داده‌ها و کنترل از راه دور از طریق مرورگر، تنها چند مورد از قابلیت‌های سونیکاتورهای Hielscher هستند. تجهیزات Hielscher Ultrasonics برای عملکرد بالا و کاربری راحت طراحی شده‌اند و کاربران برای کاربری ایمن و آسان آن‌ها ارزش قائل‌اند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher دامنه‌هایی تا 200µm ارائه می‌دهند و برای کاربردهای سنگین ایدئال هستند. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنش، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- 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 هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را از مقیاس آزمایشگاهی تا ابعاد صنعتی تولید می‌کند.