سونوشیمی و راکتورهای سونوشیمیایی
سونوشیمی شاخه‌ای از شیمی است که در آن از فراصوت با شدت بالا برای القا، تسریع و اصلاح واکنش‌های شیمیایی (سنتز، کاتالیز، تخریب، پلیمریزاسیون، هیدرولیز و غیره) استفاده می‌شود. کاویتاسیون ایجادشده با فراصوت با شرایط منحصربه‌فردی با چگالی انرژی بالا مشخص می‌شود که واکنش‌های شیمیایی را پیش می‌برد و تشدید می‌کند. سرعت بالاتر واکنش، بازده بیشتر و استفاده از واکنشگرهای سبز و ملایم‌تر، سونوشیمی را به ابزاری بسیار سودمند برای بهبود واکنش‌های شیمیایی تبدیل می‌کند.
سونوشیمی
سونوشیمی حوزه‌ای پژوهشی و فرایندی است که در آن مولکول‌ها بر اثر اعمال فراصوت با شدت بالا (برای مثال، 20 kHz) وارد واکنش شیمیایی می‌شوند. پدیدهٔ مسئول واکنش‌های سونوشیمیایی، کاویتاسیون آکوستیکی است. کاویتاسیون آکوستیکی یا فراصوتی زمانی رخ می‌دهد که انرژی امواج فراصوت پرتوان به یک مایع یا دوغاب منتقل شود. در اثر چرخه‌های متناوب فشار بالا / فشار پایین که امواج فراصوت پرتوان در مایع ایجاد می‌کنند، حباب‌های خلأ (حفره‌های کاویتاسیونی) شکل می‌گیرند و طی چندین چرخهٔ فشار رشد می‌کنند. هنگامی که حباب خلأ کاویتاسیونی به اندازه‌ای می‌رسد که دیگر نمی‌تواند انرژی بیشتری جذب کند، با شدت به درون فرو می‌پاشد و نقطه‌ای داغ با چگالی انرژی بسیار بالا ایجاد می‌کند. این نقطهٔ داغ موضعی با دماها و فشارهای بسیار بالا و ریزجریان‌های ناشی از جت‌های فوق‌سریع مایع مشخص می‌شود.
راکتور ناپیوستهٔ بسته، ساخته‌شده از فولاد زنگ‌نزن، مجهز است به سونیکاتور UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
کاویتاسیون آکوستیکی و اثرات فراصوت‌دهی با شدت بالا
کاویتاسیون آکوستیکی که اغلب کاویتاسیون فراصوتی نیز نامیده می‌شود، به دو نوع پایدار و گذرا تقسیم می‌شود. در کاویتاسیون پایدار، شعاع حباب کاویتاسیون بارها حول شعاع تعادلی آن نوسان می‌کند؛ در حالی که در کاویتاسیون گذرا، حبابی کوتاه‌عمر طی چند چرخهٔ آکوستیکی دچار تغییرات شدید حجم می‌شود و در نهایت با شدت فرو می‌پاشد (Suslick 1988). کاویتاسیون پایدار و گذرا ممکن است هم‌زمان در محلول رخ دهند و حبابی که کاویتاسیون پایدار دارد ممکن است به یک حفرهٔ گذرا تبدیل شود. فروپاشی حباب به درون، که مشخصهٔ کاویتاسیون گذرا و فراصوت‌دهی با شدت بالا است، شرایط فیزیکی گوناگونی ایجاد می‌کند؛ از جمله دماهای بسیار بالای 5000–25٬000 K، فشارهایی تا چندین 1000 bar و جریان‌های مایع با سرعت‌هایی تا 1000m/s. از آنجا که فروریزش / فروپاشی به درون حباب‌های کاویتاسیون در کمتر از یک نانوثانیه رخ می‌دهد، نرخ‌های بسیار بالای گرم‌شدن و سردشدن، بیش از 1011 K/s قابل مشاهده است. چنین نرخ‌های بالای گرم‌شدن و اختلاف فشارهایی می‌توانند واکنش‌ها را آغاز و تسریع کنند. در مورد جریان‌های مایع ایجادشده، این ریزجت‌های پرسرعت به‌ویژه در دوغاب‌های ناهمگن جامد–مایع مزایای چشمگیری دارند. جت‌های مایع با تمام دما و فشار حباب در حال فروپاشی به سطح برخورد می‌کنند و از طریق برخورد بین ذرات و نیز ذوب موضعی، باعث فرسایش می‌شوند. در نتیجه، بهبود قابل‌توجهی در انتقال جرم در محلول مشاهده می‌شود.
کاویتاسیون فراصوتی در مایعات و حلال‌های دارای فشار بخار پایین، با بیشترین اثربخشی ایجاد می‌شود. بنابراین، محیط‌های دارای فشار بخار پایین برای کاربردهای سونوشیمیایی مناسب‌اند.
در نتیجهٔ کاویتاسیون فراصوتی، نیروهای شدید ایجادشده می‌توانند مسیرهای واکنش را به مسیرهای کارآمدتر تغییر دهند، به‌گونه‌ای که از تبدیل‌های کامل‌تر و/یا تولید محصولات جانبی ناخواسته جلوگیری شود.
فضای دارای چگالی انرژی بالا که بر اثر فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون ایجاد می‌شود، نقطهٔ داغ نام دارد. استفاده از فراصوت کم‌فرکانس و پرتوان در محدودهٔ 20kHz با قابلیت ایجاد دامنه‌های بالا، روشی تثبیت‌شده برای ایجاد نقاط داغ شدید و شرایط مطلوب سونوشیمیایی است.
تجهیزات آزمایشگاهی فراصوتی و نیز راکتورهای صنعتی فراصوتی برای فرایندهای تجاری سونوشیمیایی به‌راحتی در دسترس‌اند و قابلیت اطمینان، کارایی و سازگاری آن‌ها با محیط‌زیست در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و کاملاً صنعتی اثبات شده است. واکنش‌های سونوشیمیایی را می‌توان به‌صورت ناپیوسته (یعنی در ظرف باز) یا به‌صورت فرایند درون‌خطی با استفاده از راکتور سلول جریان بسته انجام داد.
سنتز سونوشیمیایی
سنتز فراصوتی یا سنتز سونوشیمیایی، به‌کارگیری کاویتاسیون ایجادشده با فراصوت برای آغاز و پیشبرد واکنش‌های شیمیایی است. فراصوت‌دهی پرتوان (برای مثال، در 20 kHz) اثرات شدیدی بر مولکول‌ها و پیوندهای شیمیایی دارد. برای نمونه، اثرات سونوشیمیایی ناشی از فراصوت‌دهی شدید می‌توانند به شکستن مولکول‌ها، ایجاد رادیکال‌های آزاد و/یا تغییر مسیرهای شیمیایی منجر شوند. از این رو، سنتز سونوشیمیایی به‌طور گسترده برای ساخت یا اصلاح طیف وسیعی از مواد نانوساختار به کار می‌رود. نمونه‌هایی از نانومواد تولیدشده با سنتز سونوشیمیایی عبارت‌اند از نانوذرات (NPs) (برای مثال، نانوذرات طلا و نانوذرات نقره)، رنگ‌دانه‌ها، نانوذرات هسته–پوسته، نانوهیدروکسی‌آپاتیت, چارچوب‌های فلزی–آلی (MOFs)، مواد مؤثرهٔ دارویی (APIs)، نانوذرات آراسته به ریزکره‌ها، نانوکامپوزیت‌ها و بسیاری مواد دیگر.
نمونه‌ها: ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی متیل‌استرهای اسید چرب (بیودیزل) یا ترانس‌استریفیکاسیون پلی‌ال‌ها با استفاده از فراصوت.
تصویر TEM (A) و توزیع اندازهٔ ذرات (B) نانوذرات نقره (Ag-NPs) که در شرایط بهینه به روش سونوشیمیایی سنتز شده‌اند.
تبلور تقویت‌شده با فراصوت (تبلور سونوشیمیایی) نیز کاربرد گسترده‌ای دارد؛ در این روش، از فراصوت پرتوان برای تولید محلول‌های فوق‌اشباع، آغاز تبلور / رسوب‌دهی و کنترل اندازه و ریخت‌شناسی بلورها از طریق پارامترهای فرایند فراصوتی استفاده می‌شود. برای آشنایی بیشتر با تبلور سونوشیمیایی، اینجا کلیک کنید!
کاتالیز سونوشیمیایی
فراصوت‌دهی یک سوسپانسیون یا محلول شیمیایی می‌تواند واکنش‌های کاتالیزی را به‌طور قابل‌توجهی بهبود دهد. انرژی سونوشیمیایی زمان واکنش را کاهش می‌دهد و انتقال حرارت و جرم را بهبود می‌بخشد که در پی آن، ثابت‌های سرعت واکنش شیمیایی، بازده و گزینش‌پذیری افزایش می‌یابند.
فرایندهای کاتالیزی متعددی از به‌کارگیری فراصوت پرتوان و اثرات سونوشیمیایی آن به‌شدت بهره‌مند می‌شوند. هر واکنش کاتالیز انتقال فاز (PTC) ناهمگن که شامل دو یا چند مایع امتزاج‌ناپذیر یا ترکیبی از مایع و جامد باشد، از فراصوت‌دهی، انرژی سونوشیمیایی و بهبود انتقال جرم سود می‌برد.
برای مثال، تحلیل مقایسه‌ای اکسایش کاتالیزی تر فنول با پراکسید در آب، در حالت بدون فراصوت و با کمک فراصوت، نشان داد که فراصوت‌دهی سد انرژی واکنش را کاهش می‌دهد، اما بر مسیر واکنش تأثیری ندارد. انرژی فعال‌سازی اکسایش فنول بر روی کاتالیزور RuI3 در حین فراصوت‌دهی برابر بود با 13 kJ mol-1، که در مقایسه با فرایند اکسایش بدون فراصوت، چهار برابر کمتر بود (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
کاتالیز سونوشیمیایی با موفقیت برای ساخت محصولات شیمیایی و نیز تولید مواد معدنی با ساختار میکرونی و نانویی، مانند فلزات، آلیاژها، ترکیبات فلزی، مواد غیرفلزی و کامپوزیت‌های معدنی به کار می‌رود. نمونه‌های رایج PTC با کمک فراصوت عبارت‌اند از ترانس‌استریفیکاسیون اسیدهای چرب آزاد به متیل‌استر (بیودیزل)، هیدرولیز، صابونی‌سازی روغن‌های گیاهی، واکنش فنتون فراصوتی (فرایندهای شبه‌فنتون)، تخریب سونوکاتالیزی و غیره.
دربارهٔ کاتالیز سونوشیمیایی و کاربردهای خاص آن بیشتر بخوانید!
فراصوت‌دهی، شیمی کلیک از جمله واکنش‌های حلقه‌افزایی آزید–آلکین را بهبود می‌بخشد!
سایر کاربردهای سونوشیمیایی
به دلیل تنوع کاربرد، قابلیت اطمینان و سهولت کاربری، سامانه‌های سونوشیمیایی مانند UP400St یا UIP2000hdT به‌عنوان تجهیزاتی کارآمد برای واکنش‌های شیمیایی ارزشمند هستند. دستگاه‌های سونوشیمیایی Hielscher Ultrasonics را می‌توان به‌آسانی برای فراصوت‌دهی ناپیوسته (در بشر باز) و فراصوت‌دهی پیوستهٔ درون‌خطی با استفاده از سلول جریان سونوشیمیایی به کار برد. سونوشیمی، شامل سنتز سونوشیمیایی، کاتالیز سونوشیمیایی، تخریب یا پلیمریزاسیون، در شیمی، نانوفناوری، علم مواد، داروسازی، میکروبیولوژی و نیز سایر صنایع کاربرد گسترده‌ای دارد.
سونیکاتور صنعتی UIP2000hdT (2kW) با راکتور سونوشیمیایی درون‌خطی.
تجهیزات سونوشیمیایی با عملکرد بالا
Hielscher Ultrasonics تأمین‌کنندهٔ برتر شما برای سونیکاتورهای نوآورانه و مجهز به جدیدترین فناوری، سلول جریان سونوشیمیایی، راکتورها و لوازم جانبی برای واکنش‌های سونوشیمیایی کارآمد و قابل‌اعتماد است. همهٔ سونیکاتورهای Hielscher منحصراً در دفتر مرکزی Hielscher Ultrasonics در تلتو (نزدیک برلین)، آلمان، طراحی، ساخته و آزمایش می‌شوند. سونیکاتورهای Hielscher علاوه بر بالاترین استانداردهای فنی، استحکام فوق‌العاده و قابلیت کارکرد 24/7/365 برای بهره‌برداری با کارایی بسیار بالا، کاربری آسان و قابل‌اعتمادی دارند. کارایی بالا، نرم‌افزار هوشمند، منوی کاربرپسند، ثبت خودکار داده‌ها و کنترل از راه دور از طریق مرورگر تنها بخشی از ویژگی‌هایی هستند که Hielscher Ultrasonics را از سایر تولیدکنندگان تجهیزات سونوشیمیایی متمایز می‌کنند.
دامنه‌های قابل تنظیم با دقت بالا
دامنه، جابه‌جایی در قسمت جلویی (نوک) سونوتْرود است که با نام پروب یا هورن فراصوتی نیز شناخته می‌شود و عامل اصلی مؤثر بر کاویتاسیون فراصوتی است. دامنه‌های بالاتر به معنای کاویتاسیون شدیدتر هستند. شدت موردنیاز کاویتاسیون به‌شدت به نوع واکنش، واکنشگرهای شیمیایی مورد استفاده و نتایج هدف در واکنش سونوشیمیایی موردنظر بستگی دارد. بنابراین، دامنه باید با دقت قابل تنظیم باشد تا شدت کاویتاسیون آکوستیکی به سطح مطلوب برسد. دامنهٔ همهٔ سونیکاتورهای Hielscher را می‌توان با استفاده از کنترل دیجیتال هوشمند، با اطمینان و دقت روی مقدار مطلوب تنظیم کرد. همچنین می‌توان از هورن‌های بوستر برای کاهش یا افزایش مکانیکی دامنه استفاده کرد. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm در حالت 24/7 به‌راحتی امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس‌اند.
کنترل دقیق دما در طول واکنش‌های سونوشیمیایی
در نقطهٔ داغ کاویتاسیون، دماهای فوق‌العاده بالای چندین هزار درجهٔ سلسیوس قابل مشاهده است. با این حال، این دماهای شدید به‌صورت موضعی به فضای بسیار کوچک داخل و اطراف حباب کاویتاسیونی که به درون فرو می‌پاشد محدود می‌شوند. در تودهٔ محلول، افزایش دمای ناشی از فروپاشی یک یا چند حباب کاویتاسیون ناچیز است. اما فراصوت‌دهی شدید و پیوسته در مدت طولانی‌تر می‌تواند باعث افزایش تدریجی دمای تودهٔ مایع شود. این افزایش دما به پیشبرد بسیاری از واکنش‌های شیمیایی کمک می‌کند و اغلب مفید تلقی می‌شود. با این حال، واکنش‌های شیمیایی مختلف، دماهای بهینهٔ متفاوتی دارند. هنگام پردازش مواد حساس به گرما، ممکن است کنترل دما ضروری باشد. برای فراهم‌کردن شرایط حرارتی مطلوب در فرایندهای سونوشیمیایی، Hielscher Ultrasonics راهکارهای پیشرفتهٔ گوناگونی برای کنترل دقیق دما در این فرایندها ارائه می‌دهد، از جمله راکتورها و سلول‌های جریان سونوشیمیایی مجهز به ژاکت خنک‌کننده.
سلول‌های جریان و راکتورهای سونوشیمیایی ما با ژاکت‌های خنک‌کننده عرضه می‌شوند که دفع مؤثر حرارت را تسهیل می‌کنند. برای پایش پیوستهٔ دما، سونیکاتورهای Hielscher به حسگر دمای قابل اتصال مجهز هستند که می‌توان آن را برای اندازه‌گیری مداوم دمای تودهٔ مایع درون مایع قرار داد. نرم‌افزار پیشرفته امکان تعیین محدودهٔ دما را فراهم می‌کند. هنگامی که دما از حد تعیین‌شده فراتر می‌رود، سونیکاتور به‌طور خودکار متوقف می‌شود تا دمای مایع به نقطهٔ تنظیم مشخصی کاهش یابد، سپس فراصوت‌دهی را به‌طور خودکار از سر می‌گیرد. همهٔ اندازه‌گیری‌های دما و نیز سایر داده‌های مهم فرایند فراصوتی به‌طور خودکار روی کارت SD داخلی ثبت می‌شوند و می‌توان آن‌ها را به‌آسانی برای کنترل فرایند بازبینی کرد.
دما پارامتری حیاتی در فرایندهای سونوشیمیایی است. فناوری پیشرفتهٔ Hielscher به شما کمک می‌کند دمای کاربرد سونوشیمیایی خود را در محدودهٔ مطلوب نگه دارید.
- کارایی بالا
- جدیدترین فناوری
- کاربری آسان و ایمن
- قابلیت اطمینان و استحکام
- ناپیوسته و درون‌خطی
- برای هر حجم
- نرم‌افزار هوشمند
- قابلیت‌های هوشمند (برای مثال، ثبت داده‌ها)
- CIP (شست‌وشو در محل)
راکتور سونوشیمیایی: فراصوت‌دهی شدید و کاویتاسیون حاصل از آن، واکنش‌های شیمیایی را آغاز و تشدید می‌کنند و حتی می‌توانند مسیرهای واکنش را تغییر دهند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر 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 |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
نمونه‌هایی از واکنش‌های شیمیایی بهبودیافته با فراصوت در مقایسه با واکنش‌های متداول
جدول زیر مروری بر چند واکنش شیمیایی رایج ارائه می‌دهد. برای هر نوع واکنش، واکنش انجام‌شده به روش متداول با واکنش تشدیدشده با فراصوت از نظر بازده و سرعت تبدیل مقایسه شده است.
| 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 مایکل نیتروآلکان‌ها به استرهای غیراشباع α,β با یک جانشین | 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% |
(رجوع کنید به آندری استانکیویچ، تام ون گرون، جورجیوس استفانیدس: مبانی تشدید فرآیند، چاپ اول. منتشر شده در سال 2019 توسط Wiley)
منابع علمی / مراجع
- 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 هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.