سونوشیمی و راکتورهای سونوشیمیایی

سونوشیمی رشته ای از شیمی است که در آن از سونوگرافی با شدت بالا برای القاء، تسریع و اصلاح واکنش های شیمیایی (سنتز، کاتالیز، تخریب، پلیمریزاسیون، هیدرولیز و غیره) استفاده می شود. کاویتاسیون اولتراسونیک تولید شده است که با شرایط منحصر به فرد انرژی متراکم مشخص می شود که واکنش های شیمیایی را ترویج و تشدید می کند. سرعت واکنش سریعتر، بازده بالاتر و استفاده از معرف های سبز و ملایم تر، سونوشیمی را به ابزاری بسیار سودمند به منظور به دست آوردن واکنش های شیمیایی بهبود یافته تبدیل می کند.

آوا شیمی

Sonochemistry زمینه تحقیق و پردازش است که در آن مولکول ها به دلیل استفاده از سونوگرافی با شدت بالا (به عنوان مثال، 20 کیلوهرتز) تحت یک واکنش شیمیایی قرار می گیرند. پدیده ای که مسئول واکنش های سونوشیمیایی است ، کاویتاسیون صوتی است. کاویتاسیون صوتی یا اولتراسونیک زمانی اتفاق می افتد که امواج اولتراسوند قدرتمند به مایع یا دوغاب متصل شوند. با توجه به چرخه های متناوب فشار بالا / فشار پایین ناشی از امواج اولتراسوند قدرت در مایع ، حباب های خلاء (حفره های حفره ای کاویتاسیون) ایجاد می شوند که در طی چندین چرخه فشار رشد می کنند. هنگامی که حباب خلاء حفره ای به اندازه خاصی می رسد که نمی تواند انرژی بیشتری را جذب کند، حباب خلاء به شدت منفجر می شود و یک نقطه داغ بسیار متراکم انرژی ایجاد می کند. این نقطه داغ محلی با دماهای بسیار بالا، فشارها و میکرو جریان جت های مایع بسیار سریع مشخص می شود.

کاویتاسیون آکوستیک و اثرات امواج فراصوت با شدت بالا

حفره صوتی که اغلب به آن کاویتاسیون اولتراسونیک نیز گفته می شود، را می توان به دو شکل حفره پایدار و گذرا متمایز کرد. در طول کاویتاسیون پایدار، حباب کاویتاسیون چندین بار در اطراف شعاع تعادل خود نوسان می کند، در حالی که در طول حفره گذرا، که در آن یک حباب کوتاه مدت در چند چرخه صوتی دستخوش تغییرات حجمی چشمگیر می شود و به یک فروپاشی شدید ختم می شود (Suslick 1988). کاویتاسیون پایدار و گذرا ممکن است به طور همزمان در محلول رخ دهد و حبابی که تحت حفره پایدار قرار می گیرد ممکن است به یک حفره گذرا تبدیل شود. انفجار حباب ، که مشخصه برای کاویتاسیون گذرا و فراصوت با شدت بالا است ، شرایط فیزیکی مختلفی از جمله دمای بسیار بالا 5000-25000 K ، فشار تا چند 1000 بار و جریان های مایع با سرعت تا 1000 متر بر ثانیه ایجاد می کند. از آنجایی که فروپاشی/انفجار حباب های کاویتاسیون در کمتر از یک نانوثانیه اتفاق می افتد، نرخ گرمایش و سرمایش بسیار بالا بیش از 10¹¹ K/s قابل مشاهده است. چنین نرخ گرمایش بالا و اختلاف فشار می تواند واکنش ها را آغاز و تسریع کند. با توجه به جریان های مایع در حال وقوع ، این میکروجت های پرسرعت به ویژه در مورد دوغاب های جامد و مایع ناهمگن مزایای بالایی از خود نشان می دهند. جت های مایع با دما و فشار کامل حباب در حال فروپاشی به سطح برخورد می کنند و از طریق برخورد بین ذرات و همچنین ذوب موضعی باعث فرسایش می شوند. در نتیجه، انتقال جرم به طور قابل توجهی بهبود یافته در محلول مشاهده می شود.

حفره اولتراسونیک به طور موثر در مایعات و حلال ها با فشار بخار کم تولید می شود. بنابراین، محیط هایی با فشار بخار پایین برای کاربردهای سونوشیمیایی مطلوب هستند.
در نتیجه حفره اولتراسونیک، نیروهای شدید ایجاد شده می توانند مسیر واکنش ها را به مسیرهای کارآمد تر تغییر دهند، به طوری که تبدیل کامل تر و / یا تولید محصولات جانبی ناخواسته اجتناب می شود.
فضای متراکم انرژی ایجاد شده در اثر فروپاشی حباب های کاویتاسیون، نقطه داغ نامیده می شود. سونوگرافی با فرکانس پایین و با قدرت بالا در محدوده 20 کیلوهرتز و توانایی ایجاد دامنه های بالا برای تولید نقاط داغ شدید و شرایط سونوشیمیایی مطلوب به خوبی تثبیت شده است.

تجهیزات آزمایشگاهی اولتراسونیک و همچنین راکتورهای اولتراسونیک صنعتی برای فرآیندهای سونوشیمیایی تجاری به راحتی در دسترس هستند و به عنوان قابل اعتماد، کارآمد و سازگار با محیط زیست در مقیاس آزمایشگاهی، خلبان و کاملا صنعتی ثابت شده اند. واکنش های سونوشیمیایی را می توان به صورت دسته ای (یعنی رگ باز) یا فرآیند درون خطی با استفاده از یک راکتور سلول جریان بسته انجام داد.

سونو سنتز

سونو سنتز و یا سنتز سونوشیمیایی استفاده از حفره مافوق صوت تولید به منظور شروع و ترویج واکنش های شیمیایی است. امواج فراصوت با قدرت بالا (به عنوان مثال، در 20 کیلوهرتز) اثرات قوی بر مولکول ها و پیوندهای شیمیایی را نشان می دهد. برای مثال, اثرات سونوشیمیایی ناشی از فراصوت شدید می تواند منجر به تقسیم مولکول ها, ایجاد رادیکال های آزاد, و / یا تغییر مسیرهای شیمیایی. بنابراین سنتز سونوشیمیایی به شدت برای ساخت یا اصلاح طیف گسترده ای از مواد نانوساختار استفاده می شود. نمونه هایی برای نانومواد تولید شده از طریق سنتز سونو عبارتند از: نانوذرات (NPs) (به عنوان مثال، NP های طلا، NP های نقره)، رنگدانه ها، نانوذرات هسته-پوسته، نانو هیدروکسی آپاتیت، چارچوب های آلی فلزی (MOFs)، مواد فعال دارویی (APIs)، نانوذرات تزئین شده با میکروسفر، نانوکامپوزیت ها در میان بسیاری از مواد دیگر.
نمونه: ترانس استریفیکاسیون التراسونیک از اسید چرب متیل استرها (بیودیزل) یا ترانس استریفیکاسیون پلی ال ها با استفاده از سونوگرافی.

تصویر TEM (A) و توزیع اندازه ذرات آن (B) نانوذرات نقره (Ag-NPs) که در شرایط بهینه به صورت سونوشیمیایی سنتز شده اند.

همچنین به طور گسترده ای استفاده می شود تبلور ترویج مافوق صوت (سونو تبلور)، که در آن قدرت سونوگرافی استفاده می شود برای تولید راه حل های فوق اشباع، برای شروع تبلور / بارش، و کنترل اندازه کریستال و مورفولوژی از طریق پارامترهای فرآیند مافوق صوت. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد تبلور سونو اینجا را کلیک کنید!

سونو کاتالیز

فراصوت یک سوسپانسیون یا محلول شیمیایی می تواند به طور قابل توجهی واکنش های کاتالیزوری را بهبود بخشد. انرژی سونوشیمیایی زمان واکنش را کاهش می دهد، انتقال گرما و جرم را بهبود می بخشد که متعاقبا منجر به افزایش ثابت های شیمیایی، بازده و گزینش پذیری می شود.
فرآیندهای کاتالیزوری متعددی وجود دارد که به شدت از استفاده از سونوگرافی قدرت و اثرات سونوشیمیایی آن سود می برد. هر واکنش تجزیه و تحلیل انتقال فاز ناهمگن (PTC) شامل دو یا چند مایعات غیر قابل اختلاط و یا یک ترکیب مایع جامد، از فراصوت ، انرژی سونوشیمیایی و انتقال جرم بهبود یافته سود می برد.
به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل مقایسه ای اکسیداسیون پراکسید مرطوب کاتالیزوری خاموش و اولتراسونیک کمک فنل در آب نشان داد که فراصوت مانع انرژی واکنش را کاهش می دهد، اما هیچ تاثیری بر مسیر واکنش ندارد. انرژی فعال سازی برای اکسیداسیون فنل بر روی RuI₃ کاتالیزور در طول فراصوت 13 کیلوژول مول یافت شد^-1، که در مقایسه با فرآیند اکسیداسیون خاموش (57 کیلوژول مول) چهار برابر کوچکتر بود^-1). (روخینا و همکاران، 2010)
کاتالیز سونوشیمیایی با موفقیت برای ساخت محصولات شیمیایی و همچنین ساخت مواد معدنی میکرون و نانو ساختار مانند فلزات، آلیاژها، ترکیبات فلزی، مواد غیر فلزی و کامپوزیت های معدنی استفاده می شود. نمونه های شایع PTC با کمک التراسونیک ترانس استریفیکاسیون اسیدهای چرب آزاد به متیل استر (بیودیزل)، هیدرولیز، صابونی سازی روغن های گیاهی، واکنش سونو فنتون (فرآیندهای فنتون مانند)، تخریب سونوکاتالیستی و غیره.
درباره سونو کاتالیز و کاربردهای خاص بیشتر بخوانید!
فراصوت شیمی کلیک مانند واکنش های سیکلواضافی آزید-آلکین را بهبود می بخشد!

سایر کاربردهای سونوشیمیایی

با توجه به کاربرد همه کاره، قابلیت اطمینان و عملکرد ساده، سیستم های سونوشیمیایی مانند UP400St یا UIP2000hdT به عنوان تجهیزات کارآمد برای واکنش های شیمیایی ارزش گذاری می شوند. دستگاه های سونوشیمیایی مافوق صوت Hielscher را می توان به راحتی برای دسته ای استفاده می شود (لیوان باز) و فراصوت درون خطی مداوم با استفاده از سلول جریان سونوشیمیایی. سونوشیمی از جمله سنتز سونو، سونو کاتالیز، تخریب یا پلیمریزاسیون به طور گسترده ای در شیمی، فناوری نانو، علم مواد، داروسازی، میکروبیولوژی و همچنین در سایر صنایع استفاده می شود.

تجهیزات سونوشیمیایی با کارایی بالا

Hielscher مافوق صوت تامین کننده بالا خود را از نوآورانه، دولت از هنر ultrasonicators، سلول جریان سونوشیمیایی، راکتورها و لوازم جانبی برای واکنش های سونوشیمیایی کارآمد و قابل اعتماد است. همه مافوق صوت Hielscher به طور انحصاری طراحی، تولید و تست در دفتر مرکزی مافوق صوت Hielscher در Teltow (نزدیک برلین)، آلمان. علاوه بر بالاترین استانداردهای فنی و استحکام برجسته و عملیات 24/7/365 برای عملیات بسیار کارآمد، مافوق صوت Hielscher آسان و قابل اعتماد برای کار هستند. بهره وری بالا, نرم افزار هوشمند, منوی بصری, پروتکل داده های خودکار و مرورگر کنترل از راه دور تنها چند ویژگی است که متمایز Hielscher مافوق صوت از دیگر تولید کنندگان تجهیزات سونوشیمیایی.

دامنه های دقیق قابل تنظیم

دامنه جابجایی در جلو است (نوک) از sonotrode (همچنین به عنوان پروب اولتراسونیک و یا شاخ شناخته شده) و عامل اصلی موثر بر حفره اولتراسونیک است. دامنه های بالاتر به معنای کاویتاسیون شدیدتر است. شدت مورد نیاز کاویتاسیون به شدت به نوع واکنش، معرف های شیمیایی مورد استفاده و نتایج هدفمند واکنش سونوشیمیایی خاص بستگی دارد. این بدان معناست که دامنه باید دقیقا قابل تنظیم باشد تا شدت کاویتاسیون آکوستیک را به سطح ایده آل تنظیم کند. همه مافوق صوت Hielscher را می توان قابل اعتماد و دقیق از طریق یک کنترل دیجیتال هوشمند به دامنه ایده آل تنظیم. شاخ های تقویت کننده را می توان علاوه بر این برای کاهش یا افزایش دامنه مکانیکی استفاده کرد. Ultrasonics’ پردازنده های اولتراسونیک صنعتی می توانند دامنه های بسیار بالایی را ارائه دهند. دامنه های تا 200 میکرومتر را می توان به راحتی به طور مداوم در عملیات 24/7 اجرا کرد. برای دامنه های حتی بالاتر ، سونوترودهای اولتراسونیک سفارشی در دسترس هستند.

کنترل دقیق دما در طول واکنش های سونوشیمیایی

در نقطه داغ کاویتاسیون، دمای بسیار بالای هزاران درجه سانتیگراد را می توان مشاهده کرد. با این حال، این دماهای شدید به طور محلی به فضای داخلی دقیقه و اطراف حباب حفره در حال انفجار محدود می شوند. در محلول حجیم، افزایش دما از انفجار یک یا چند حباب کاویتاسیون ناچیز است. اما فراصوت مداوم و شدید برای مدت طولانی تر می تواند باعث افزایش تدریجی درجه حرارت مایع فله شود. این افزایش دما به بسیاری از واکنش های شیمیایی کمک می کند و اغلب به عنوان مفید در نظر گرفته می شود. با این حال، واکنش های شیمیایی مختلف دمای واکنش بهینه متفاوتی دارند. هنگامی که مواد حساس به حرارت تصفیه می شوند، ممکن است کنترل دما ضروری باشد. به منظور اجازه می دهد برای شرایط حرارتی ایده آل در طول فرآیندهای سونوشیمیایی، Hielscher مافوق صوت ارائه می دهد راه حل های مختلف پیچیده برای کنترل دقیق دما در طول فرآیندهای سونوشیمیایی، مانند راکتورهای سونوشیمیایی و سلول های جریان مجهز به ژاکت خنک کننده.
سلول ها و راکتورهای جریان سونوشیمیایی ما با ژاکت های خنک کننده در دسترس هستند که از اتلاف گرما موثر پشتیبانی می کنند. برای نظارت بر درجه حرارت مداوم، مافوق صوت Hielscher با یک سنسور درجه حرارت قابل اتصال مجهز شده است، که می تواند به مایع برای اندازه گیری ثابت از درجه حرارت فله وارد شده است. نرم افزار پیچیده امکان تنظیم محدوده دما را فراهم می کند. هنگامی که حد دما بیش از حد است، ultrasonicator به طور خودکار مکث تا زمانی که درجه حرارت در مایع به یک نقطه تنظیم خاص کاهش یافته است و به طور خودکار فراصوت دوباره شروع می شود. تمام اندازه گیری دما و همچنین سایر داده های مهم فرآیند اولتراسونیک به طور خودکار بر روی یک کارت SD داخلی ثبت می شود و می تواند به راحتی برای کنترل فرآیند تجدید نظر شود.
دما یک پارامتر مهم از فرآیندهای سونوشیمیایی است. فن آوری مفصل Hielscher کمک می کند تا شما را برای حفظ درجه حرارت از نرم افزار سونوشیمیایی خود را در محدوده درجه حرارت ایده آل.

جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد: