استخراج کاتالیستی به کمک فراصوت
راکتورهای فراصوتی Hielscher در بسیاری از صنایع برای کمک به فرایند استخراج کاتالیستی (CEP) یا آنچه استخراج انتقال فاز (PTE) نامیده می‌شود و بهبود آن به کار می‌روند. استخراج کاتالیستی شامل یک سامانهٔ ناهمگن با فازهای امتزاج‌ناپذیر، مانند مایع–مایع یا مایع–جامد است. برش شدید و نیروهای کاویتاسیونی ناشی از فراصوت، سرعت حل‌شدن مواد حل‌شونده را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند و به استخراج سریع‌تر و کامل‌تر منجر می‌شوند. همچنین می‌توان از این اثر برای کاهش مقدار حلال یا اسید مصرفی استفاده کرد. با افزایش تقاضا برای روش‌های استخراج سازگار با محیط‌زیست با زمان استخراج کوتاه‌تر و مصرف کمتر حلال‌های آلی، استفاده از استخراج به کمک فراصوت به‌عنوان روشی اثبات‌شده رو به افزایش است.
استخراج کاتالیستی/استخراج انتقال فاز – مبانی
اصطلاح «فرایند استخراج کاتالیستی (CEP) یا استخراج انتقال فاز (PTE)» توزیع مایع–مایع یا جامد–مایع را در حالتی توصیف می‌کند که هدف، استخراج و جداسازی آنالیت‌ها باشد. بنابراین، رقیق‌کنندهٔ مایع یا جامد باید در حلال (فاز مایع) پراکنده/امولسیون شود. اصطلاح «عامل استخراج‌کننده» فقط به مادهٔ فعال موجود در حلال اشاره دارد (یعنی «فاز آلی» همگنی که شامل عامل استخراج‌کننده، رقیق‌کننده و/یا اصلاح‌کننده است) که مسئول اصلی انتقال مادهٔ حل‌شونده از فاز «آبی» به فاز «آلی» است. [IUPAC]. مادهٔ هدف که استخراج می‌شود، عصاره نام دارد.
روش‌های سنتی استخراج، مانند استخراج سوکسله، خیساندن، مایکروویو، پرکولاسیون، استخراج تحت رفلاکس و تقطیر با بخار، یا استخراج توربو، اغلب کند و ناکارآمد هستند و/یا به مقادیر زیادی حلال خطرناک نیاز دارند؛ در نتیجه، فرایندی پرهزینه و زمان‌بر ایجاد می‌کنند که برای محیط‌زیست زیان‌آور است.
فراصوت جایگزینی اثبات‌شده برای روش‌های متداول استخراج است که استخراجی سریع‌تر و کامل‌تر را با حلال‌های خطرناک کمتر یا بدون آن‌ها فراهم می‌کند! فراصوت روشی قدرتمند برای فرایندهای سبز و سازگار با محیط‌زیست است.
سونیکاتور UP400St برای بهبود استخراج کاتالیستی از فراصوت پرتوان استفاده می‌کند
اصل استخراج کاتالیستی به کمک فراصوت
برای استخراج یک ماده، فازهای امتزاج‌ناپذیر باید مخلوط شوند تا مادهٔ موردنظر بتواند از فاز حامل در فاز حلال حل شود. استخراج‌های انتقال فاز معمولاً از یک فاز پراکنده به یک فاز پیوسته انجام می‌شوند؛ یعنی قطرات و ذرات باید به‌صورت همگن در حلال پراکنده شوند.
فراصوت پرتوان فناوری شناخته‌شده‌ای برای اختلاط و استخراج است که چندین اثر مثبت بر فرایند استخراج دارد:
- بهبود سینتیک واکنش
- اختلاط ریزمقیاس حامل (جاذب) و حلال
- افزایش سطح مشترک بین دو فاز
- افزایش انتقال جرم
- حذف لایه‌های غیرفعال‌کننده از سطح ذرات
- تخریب و فروپاشی سلولی
- استخراج کامل‌تر با بازده بالاتر
- کاربری ساده و ایمن
- فرایند سبز: سازگار با محیط‌زیست
سازوکار کاویتاسیون فراصوت و اثرات آن بر استخراج کاتالیستی
برای استخراج، دو فاز در میدان کاویتاسیون فراصوتی به‌شدت مخلوط می‌شوند. قطرات و ذرات به ابعاد زیرمیکرونی و نانومتری شکسته می‌شوند. این امر سطوح بزرگ‌تری برای بهبود انتقال جرم از یک فاز به فاز دیگر ایجاد می‌کند. افزایش سطح مشترک بین دو فاز، سطح تماس بیشتری برای استخراج فراهم می‌آورد؛ در نتیجه، با حذف لایه‌های ساکن مایع در مرز فازها، انتقال جرم تقویت می‌شود. حذف لایه‌های غیرفعال‌کننده از سطح ذرات نیز انتقال جرم را بیشتر افزایش می‌دهد. برای استخراج مواد زیستی از سلول‌ها و بافت‌ها، تخریب سلولی با فراصوت انتقال جرم را افزایش می‌دهد. همهٔ این آثار به استخراج کامل‌تر و بازده بالاتر منجر می‌شوند.
مزایای استخراج فراصوتی:
- از بین بردن لایه‌های مرزی
- غلبه بر نیروهای واندروالس
- رساندن مایع غیراشباع به سطح تماس
- کاهش یا حذف نیاز به عوامل انتقال
- کاهش زمان، دما و/یا غلظت
- مقدار اضافی کمتر نسبت به حجم لازم برای اشباع کامل
- حجم کمتر برای پالایش (مثلاً با تقطیر، تبخیر، خشک‌کردن)
- بی‌نیازی از راکتورهای دارای هم‌زدن مداوم (CSR)
- صرفه‌جویی در توان مصرفی
- پردازش درون‌خطی به‌جای پردازش ناپیوسته
- استفاده از حلالی با اسیدیتهٔ کمتر یا ارزان‌تر
- کنار گذاشتن حلال‌ها و استفاده از محیط آبی به‌جای آن‌ها
- پردازش غلظت‌های بالای جامدات یا دوغاب‌های با گرانروی بالا
- پردازش سبز: سازگار با محیط‌زیست
- استفاده از اسیدهای آلی، مانند اسید مالیک یا اسید سیتریک
- بی‌نیازی از فرایندهای استخراج چندمرحله‌ای
MultiSonoReactor سرعت واکنش و بازده فرایندهای استخراج کاتالیستی را بهبود می‌دهد
- زیست‌شناسی
- شیمی
- صنایع غذایی و دارویی
- آنالیز
- فرایندهای هسته‌ای
- کاربردهای معدن‌کاری
- گوگردزدایی
- ترکیبات آلی
- زمین‌شیمی
- خالص‌سازی
استخراج مایع–مایع
فرایند متداول: استخراج مایع–مایع روشی مبتنی بر توزیع برای استخراج مواد از یک فاز مایع به فاز مایع دیگر است که بر حلالیت نسبی مواد در دو فاز مایع متفاوت و امتزاج‌ناپذیر تکیه دارد. استفاده از فراصوت، سرعت انتقال مادهٔ حل‌شونده بین دو فاز را از طریق فرایندهای پربازدهِ اختلاط, امولسیون‌سازی، و حل‌کردن افزایش می‌دهد!
استخراج مایع–مایع یک روش جداسازی برای جداسازی و تغلیظ اجزای ارزشمند از محلول آبی با استفاده از حلال آلی است. استخراج مایع–مایع اغلب زمانی به کار می‌رود که سایر روش‌های جداسازی (مثلاً تقطیر) مؤثر نباشند. استخراج مایع–مایع در صنایع دارویی و آرایشی (ترکیبات فعال، APIs، مواد معطر)، همچنین در صنایع غذایی و کشاورزی، شیمی آلی و معدنی، صنعت پتروشیمی و هیدرومتالورژی به کار می‌رود.
مشکل: یکی از مشکلات رایج، امتزاج‌ناپذیری فازهای مایع است (حلال و رقیق‌کننده امتزاج‌ناپذیرند)، بنابراین روش اختلاط مناسبی لازم است. ازآنجاکه اختلاط یکنواخت هر دو فاز مایع انتقال فاز بین رقیق‌کننده و حلال را تقویت می‌کند، وجود یک روش قابل‌اعتماد برای پراکنش یا امولسیون‌سازی ضروری است. هرچه مخلوط ریزتر و سطح تماس بین دو فاز بیشتر باشد، حلال بهتر می‌تواند از یک فاز مایع به فاز مایع دیگر منتقل شود. فرایندهای متداول استخراج عمدتاً در تقویت انتقال جرم ضعف دارند؛ در نتیجه، فرایند استخراج کند و اغلب ناقص است. برای بهبود استخراج، اغلب از مقادیر بیش‌ازحد حلال استفاده می‌شود که فرایند را پرهزینه و آلایندهٔ محیط‌زیست می‌کند.
راهکار: استخراج مایع–مایع فراصوتی از چندین جنبه بر روش‌های سنتی استخراج مایع–مایع برتری دارد:
فراصوت پرتوان، دو یا چند فاز مایع را به‌آسانی و به‌طور قابل‌اعتماد با هم مخلوط می‌کند. با فراصوت‌دهی می‌توان اندازهٔ قطرات را تا مقیاس نانو کاهش داد تا امولسیون‌های ریز از نوع میکروامولسیون و نانوامولسیون به دست آیند. در این فرایند، نیروهای کاویتاسیونی ایجادشده انتقال جرم بین فازهای مایع را تقویت می‌کنند. ازآنجاکه فراصوت‌دهی می‌تواند در یک سامانهٔ درون‌خطی پیوسته انجام شود، حجم‌های زیاد و مایعات با گرانروی بسیار بالا را می‌توان بدون مشکل پردازش کرد.
همچنین می‌توان میکرواستخراج، مثلاً برای اهداف آنالیزی، را با فراصوت‌دهی بهبود داد (مثلاً میکرواستخراج مبتنی بر مایع یونی با امولسیون‌سازی فراصوتی).
مزایای استخراج فراصوتی:
نیروهای قدرتمند فراصوتی – که با فراصوت کم‌فرکانس/پرتوان تولید می‌شوند – به موارد زیر کمک می‌کنند:
- تغییر شکل قطرات
- بی‌نیازی از عوامل انتقال امولسیون یا کاتالیست‌های آمفی‌فیلیک
- بی‌نیازی از شوینده‌ها یا مواد فعال سطحی
- بی‌نیازی از کاتالیست‌های آمفی‌فیلیک، شوینده‌ها یا مواد فعال سطحی
- تولید امولسیون‌های ناپایدار و متلاطم بدون لایه‌های مواد فعال سطحی
کاویتاسیون و نیروهای سونوشیمیایی، استخراج کاتالیستی ترکیبات از جامدات را بهبود می‌دهند.
استخراج جامد–مایع بهبودیافته با فراصوت
هدف استخراج جامد–مایع یا استخراج فاز جامد (SPE)، جداسازی آنالیت‌های حل‌شده یا معلق در یک مخلوط مایع و جداکردن آن‌ها از ماتریس بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌هاست. بنابراین، مادهٔ جداسازی‌شده به کمک یک حلال مناسب از جاذب شسته و خارج می‌شود. مادهٔ استخراج‌شده «elute» نامیده می‌شود.
روش‌های متداول SPE شامل خیساندن، استخراج سوکسله، پرکولاسیون، ترکیب رفلاکس و تقطیر با بخار، یا اختلاط با سرعت بالا/استخراج توربو هستند. استخراج جامد–مایع روشی رایج برای جداسازی ترکیبات در زیست‌شناسی، شیمی و نیز صنایع غذایی، دارویی و آرایشی است. استخراج فلزات با عنوان لیچینگ نیز شناخته می‌شود.
مشکل: روش‌های متداول SPE به زمان‌بر بودن شناخته می‌شوند و به مقادیر نسبتاً زیادی حلال نیاز دارند که بیشتر آن‌ها برای محیط‌زیست خطرناک و آلاینده‌اند. دمای بالای فرایند حتی می‌تواند باعث تخریب عصاره‌های حساس به حرارت شود.
راهکار: با استخراج جامد–مایع به کمک فراصوت، معمولاً می‌توان بر مشکلات رایج SPE سنتی غلبه کرد. ازآنجاکه فراصوت‌دهی توزیع ریز و یکنواخت جامدات را در فاز حلال فراهم می‌کند، مرز مشترک بزرگ‌تری در دسترس قرار می‌گیرد و انتقال جرم مادهٔ هدف به حلال بهبود می‌یابد. این امر به استخراج سریع‌تر و کامل‌تر منجر می‌شود، درحالی‌که مصرف حلال کاهش می‌یابد یا کاملاً حذف می‌شود (به‌جای آن، از آب به‌عنوان فاز مایع استفاده می‌شود). با به‌کارگیری فراصوت پرتوان، استخراج فاز جامد را می‌توان کارآمدتر، اقتصادی‌تر و سازگارتر با محیط‌زیست انجام داد. به دلیل کاهش یا حذف حلال‌های آلاینده یا خطرناک، استخراج فراصوتی را می‌توان یک فرایند سبز و سازگار با محیط‌زیست دانست. از نظر اقتصادی، هزینه‌های فرایند به دلیل صرفه‌جویی در انرژی، حلال و زمان کاهش می‌یابد.
استخراج با حلال به کمک فراصوت
در استخراج با حلال، از یک حلال (مثلاً حلال آلی) برای حل‌کردن و جداسازی یک ترکیب از مایعی دیگر (مثلاً فاز آبی) استفاده می‌شود. به‌طور کلی، مواد حل‌شوندهٔ قطبی‌تر در حلال قطبی‌تر و مواد حل‌شوندهٔ کم‌قطب‌تر در حلال کم‌قطب‌تر حل می‌شوند. با استخراج با حلال می‌توان تیوفن‌های اکسیدشده (سولفوکسیدها، سولفون‌ها) را با استفاده از استونیتریل یا سایر حلال‌های قطبی از فاز روغنی جدا کرد. استخراج با حلال همچنین برای استخراج موادی مانند اورانیوم، پلوتونیوم یا توریم از محلول‌های اسیدی به ارگانوفسفات تری-n-بوتیل فسفات (فرایند PUREX) به کار می‌رود.
مصرف حلال خود را کاهش دهید: استفاده از فراصوت، مصرف حلال‌ها را در فرایند به حداقل می‌رساند و بارگذاری محصول در حلال را بهینه می‌کند. همچنین به استخراج سریع‌تر و کامل‌تر منجر می‌شود.
برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ گوگردزدایی اکسایشی به کمک فراصوت، اینجا کلیک کنید!
استخراج سوکسله به کمک فراصوت
استخراج سوکسله یک روش استخراج جامد–مایع است که به‌طور گسترده در آزمایشگاه‌های سنتز و آنالیز به کار می‌رود. استخراج سوکسله عمدتاً زمانی استفاده می‌شود که یک ماده فقط حلالیت محدودی در یک حلال داشته باشد و ناخالصی در آن حلال نامحلول باشد.
فراصوت را می‌توان با موفقیت بسیار زیاد با استخراج سوکسله ترکیب کرد و به بازده بالاتر و زمان استخراج کوتاه‌تر دست یافت.
برای آشنایی بیشتر با استخراج سوکسله به کمک فراصوت، اینجا کلیک کنید!
استخراج در مذاب‌ها با استفاده از فراصوت‌دهی
استخراج‌های مایع–مایع را می‌توان در مخلوط‌هایی انجام داد که یکی از فازهای مایع یا هر دو، مذاب باشند؛ مانند نمک‌های مذاب یا فلزات مذاب، نظیر جیوه. فراصوت‌دهی پرتوان درون‌خطی در راکتورهای سلول جریان فراصوتی، پردازش حتی مایعات با گرانروی بالا مانند مذاب‌ها را امکان‌پذیر می‌کند.
لیچینگ به کمک فراصوت
لیچینگ به استفاده از اسیدها، حلال‌ها یا آب داغ برای حل‌کردن گزینشی یک مادهٔ حل‌شونده از یک حامل جامد بی‌اثر و نامحلول گفته می‌شود. لیچینگ اغلب در معدن‌کاری برای استخراج فلزات از سنگ معدن به کار می‌رود.
مزایای لیچینگ فراصوتی:
- شست‌وشوی منافذ کوچک مواد متخلخل
- غلبه بر گزینش‌پذیری غشاها
- تخریب جامدات، لایه‌لایه‌کردن و کلوخه‌زدایی آن‌ها
- حذف لایه‌های غیرفعال
- حذف لایه‌های اکسیدی
- ترکردن تمام سطح ماده، به‌ویژه با مایعات دارای کشش سطحی بالا
- رقیق‌شوندگی برشی
برای آشنایی بیشتر با لیچینگ فراصوتی، اینجا کلیک کنید!
سونیکاتورهای Hielscher برای هر حجم تولید
فراصوت‌دهی در مقیاس آزمایشگاهی، رومیزی و تولیدی: همهٔ دستگاه‌های فراصوتی Hielscher برای کارکرد 24h/7d ساخته شده‌اند؛ حتی هموژنایزرهای فراصوتی آزمایشگاهی نیز می‌توانند حجم‌های قابل‌توجهی را در حالت ناپیوسته یا جریان عبوری پردازش کنند. دستگاه‌های فراصوتی رومیزی و صنعتی با کیفیت صنعتی طراحی و ساخته می‌شوند تا حجم‌های زیاد و مواد با گرانروی بالا را بدون مشکل پردازش کنند – حتی در شرایط دشوار، مانند فشارها و دماهای بالا (مثلاً در ترکیب با CO2 فوق‌بحرانی، برای فرایندهای اکستروژن و غیره). دستگاه‌های فراصوتی مستحکم Hielscher قابلیت کار با حلال‌ها، مایعات ساینده و مواد خورنده را دارند. لوازم جانبی مناسب، انطباق بهینهٔ سامانهٔ فراصوتی با الزامات فرایند استخراج را امکان‌پذیر می‌کنند. برای نصب در محیط‌های خطرناک، سامانه‌های فراصوتی ضدانفجار با رده‌بندی ATEX یا FM در دسترس هستند.
به این ترتیب، سونیکاتورهای مستحکم و پرتوان Hielscher و طیف گستردهٔ لوازم جانبی، فراصوت‌دهی موادی مانند آب/مایعات داغ، اسیدها، مذاب فلزات، مذاب نمک‌ها و حلال‌ها (مثلاً متانول، هگزان؛ حلال‌های آلی و قطبی، مانند استونیتریل) را امکان‌پذیر می‌کنند.
نمودار جریان: مراحل استخراج انتقال فاز فراصوتی
منابع علمی / مراجع
- 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.
- Bendicho, C.; De La Calle, I.; Pena, F.; Costas, M.; Cabaleiro, N.; Lavilla, I. (2012): Ultrasound-assisted pretreatment of solid samples in the context of green analytical chemistry. Trends in Analytical Chemistry, Vol. 31, 2012. 50-60.
- Shayegan, Z.; Razzaghi, M.; Niaei, A.; Salari, D.; Tabar, M.T.S.; Akbari, A.N. (2013): Sulfur removal of gas oil using ultrasound-assisted catalytic oxidative process and study of its optimum conditions. Korean J. Chem. Eng., 30(9), 2013. 1751-1759.
- Oluseyi, T.; Olayinka, K.; Alo, B.; Smith, R. M. (2011): Comparison of extraction and clean-up techniques for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in contaminated soil samples. African Journal of Environmental Science and Technology Vol. 5/7, 2011. 482-493.
- Petigny, L.; Périno-Issartier, S.; Wajsman, J.; Chemat, F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
دانستنی‌ها
پردازش فراصوتی مایعات اغلب با اصطلاحاتی مانند سونیکیشن، اولتراسونیکیشن، سونیفیکیشن، اینسونیشن، تابش فراصوت یا اعمال میدان‌های آکوستیکی بیان می‌شود. همهٔ این اصطلاحات، کوپل‌کردن امواج فراصوت پرتوان به یک محیط مایع را برای انجام فرایندهای فراصوتی زیر توصیف می‌کنند:
- اختلاط و آمیختن,
- همگن‌سازی,
- امولسیون‌سازی,
- پراکنش & کلوخه‌زدایی,
- کاهش اندازهٔ ذرات (آسیاب‌کاری و خردایش)،
- حل‌کردن,
- آب‌پوشی و ترکردن،
- لیز & تخریب سلولی,
- استخراج,
- همگن‌سازی بافت,
- قطعه‌قطعه‌شدن,
- گاززدایی و کف‌زدایی,
- رقیق‌شوندگی برشی و
- واکنش سونوشیمیایی.
ازآنجاکه فراصوت پرتوان روشی بسیار چندمنظوره برای پردازش است، دستگاه‌های فراصوتی با نام‌های گوناگونی مانند سونیکاتور پروبی، لیزکنندهٔ صوتی، تخریب‌کنندهٔ فراصوتی، آسیاب فراصوتی، سونوروپتور، سونیفایر، متلاشی‌کنندهٔ صوتی، تخریب‌کنندهٔ سلولی، پراکنشگر فراصوتی یا حل‌کننده شناخته می‌شوند.