Sonokemialliset reaktiot ja synteesi
Sonokemia tarkoittaa ultraäänen soveltamista kemiallisiin reaktioihin ja prosesseihin. Nesteissä sonokemiallisia vaikutuksia aiheuttava mekanismi on akustinen kavitaatio.
Hielscherin laboratorio- ja teollisuuskäyttöön tarkoitettuja ultraäänilaitteita käytetään monenlaisissa sonokemiallisissa prosesseissa. Ultraäänikavitaatio tehostaa ja nopeuttaa kemiallisia reaktioita, kuten synteesiä ja katalyysiä.
Sonokemialliset reaktiot
Kemiallisissa reaktioissa ja prosesseissa voidaan havaita seuraavia sonokemiallisia vaikutuksia:
- reaktionopeuden kasvu
- reaktion tuoton kasvu
- tehokkaampi energiankäyttö
- sonokemialliset menetelmät reaktioreitin vaihtamiseen
- faasinsiirtokatalyyttien suorituskyvyn paraneminen
- faasinsiirtokatalyyttien käytön välttäminen
- puhdistamattomien tai teknisen puhtausasteen reagenssien käyttö
- metallien ja kiinteiden aineiden aktivointi
- reagenssien tai katalyyttien reaktiivisuuden kasvu (napsauta tästä lukeaksesi lisää ultraääniavusteisesta katalyysistä)
- hiukkassynteesin paraneminen
- nanohiukkasten pinnoittaminen
7 ultraäänihomogenisaattoria, joiden malli on UIP1000hdT (7x 1kW:n ultraääniteho), on asennettu laiteryhmäksi teollisen mittakaavan sonokemiallisia reaktioita varten.
Ultraäänellä tehostettujen kemiallisten reaktioiden edut
Ultraäänellä edistetyt kemialliset reaktiot ovat vakiintunut prosessien tehostamistekniikka kemiallisen synteesin ja prosessoinnin alalla. Ultraääniaaltojen tehoa hyödyntämällä nämä reaktiot tarjoavat lukuisia etuja perinteisiin menetelmiin verrattuna ja parantavat kemiallista katalyysiä ja synteesiä. Erittäin nopeat konversionopeudet, erinomaiset saannot, parempi selektiivisyys, parempi energiatehokkuus ja pienemmät ympäristövaikutukset ovat sonokemiallisten reaktioiden tärkeimmät edut.
Alla olevassa taulukossa esitetään joitakin ultraäänellä edistettyjen reaktioiden merkittäviä etuja perinteisiin kemiallisiin reaktioihin verrattuna:
| Reaktio | Reaktioaika Perinteinen menetelmä |
Reaktioaika Ultraääni |
Saanto Perinteinen menetelmä (%) |
Saanto Ultraääni (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder-syklisaatio | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Indaanin hapettaminen indaani-1-oniksi | 3 h | 3 h | alle 27% | 73% |
| Metoksiaminosilaanin pelkistäminen | ei reaktiota | 3 h | 0% | 100% |
| Pitkäketjuisten tyydyttymättömien rasvahappoesterien epoksidointi | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Aryylialkaanien hapettaminen | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Nitroalkaanien Michael-additio monosubstituoituihin α,β-tyydyttymättömiin estereihin | 2 päivää | 2 h | 85% | 90% |
| 2-oktanolin hapettaminen permanganaatilla | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Kalkonien synteesi Claisen-Schmidt-kondensaatiolla | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| 2-jodonitrobentseenin Ullmann-kytkentä | 2 h | 2h | alle 1,5% | 70,4% |
| Reformatsky-reaktio | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultraäänikavitaatio nesteissä
Kavitaatio tarkoittaa kuplien muodostumista, kasvua ja sisäänpäin suuntautuvaa luhistumista nesteessä. Kavitaatiokuplien luhistuminen aiheuttaa voimakasta paikallista kuumenemista (~5000 K), korkeita paineita (~1000 atm), valtavia kuumenemis- ja jäähtymisnopeuksia (>109 K/sec) sekä nestesuihkuja (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitaatio laitteella UIP1000hd:
Kavitaatiokuplat ovat tyhjiökuplia. Tyhjiön muodostavat toisella puolella nopeasti liikkuva pinta ja toisella puolella hitausominaisuutensa vuoksi liikettä vastustava neste. Syntyvät paine-erot auttavat voittamaan nesteen sisäiset koheesio- ja adheesiovoimat.
Kavitaatiota voidaan tuottaa eri tavoilla, kuten Venturi-suuttimilla, korkeapainesuuttimilla, nopealla pyörimisliikkeellä tai ultraäänimuuntimilla. Kaikissa näissä järjestelmissä syötetty energia muuttuu kitkaksi, turbulenssiksi, aalloiksi ja kavitaatioksi. Kavitaatioksi muuttuvan syötetyn energian osuus riippuu useista tekijöistä, jotka kuvaavat kavitaatiota tuottavan laitteen liikettä nesteessä.
Kiihtyvyyden voimakkuus on yksi tärkeimmistä tekijöistä, jotka vaikuttavat energian tehokkaaseen muuttumiseen kavitaatioksi. Suurempi kiihtyvyys synnyttää suurempia paine-eroja. Tämä puolestaan lisää tyhjiökuplien muodostumisen todennäköisyyttä nesteessä etenevien aaltojen muodostumisen sijaan. Mitä suurempi kiihtyvyys on, sitä suurempi osuus energiasta muuttuu siis kavitaatioksi. Ultraäänimuuntimen tapauksessa kiihtyvyyden voimakkuutta kuvaa värähtelyn amplitudi.
Suuremmat amplitudit tehostavat kavitaation muodostumista. Hielscher Ultrasonicsin teollisuuslaitteet voivat tuottaa jopa 115 µm:n amplitudeja. Nämä suuret amplitudit mahdollistavat suuren tehonsiirtosuhteen, mikä puolestaan mahdollistaa jopa 100 W/cm³:n tehotiheydet.
Voimakkuuden lisäksi nesteen kiihdyttämistavan tulisi minimoida turbulenssista, kitkasta ja aaltojen muodostumisesta aiheutuvat häviöt. Tähän optimaalinen tapa on yksisuuntainen liike.
16 000 watin ultraäänireaktori sonokemiallisesti tehostettuun jatkuvatoimiseen vaihtoesteröintiin.
- aktivoitujen metallien valmistaminen pelkistämällä metallisuoloja
- aktivoitujen metallien tuottaminen ultraäänikäsittelyllä
- hiukkasten sonokemiallinen synteesi saostamalla metallien (Fe, Cr, Mn, Co) oksideja esimerkiksi katalyyttikäyttöön
- metallien tai metallihalogenidien impregnoiminen kantajamateriaaleihin
- aktivoitujen metalliliuosten valmistaminen
- metalleja sisältävät reaktiot in situ muodostettujen organoalkuaineyhdisteiden välityksellä
- ei-metallisia kiinteitä aineita sisältävät reaktiot
- metallien, metalliseosten, zeolithes-aineiden ja muiden kiinteiden aineiden kiteyttäminen ja saostaminen
- pinnan morfologian ja hiukkaskoon muokkaaminen hiukkasten välisillä nopeilla törmäyksillä
- amorfisten nanorakenteisten materiaalien muodostaminen, mukaan lukien suuren ominaispinta-alan siirtymämetallit, metalliseokset, karbidit, oksidit ja kolloidit
- kiteiden agglomeroituminen
- passivoivan oksidipinnoitteen tasoittaminen ja poistaminen
- pienten hiukkasten mikromanipulointi (fraktiointi)
- kiinteiden aineiden dispergointi
- kolloidien valmistaminen (Ag, Au, Q-kokoinen CdS)
- vierasmolekyylien interkalointi epäorgaanisten kerroksellisten kiinteiden isäntäaineiden sisään
- polymeerien sonokemia
- polymeerien hajottaminen ja muokkaaminen
- polymeerien synteesi
- vedessä olevien orgaanisten epäpuhtauksien sonolyysi
Sonokemialliset laitteet
Useimmat mainituista sonokemiallisista prosesseista voidaan muuttaa jälkiasennuksella jatkuvatoimisiksi. Autamme mielellämme valitsemaan prosessointitarpeisiisi sopivat sonokemialliset laitteet. Tutkimukseen ja prosessien testaamiseen suosittelemme laboratoriolaitteitamme tai UIP1000hdT -laitekokonaisuutta.
Tarvittaessa saatavilla on FM- ja ATEX-sertifioituja ultraäänilaitteita ja reaktoreita (esim. UIP1000-Exd) syttyvien kemikaalien ja tuoteformulaatioiden ultraäänikäsittelyyn vaarallisissa ympäristöissä.
Ultraäänikavitaatio muuttaa renkaanavautumisreaktioita
Ultraäänikäsittely on lämmölle, paineelle, valolle tai sähkölle vaihtoehtoinen mekanismi kemiallisten reaktioiden käynnistämiseen. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth ja heidän tiiminsä Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin kampuksen kemian tiedekunnassa käyttivät ultraäänitehoa renkaanavautumisreaktioiden käynnistämiseen ja ohjaamiseen. Ultraäänikäsittelyssä kemialliset reaktiot tuottivat tuotteita, jotka poikkesivat orbitaalien symmetriasääntöjen ennustamista tuotteista (Nature 2007, 446, 423). Ryhmä liitti mekaanisesti herkät 1,2-disubstituoidut bentsosyklobuteeni-isomeerit kahteen polyetyleeniglykoliketjuun, kohdisti niihin ultraäänienergiaa ja analysoi liuokset kokonaisuudessaan käyttäen C13 -ydinmagneettiresonanssispektroskopiaa. Spektrit osoittivat, että sekä cis- että trans-isomeerit tuottavat saman renkaan avautumistuotteen, jota odotettiin trans-isomeerista. Lämpöenergia aiheuttaa reaktanteissa satunnaista Brownin liikettä, kun taas ultraäänikäsittelyn mekaaninen energia antaa atomien liikkeille suunnan. Siksi kavitaation vaikutukset ohjaavat energiaa tehokkaasti venyttämällä molekyyliä ja muokkaamalla potentiaalienergiapintaa.
Anturityyppiset ultraäänilaitteet, kuten UP400St , tehostavat nanohiukkasten synteesiä. Sonokemiallinen reitti on yksinkertainen, tehokas ja nopea, ja se toimii myrkyttömillä kemikaaleilla miedoissa olosuhteissa.
Suorituskykyiset ultraäänilaitteet sonokemiaan
Hielscher Ultrasonics toimittaa ultraääniprosessoreita laboratorioihin ja teollisuuteen. Kaikki Hielscherin ultraäänilaitteet ovat erittäin tehokkaita ja kestäviä ultraäänikoneita, jotka on rakennettu jatkuvaan 24/7-käyttöön täydellä kuormituksella. Digitaalinen ohjaus, ohjelmoitavat asetukset, lämpötilan seuranta, automaattinen tietojen tallennus ja etäohjaus selaimella ovat vain muutamia Hielscherin ultraäänilaitteiden ominaisuuksista. Hielscher Ultrasonicsin laitteet on suunniteltu suorituskykyisiksi ja mukaviksi käyttää, ja käyttäjät arvostavat niiden turvallista ja helppoa käsittelyä. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit tuottavat jopa 200µm:n amplitudeja ja sopivat ihanteellisesti vaativiin käyttökohteisiin. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä prosessointikapasiteetista:
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä: UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Hielscher Ultrasonics valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita sekoittamiseen, dispergointiin, emulgointiin ja uuttoon laboratorio-, pilotti- ja teollisuusmittakaavassa.
Kirjallisuus / Lähteet
- 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 valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriokoosta aina teolliseen kokoluokkaan asti.