Sonokemialliset reaktiot ja synteesi
Sonokemia on ultraäänen soveltaminen kemiallisiin reaktioihin ja prosesseihin. Sonokemiallisia vaikutuksia nesteissä aiheuttava mekanismi on akustisen kavitaation ilmiö.
Hielscherin ultraäänilaboratoriota ja teollisuuslaitteita käytetään monenlaisissa sonokemiallisissa prosesseissa. Ultraäänikavitaatio tehostaa ja nopeuttaa kemiallisia reaktioita, kuten synteesiä ja katalyysiä.
Sonokemialliset reaktiot
Seuraavat sonokemialliset vaikutukset voidaan havaita kemiallisissa reaktioissa ja prosesseissa:
- reaktionopeuden kasvu
- reaktion ulostulon lisääntyminen
- Tehokkaampi energiankäyttö
- Sonokemialliset menetelmät reaktioreitin vaihtamiseksi
- Vaiheensiirtokatalyyttien suorituskyvyn parantaminen
- faasisiirtokatalyyttien välttäminen
- Raakareagenssien tai teknisten reagenssien käyttö
- metallien ja kiinteiden aineiden aktivointi
- reagenssien tai katalyyttien reaktiivisuuden lisääntyminen (Klikkaa tästä lukeaksesi lisää ultraääniavusteisesta katalyysistä)
- hiukkassynteesin parantaminen
- Nanohiukkasten pinnoitus
7 ultraäänihomogenisaattoria malli UIP1000hdT (7x 1kW ultraääniteho) asennettu klusteriksi sonokemiallisille reaktioille teollisessa mittakaavassa.
Ultraäänellä tehostettujen kemiallisten reaktioiden edut
Ultraäänellä edistetyt kemialliset reaktiot ovat vakiintunut prosessi tehostamistekniikka kemiallisen synteesin ja käsittelyn alalla. Valjastamalla ultraääniaaltojen voiman nämä reaktiot tarjoavat lukuisia etuja perinteisiin menetelmiin verrattuna, mikä parantaa kemiallista katalyysiä ja synteesiä. Turbonopeat muuntokurssit, erinomaiset saannot, parannettu selektiivisyys, parempi energiatehokkuus ja pienemmät ympäristövaikutukset ovat sonokemiallisten reaktioiden tärkeimmät edut.
Pöytäpuhallus osoittaa joitain merkittäviä etuja ultraäänellä edistetystä reaktiosta verrattuna tavanomaisiin kemiallisiin reaktioihin:
| reaktio | Reaktioaika Tavanomainen |
Reaktioaika Ultraääni |
Tuotto Tavanomainen (%) |
Tuotto Ultraääni (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder-syklisointi | 35 tuntia | 3,5 tuntia | 77.9 | 97.3 |
| Indaanin hapettuminen indaani-1-oniksi | 3 tuntia | 3 tuntia | alle 27 % | 73% |
| Metoksiaminosilaanin vähentäminen | ei reaktiota | 3 tuntia | 0% | 100% |
| Pitkäketjuisten tyydyttymättömien rasvaestereiden epoksidaatio | 2 tuntia | 15 minuuttia | 48% | 92% |
| Aryylialkaanien hapettuminen | 4 tuntia | 4 tuntia | 12% | 80% |
| Michael-nitroalkaanien lisääminen monosubstituoituihin α,β-tyydyttymättömiin estereihin | 2 päivää | 2 tuntia | 85% | 90% |
| 2-oktanolin permanganaattihapetus | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Kalkonien synteesi CLaisen-Schmidt-kondensaatiolla | 60 minuuttia | 10 min | 5% | 76% |
| UIllmann-kytkentä 2-jodonitrobentseenistä | 2 tuntia | 2h | vähemmän rusketusta 1,5% | 70.4% |
| Reformatsky-reaktio | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultraäänikavitaatio nesteissä
Kavitaatio, eli kuplien muodostuminen, kasvu ja implosiivinen romahtaminen nesteessä. Kavitaatioromahdus tuottaa voimakasta paikallista lämmitystä (~ 5000 K), korkeita paineita (~ 1000 atm) ja valtavia lämmitys- ja jäähdytysnopeuksia (>109 K/s) ja nestesuihkuvirrat (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitaatio käyttäen UIP1000hd:
Kavitaatiokuplat ovat tyhjiökuplia. Tyhjiö syntyy nopeasti liikkuvasta pinnasta toisella puolella ja inertistä nesteestä toisella puolella. Tuloksena olevat paine-erot auttavat voittamaan nesteen koheesio- ja tarttuvuusvoimat.
Kavitaatio voidaan tuottaa eri tavoin, kuten Venturi-suuttimet, korkeapainesuuttimet, nopea kierto tai ultraäänianturit. Kaikissa näissä järjestelmissä syöttöenergia muuttuu kitkaksi, turbulensseiksi, aalloiksi ja kavitaatioksi. Kavitaatioksi muunnetun syöttöenergian osuus riippuu useista tekijöistä, jotka kuvaavat kavitaatiota tuottavien laitteiden liikettä nesteessä.
Kiihtyvyyden voimakkuus on yksi tärkeimmistä tekijöistä, jotka vaikuttavat energian tehokkaaseen muuntamiseen kavitaatioksi. Suurempi kiihtyvyys luo suurempia paine-eroja. Tämä puolestaan lisää tyhjiökuplien muodostumisen todennäköisyyttä nesteen läpi etenevien aaltojen luomisen sijaan. Siten mitä suurempi kiihtyvyys, sitä suurempi on energian osuus, joka muuttuu kavitaatioksi. Ultraäänianturin tapauksessa kiihtyvyyden voimakkuutta kuvataan värähtelyn amplitudilla.
Korkeammat amplitudit johtavat tehokkaampaan kavitaation luomiseen. Hielscher Ultrasonicsin teollisuuslaitteet voivat luoda jopa 115 μm: n amplitudit. Nämä suuret amplitudit mahdollistavat suuren voimansiirtosuhteen, mikä puolestaan mahdollistaa suurten tehotiheyksien luomisen jopa 100 W / cm³.
Intensiteetin lisäksi nestettä tulisi kiihdyttää siten, että syntyy minimaalisia häviöitä turbulenssien, kitkan ja aallonmuodostuksen suhteen. Tätä varten optimaalinen tapa on yksipuolinen liikesuunta.
Ultraäänireaktori, jossa on 16 000 wattia sonokemiallisesti tehostettuun inline-transesteröintiin.
- Aktivoitujen metallien valmistus pelkistämällä metallisuoloja
- aktivoitujen metallien tuottaminen sonikaatiolla
- hiukkasten sonokemiallinen synteesi saostamalla metallioksideja (Fe, Cr, Mn, Co), esimerkiksi katalysaattoreina käytettävät
- metallien tai metallihalogenidien kyllästäminen tuilla
- Aktivoitujen metalliliuosten valmistus
- reaktiot, joihin liittyy metalleja paikalla tuotettujen orgaanisten alkuainelajien kautta
- reaktiot, joihin liittyy ei-metallisia kiinteitä aineita
- Metallien, seosten, zeoliittien ja muiden kiinteiden aineiden kiteytys ja saostuminen
- pinnan morfologian ja hiukkaskoon muuttaminen suurinopeuksisilla hiukkasten välisillä törmäyksillä
- amorfisten nanorakenteisten materiaalien muodostuminen, mukaan lukien suuren pinta-alan siirtymämetallit, seokset, karbidit, oksidit ja kolloidit
- kiteiden taajama
- passivoivan oksidipinnoitteen tasoitus ja poisto
- pienten hiukkasten mikromanipulaatio (fraktiointi)
- Kiinteiden aineiden dispersio
- kolloidien valmistus (Ag, Au, Q-kokoinen CdS)
- vierasmolekyylien interkalaatio isäntäepäorgaanisiksi kerrostuneiksi kiinteiksi aineiksi
- Polymeerien sonokemia
- polymeerien hajoaminen ja modifiointi
- polymeerien synteesi
- Orgaanisten epäpuhtauksien sonolyysi vedessä
Sonokemialliset laitteet
Suurin osa mainituista sonokemiallisista prosesseista voidaan jälkiasentaa toimimaan linjassa. Autamme mielellämme sinua valitsemaan sonokemialliset laitteet käsittelytarpeisiisi. Tutkimukseen ja prosessien testaamiseen suosittelemme laboratoriolaitteitamme tai UIP1000hdT-sarja.
Tarvittaessa FM- ja ATEX-sertifioidut ultraäänilaitteet ja reaktorit (esim. UIP1000-Exd) ovat saatavilla syttyvien kemikaalien ja tuoteformulaatioiden sonikointiin vaarallisissa ympäristöissä.
Ultraäänikavitaatio muuttaa renkaan avautumisreaktioita
Ultrasonication on vaihtoehtoinen mekanismi lämmölle, paineelle, valolle tai sähkölle kemiallisten reaktioiden aloittamiseksi. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth, ja heidän tiiminsä Kemian tiedekunta Illinoisin yliopistossa Urbana-Champaignissa käytti ultraäänivoimaa renkaan avautumisreaktioiden laukaisemiseen ja manipulointiin. Sonikaatiossa kemialliset reaktiot tuottivat tuotteita, jotka poikkesivat kiertoradan symmetriasääntöjen ennustamista tuotteista (Nature 2007, 446, 423). Ryhmä yhdisti mekaanisesti herkät 1,2-disubstituoidut bentsosyklobuteeni-isomeerit kahteen polyetyleeniglykoliketjuun, käytti ultraäänienergiaa ja analysoi irtoliuokset käyttämällä C: tä13 ydinmagneettinen resonanssispektroskopia. Spektrit osoittivat, että sekä cis- että trans-isomeerit tuottavat saman renkaan avaaman tuotteen, jota transisomeeriltä odotetaan. Vaikka lämpöenergia aiheuttaa reagenssien satunnaista Brownin liikettä, ultrasonicationin mekaaninen energia antaa suunnan atomiliikkeille. Siksi kavitaatiovaikutukset ohjaavat energiaa tehokkaasti kiristämällä molekyyliä ja muokkaamalla potentiaalienergian pintaa.
Koetintyyppiset ultraäänilaitteet UP400St tehostaa nanohiukkasten synteesiä. Sonokemiallinen reitti on yksinkertainen, tehokas, nopea ja toimii myrkyttömien kemikaalien kanssa lievissä olosuhteissa.
Korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteet sonokemiaan
Hielscher Ultrasonics toimittaa ultraääniprosessoreita laboratorioon ja teollisuuteen. Kaikki Hielscher-ultraäänilaitteet ovat erittäin tehokkaita ja kestäviä ultraäänikoneita, jotka on rakennettu jatkuvaan 24/7 toimintaan täydellä kuormituksella. Digitaalinen ohjaus, ohjelmoitavat asetukset, lämpötilan valvonta, automaattinen dataprotokolla ja selaimen etäohjaus ovat vain muutamia Hielscher-ultraäänilaitteiden ominaisuuksia. Suunniteltu korkeaan suorituskykyyn ja mukavaan käyttöön, käyttäjät arvostavat Hielscher Ultrasonics -laitteiden turvallista ja helppoa käsittelyä. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit tuottavat jopa 200 μm: n amplitudit ja ovat ihanteellisia raskaisiin sovelluksiin. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita sekoitussovelluksiin, dispersioon, emulgointiin ja uuttamiseen laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.
Kirjallisuus / Viitteet
- 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 korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita laboratorio jotta Teollisuuden koko.