Sonokemia ja sonokemialliset reaktorit

Sonokemia on kemian ala, jossa korkean intensiteetin ultraääntä käytetään kemiallisten reaktioiden indusoimiseen, nopeuttamiseen ja muokkaamiseen (synteesi, katalyysi, hajoaminen, polymerointi, hydrolyysi jne.). Ultraäänellä tuotetulle kavitaatiolle on ominaista ainutlaatuiset energiatiheät olosuhteet, jotka edistävät ja tehostavat kemiallisia reaktioita. Nopeammat reaktionopeudet, korkeammat saannot ja vihreiden, lievempien reagenssien käyttö tekevät sonokemiasta erittäin edullisen työkalun parempien kemiallisten reaktioiden saamiseksi.

Sonokemia

Sonokemia on tutkimus- ja käsittelykenttä, jossa molekyylit käyvät läpi kemiallisen reaktion korkean intensiteetin ultrasonicationin (esim. 20 kHz) soveltamisen vuoksi. Sonokemiallisista reaktioista vastaava ilmiö on akustinen kavitaatio. Akustinen tai ultraäänikavitaatio tapahtuu, kun voimakkaat ultraääniaallot kytketään nesteeseen tai lietteeseen. Nesteen tehon ultraääniaaltojen aiheuttamien vuorottelevien korkeapaine-? matalapainesyklien vuoksi syntyy tyhjiökuplia (kavitaatioaukkoja), jotka kasvavat useiden painesyklien aikana. Kun kavitaatiotyhjiökupla saavuttaa tietyn koon, jossa se ei pysty absorboimaan enemmän energiaa, tyhjiökupla luhistuu voimakkaasti ja luo erittäin energiatiheän kuuman pisteen. Tälle paikallisesti esiintyvälle kuumalle pisteelle on ominaista erittäin korkeat lämpötilat, paineet ja erittäin nopeiden nestesuihkujen mikrovirtaus.

Akustinen kavitaatio ja korkean intensiteetin ultrasonicationin vaikutukset

Akustinen kavitaatio, jota usein kutsutaan myös ultraäänikavitaatioksi, voidaan erottaa kahteen muotoon, stabiiliin ja ohimenevään kavitaatioon. Vakaan kavitaation aikana kavitaatiokupla värähtelee monta kertaa tasapainosäteensä ympäri, kun taas ohimenevän kavitaation aikana, jossa lyhytikäinen kupla käy läpi dramaattisia äänenvoimakkuuden muutoksia muutamassa akustisessa syklissä ja päättyy rajuun romahdukseen (Suslick 1988). Stabiili ja ohimenevä kavitaatio voi tapahtua samanaikaisesti liuoksessa, ja vakaan kavitaation läpikäyvästä kuplasta voi tulla ohimenevä ontelo. Kuplan luhistuminen, joka on ominaista ohimenevälle kavitaatiolle ja korkean intensiteetin sonikaatiolle, luo erilaisia fyysisiä olosuhteita, mukaan lukien erittäin korkeat lämpötilat 5000–25 000 K, jopa useiden 1000 baarin paineet ja nestevirrat, joiden nopeus on jopa 1000 m? s. Koska kavitaatiokuplien romahtaminen/luhistuminen tapahtuu alle nanosekunnissa, erittäin korkeat lämmitys- ja jäähdytysnopeudet yli 10¹¹ K/s voidaan havaita. Tällaiset korkeat lämmitysnopeudet ja paine-erot voivat käynnistää ja nopeuttaa reaktioita. Mitä tulee esiintyviin nestevirtoihin, nämä nopeat mikrosuihkut osoittavat erityisen suuria etuja heterogeenisten kiinteiden ja nestemäisten lietteiden suhteen. Nestesuihkut vaikuttavat pintaan romahtavan kuplan täydellä lämpötilalla ja paineella ja aiheuttavat eroosiota hiukkasten välisen törmäyksen sekä paikallisen sulamisen kautta. Näin ollen havaitaan merkittävästi parantunut massansiirto liuoksessa.

Ultraäänikavitaatiota syntyy tehokkaimmin nesteissä ja liuottimissa, joilla on alhainen höyrynpaine. Siksi väliaineet, joilla on alhainen höyrypaine, ovat suotuisia sonokemiallisille sovelluksille.
Ultraäänikavitaation seurauksena syntyneet voimakkaat voimat voivat vaihtaa reaktioreittejä tehokkaampiin reitteihin, jotta vältetään täydellisemmät muunnokset ja? tai ei-toivottujen sivutuotteiden tuotanto.
Kavitaatiokuplien romahtamisen luomaa energiatiheää tilaa kutsutaan kuumaksi pisteeksi. Matalataajuinen, suuritehoinen ultraääni alueella 20 kHz ja kyky luoda suuria amplitudit ovat vakiintuneita voimakkaiden kuumien pisteiden tuottamiseksi ja suotuisissa sonokemiallisissa olosuhteissa.

Ultraäänilaboratoriolaitteet sekä teolliset ultraäänireaktorit kaupallisille sonokemiallisille prosesseille ovat helposti saatavilla ja osoittautuneet luotettaviksi, tehokkaiksi ja ympäristöystävällisiksi laboratorio-, pilotti- ja täysin teollisessa mittakaavassa. Sonokemialliset reaktiot voidaan suorittaa eränä (eli avoimena astiana) tai in-line-prosessina käyttäen suljettua virtaussolureaktoria.

Sono-synteesi

Sono-synteesi tai sonokemiallinen synteesi on ultraäänellä tuotetun kavitaation soveltaminen kemiallisten reaktioiden aloittamiseksi ja edistämiseksi. Suuritehoinen ultraääni (esim. 20 kHz: ssä) osoittaa voimakkaita vaikutuksia molekyyleihin ja kemiallisiin sidoksiin. Esimerkiksi voimakkaasta sonikaatiosta johtuvat sonokemialliset vaikutukset voivat johtaa molekyylien jakamiseen, vapaiden radikaalien luomiseen ja? tai kemiallisten reittien vaihtamiseen. Sonokemiallista synteesiä käytetään siksi voimakkaasti monenlaisten nanorakenteisten materiaalien valmistukseen tai muokkaamiseen. Esimerkkejä sonosynteesissä tuotetuista nanomateriaaleista ovat nanohiukkaset (esim. kulta-NP:t, hopeiset NP:t), pigmentit, ydinkuoren nanohiukkaset, nanohydroksiapatiitti, metalliset orgaaniset kehykset (MOF), vaikuttavat farmaseuttiset aineet (API), mikropallolla koristellut nanohiukkaset, nanokomposiitit monien muiden materiaalien joukossa.
Esimerkkejä: Rasvahappojen metyyliestereiden ultraäänitransesteröinti (biodieseli) tai polyolien transesteröinti ultraäänellä.

TEM-kuva (A) ja sen hiukkaskokojakauma (B) hopean nanohiukkasista (Ag-NP), jotka on syntetisoitu sonokemiallisesti optimaalisissa olosuhteissa.

Myös laajalti käytetty on ultraäänellä edistetty kiteytys (sono-kiteytys), jossa teho-ultraääntä käytetään ylikyllästettyjen liuosten tuottamiseen, kiteytymisen? saostumisen aloittamiseen ja kiteen koon ja morfologian hallintaan ultraääniprosessiparametrien avulla. Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja sono-kiteytyksestä!

Sono-katalyysi

Kemiallisen suspension tai liuoksen sonikointi voi merkittävästi parantaa katalyyttisiä reaktioita. Sonokemiallinen energia lyhentää reaktioaikaa, parantaa lämmön- ja massansiirtoa, mikä johtaa myöhemmin lisääntyneisiin kemiallisten nopeuksien vakioihin, saantoihin ja selektiivisyyksiin.
On olemassa lukuisia katalyyttisiä prosesseja, jotka hyötyvät huomattavasti tehon ultraäänen käytöstä ja sen sonokemiallisista vaikutuksista. Mikä tahansa heterogeeninen faasisiirtokatalyysi (PTC) -reaktio, johon liittyy kaksi tai useampia sekoittumattomia nesteitä tai nestemäinen kiinteä koostumus, hyötyy sonikaatiosta, sonokemiallisesta energiasta ja parannetusta massansiirrosta.
Esimerkiksi fenolin hiljaisen ja ultraäänellä avustetun katalyyttisen märkäperoksidihapetuksen vertaileva analyysi vedessä paljasti, että sonikaatio vähensi reaktion energiaestettä, mutta sillä ei ollut vaikutusta reaktioreittiin. Aktivointienergia fenolin hapettumiseksi RuI: n yli₃ katalyytin sonikoinnin aikana todettiin olevan 13 kJ mol^-1, joka oli neljä kertaa pienempi verrattuna hiljaiseen hapetusprosessiin (57 kJ mol^-1). (Rokhina et ai., 2010)
Sonokemiallista katalyysiä käytetään menestyksekkäästi kemiallisten tuotteiden valmistukseen sekä mikroni- ja nanorakenteisten epäorgaanisten materiaalien, kuten metallien, seosten, metalliyhdisteiden, ei-metallisten materiaalien ja epäorgaanisten komposiittien, valmistukseen. Yleisiä esimerkkejä ultraäänellä avustetusta PTC: stä ovat vapaiden rasvahappojen transesteröinti metyyliesteriksi (biodieseli), hydrolyysi, kasviöljyjen saippuointi, sono-Fenton-reaktio (Fentonin kaltaiset prosessit), sonokatalyyttinen hajoaminen jne.
Lue lisää sono-katalyysistä ja erityissovelluksista!
Sonikaatio parantaa napsautuskemiaa, kuten atsidi-alkyynisykloadditioreaktioita!

Muut sonokemialliset sovellukset

Monipuolisen käytön, luotettavuuden ja yksinkertaisen käytön ansiosta sonokemialliset järjestelmät, kuten UP400St tai UIP2000hdT arvostetaan tehokkaina kemiallisten reaktioiden laitteina. Hielscher Ultrasonics sonokemiallisia laitteita voidaan helposti käyttää erässä (avoin dekantterilasi) ja jatkuvassa inline-sonikaatiossa sonokemiallisen virtaussolun avulla. Sonokemiaa, mukaan lukien sonosynteesi, sonokatalyysi, hajoaminen tai polymerointi, käytetään laajalti kemiassa, nanoteknologiassa, materiaalitieteessä, lääkkeissä, mikrobiologiassa sekä muilla teollisuudenaloilla.

Korkean suorituskyvyn sonokemian laitteet

Hielscher Ultrasonics on innovatiivisten, huipputeknisten ultraäänilaitteiden, sonokemiallisen virtaussolun, reaktoreiden ja lisävarusteiden toimittaja tehokkaisiin ja luotettaviin sonokemiallisiin reaktioihin. Kaikki Hielscher-ultraäänilaitteet on suunniteltu, valmistettu ja testattu yksinomaan Hielscher Ultrasonicsin pääkonttorissa Teltowissa (lähellä Berliiniä), Saksassa. Korkeimpien teknisten standardien ja erinomaisen kestävyyden ja 24/7/365 toiminnan lisäksi erittäin tehokkaaseen toimintaan, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat helppoja ja luotettavia käyttää. Korkea hyötysuhde, älykäs ohjelmisto, intuitiivinen valikko, automaattinen dataprotokolla ja selaimen kaukosäädin ovat vain muutamia ominaisuuksia, jotka erottavat Hielscher Ultrasonicsin muista sonokemiallisten laitteiden valmistajista.

Tarkasti säädettävät amplitudit

Amplitudi on siirtymä sonotrodin etuosassa (kärki) (tunnetaan myös nimellä ultraäänianturi tai sarvi) ja se on ultraäänikavitaation tärkein vaikuttava tekijä. Korkeammat amplitudit tarkoittavat voimakkaampaa kavitaatiota. Vaadittu kavitaation intensiteetti riippuu voimakkaasti reaktiotyypistä, käytetyistä kemiallisista reagensseista ja spesifisen sonokemiallisen reaktion kohdennetuista tuloksista. Tämä tarkoittaa, että amplitudin tulisi olla tarkasti säädettävissä, jotta akustisen kavitaation voimakkuus voidaan virittää ihanteelliselle tasolle. Kaikki Hielscher-ultraääniastiat voidaan säätää luotettavasti ja tarkasti älykkäällä digitaalisella ohjauksella ihanteelliseen amplitudiin. Tehostesarvia voidaan lisäksi käyttää amplitudin pienentämiseen tai lisäämiseen mekaanisesti. Ultraääni’ Teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudit. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.

Tarkka lämpötilan säätö sonokemiallisten reaktioiden aikana

In the cavitation hot-spot, extremely high temperatures of of many thousands of degrees Celsius can be observed. However, these extreme temperatures are limited locally to the minute interior and surrounding of the imploding cavitation bubble. In the bulk solution, the temperature rise from the implosion a single or few cavitation bubbles is negligible. But continuous, intense sonication for longer periods can cause an incremental increase of the bulk liquid’s temperature. This increase in temperature contributes to many chemical reactions and is often considered as beneficial. However, different chemical reactions have different optimum reaction temperatures. When heat-sensitive materials are treated, temperature control may be necessary. In order to allow for ideal thermal conditions during sonochemical processes, Hielscher Ultrasonics offers various sophisticated solutions for precise temperature control during sonochemical processes, such as sonochemical reactors and flow cells equipped with cooling jackets.
Sonokemialliset virtaussolumme ja reaktorimme ovat saatavana jäähdytysvaipoilla, jotka tukevat tehokasta lämmöntuottoa. Jatkuvaa lämpötilan seurantaa varten Hielscher-ultraäänilaitteet on varustettu kytkettävällä lämpötila-anturilla, joka voidaan asettaa nesteeseen irtolämpötilan jatkuvaa mittaamista varten. Hienostunut ohjelmisto mahdollistaa lämpötila-alueen asettamisen. Kun lämpötilaraja ylitetään, ultraäänilaite pysähtyy automaattisesti, kunnes nesteen lämpötila on laskenut tiettyyn asetusarvoon ja alkaa automaattisesti sonikoida uudelleen. Kaikki lämpötilamittaukset sekä muut tärkeät ultraääniprosessitiedot tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille ja niitä voidaan tarkistaa helposti prosessinohjausta varten.
Temperature is a crucial parameter of sonochemical processes. Hielscher’s elaborated technology helps you to keep the temperature of your sonochemical application in the ideal temperature range.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: