Sonokemia on kemian ala, jossa korkean intensiteetin ultraääntä käytetään kemiallisten reaktioiden (synteesi, katalyysi, hajoaminen, polymerointi, hydrolyysi jne.) indusoimiseen, nopeuttamiseen ja muokkaamiseen. Ultraäänellä tuotetulle kavitaatiolle on ominaista ainutlaatuiset energiatiheät olosuhteet, jotka edistävät ja tehostavat kemiallisia reaktioita. Nopeammat reaktioprosentit, korkeammat saantot ja vihreiden, miedomman reagenssien käyttö muuttavat sonokemian erittäin edulliseksi työkaluksi parempien kemiallisten reaktioiden saamiseksi.

sonokemian

Sonokemia on tutkimus- ja käsittelyala, jolla molekyylit käyvät kemiallisessa reaktiossa korkean intensiteetin ultrasonicationin (esim. 20 kHz) vuoksi. Sonokemiallisista reaktioista vastuussa oleva ilmiö on akustinen kavitaatio. Akustinen tai ultraäänikavitaatio tapahtuu, kun voimakkaat ultraääniaallot on yhdistetty nesteeseen tai lietteeseen. Nesteen tehon ultraääniaaltojen aiheuttamien vuorottelevan korkeapaine- / matalapainesyklin vuoksi syntyy tyhjiökuplia (kavitaatiotyhjiöitä), jotka kasvavat useissa painesykleissä. Kun kavitaatiotyhjiökupla saavuttaa tietyn koon, jossa se ei voi imeä enemmän energiaa, tyhjiökupla luhistutuu voimakkaasti ja luo erittäin energiatiheän kuuman pisteen. Tälle paikallisesti esiintyvälle kuumalle paikalle on ominaista erittäin korkeat lämpötilat, paineet ja erittäin nopeiden nestesuihkujen mikrostriimaus.

Akustinen kavitaatio ja korkean intensiteetin ultraäänen vaikutukset

Akustinen kavitaatio, jota kutsutaan usein myös ultraäänikavitaatioksi, voidaan erottaa kahteen muotoon, vakaa ja ohimenevä kavitaatio. Stabiilin kavitaatiokuplan aikana kavitaatiokupla värähtelee monta kertaa tasapainosäteensä ympärillä, kun taas ohimenevän kavitaatiossa lyhytikäinen kupla käy läpi dramaattisia tilavuusmuutoksia muutamassa akustisessa syklissä ja päättyy rajuun romahdukseen (Suslick 1988). Liuoksessa voi esiintyä stabiilia ja ohimenevää kavitaatiota samanaikaisesti, ja kuplasta, jolle kavitaatio on vakaa, voi tulla ohimenevä ontelo. Kuplan luhistuminen, joka on ominaista ohimenevälle kavitaatiolle ja voimakkaalle sonikaatiolle, luo erilaisia fyysisiä olosuhteita, kuten erittäin korkeat lämpötilat 5000–25 000 K, jopa useiden 1000 baarin paineet ja nestemäiset virtaukset, joiden nopeus on jopa 1000m/s. Koska kavitaatiokuplien romahtaminen/luhistuminen tapahtuu alle nanosekunnissa, erittäin korkea lämmitys- ja jäähdytysnopeus on yli 10¹¹ K/s voidaan havaita. Tällaiset korkeat lämmitys- ja paine-erot voivat käynnistää ja nopeuttaa reaktioita. Esiintyvien nestevirtojen osalta nämä nopeat mikrojetit osoittavat erityisen suuria etuja heterogeenisten kiinteiden ja nestemäisten lietteen osalta. Nestemäiset suihkut läpäisevät pinnan romahtavan kuplan täydellä lämpötilalla ja paineella ja aiheuttavat eroosiota erukkatörmäyksen ja paikallisen sulamisen kautta. Näin ollen liuoksessa havaitaan huomattavasti parempi massansiirto.

Ultraäänikavitaatio syntyy tehokkaimmin nesteissä ja liuottimissa, jotka ovat alhaisia höyrynpaineita. Siksi vähähöyrypaineiset tiedotusvälineet ovat suotuisia sonokemiallisille sovelluksille.
Ultraäänikavitaatioiden seurauksena luodut voimakkaat voimat voivat vaihtaa reaktioiden reittejä tehokkaampiin reitteihin, jotta vältetään täydellisempiä konversioita ja / tai ei-toivottujen sivutuotteiden tuotantoa.
Kavitaatiokuplien romahtamisen synnytä energiatiheää tilaa kutsutaan kuumaksi pisteksi. Matalataajuuksinen, suuritehoinen ultraääni 20 kHz: n alueella ja kyky luoda korkeita amplitudia on vakiintunut voimakkaiden kuumien pisteiden ja suotuisten sonokemiallisten olosuhteiden luomiseksi.

Ultraäänilaboratoriolaitteet sekä teolliset ultraäänireaktorit kaupallisiin sonokemiallisiin prosesseihin ovat helposti saatavilla ja todistettu luotettaviksi, tehokkaiksi ja ympäristöystävällisiksi laboratorio-, pilotti- ja täysteollisissa laajassa. Sonokemialliset reaktiot voidaan suorittaa eränä (eli avoimena astiana) tai in-line-prosessina käyttäen suljettua virtauskennoreaktoria.

Sono-synteesi

Sonosynteesi tai sonokemiallinen synteesi on ultraäänellä tuotetusta kavitaatiota kemiallisten reaktioiden aloittamiseksi ja edistämiseksi. Suuritehoinen ultrasonication (esim. 20 kHz: n taajuudella) osoittaa voimakkaita vaikutuksia molekyyleihin ja kemiallisiin sidoksiin. Esimerkiksi voimakkaasta sonikaatiosta johtuvat sonokemialliset vaikutukset voivat johtaa molekyylien halkaisemiseen, vapaiden radikaalien luomiseen ja/tai kemiallisten reittien vaihtamiseen. Sonokemiallista synteesiä käytetään siksi voimakkaasti monenlaista nanorakenteista materiaalia valmistettuun tai muokattiin. Esimerkkejä sonosynteesin avulla tuotetuista nanomateriaaleista ovat nanohiukkaset (esim. kultaiset NPP:t, hopeiset NPP:t), pigmentit, ydinkuoren nanohiukkaset, nanohydroksiapatiitti, metalliset orgaaniset puitteet, vaikuttavat farmaseuttiset ainesosat (API), mikropallolla koristellut nanohiukkaset, nanokomposiitteja monien muiden materiaalien joukossa.
esimerkkejä: Rasvahappojen metyyliestereiden ultraäänitransesteröinti (biodiesel) tai polyolien transesteröinti ultraäänellä.

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

Laajalti sovelletaan myös ultraäänellä edistettyä kiteytystä (sono-kiteytys), jossa teho-ultraääntä käytetään tuottamaan ylityydytettyjä ratkaisuja, aloittamaan kiteytyminen / saostuminen ja hallitsemaan kristallin kokoa ja morfologiaa ultraääniprosessiparametrien avulla. Klikkaa tästä oppiaksesi lisää sono-kiteytys!

sono-katalyysi

Kemiallisen suspension tai liuoksen äänittäminen voi parantaa katalyyttisiä reaktioita merkittävästi. Sonokemiallinen energia lyhentää reaktioaikaa, parantaa lämpöä ja massansiirtoa, mikä johtaa myöhemmin kemian nopeuden vakioiden, saannon ja valikoivuuksien lisääntyminen.
On olemassa lukuisia katalyyttisiä prosesseja, jotka hyötyvät voimakkaasti tehon ultraäänen soveltamisesta ja sen sonokemiallisista vaikutuksista. Heterogeeninen faasinsiirtokatalyysireaktio (PTC), johon liittyy kaksi tai useampia muuntumattomia nesteitä tai nesteen kiinteä koostumus, hyötyy sonikaatiosta, sonokemiallisesta energiasta ja paremmasta massansiirrosta.
Esimerkiksi fenolin hiljaisen ja ultraäänellä avustetun katalyyttisen märkäperoksidin hapettumisen vertaileva analyysi vedessä paljasti, että sonikaatio pienensi reaktion energiaestettä, mutta sillä ei ollut vaikutusta reaktioreittiin. Aktivaatioenergia fenolin hapettumiseen RuIn yli₃ katalysaattorin sonikoinnin aikana todettiin olevan 13 kJ mol^-1, joka oli neljä kertaa pienempi kuin hiljainen hapetusprosessi (57 kJ^-1). (Rokhina ym., 2010)
Sonokemiallista katalyysiä käytetään menestyksekkäästi kemiallisten tuotteiden valmistukseen sekä mikro- ja nanorakenteisten epäorgaanisten materiaalien, kuten metallien, seosten, metalliyhdisteiden, ei-metallisten materiaalien ja epäorgaanisten komposiittien valmistukseen. Yleisiä esimerkkejä ultraäänellä avustetusta PTC:stä ovat vapaiden rasvahappojen transesterointi metyyliesteriksi (biodiesel), hydrolyysi, kasviöljyjen saippuoituminen, sono-Fenton-reaktio (Fentonin kaltaiset prosessit), sonokatalyyttinen hajoaminen jne.
Lue lisää sonokatalyysistä ja erityissovelluksista!
Sonikaatio parantaa napsautuskemiaa, kuten atsidi-alkyyni-sykloadditioreaktioita!

Muut sonokemialliset sovellukset

Monipuolisen käytön, luotettavuuden ja yksinkertaisen toiminnan ansiosta sonokemialliset järjestelmät, kuten UP400St tai UIP2000hdT arvostetaan tehokkaina laitteina kemiallisia reaktioita varten. Hielscher Ultrasonics -sonokemiallisia laitteita voidaan helposti käyttää erälle (avoin sekoitin) ja jatkuvalle inline-sonikaatiolle sonokemiallisen virtaussolun avulla. Sonokemiaa, mukaan lukien sonosynteesi, sonokatalyysi, hajoaminen tai polymerointi, käytetään laajalti kemiassa, nanoteknologiassa, materiaalitieteessä, lääkkeissä, mikrobiologiassa sekä muilla teollisuudenaloilla.

Suorituskykyiset sonokemialliset laitteet

Hielscher Ultrasonics on paras innovatiivisten, huippuluokan ultraäänilaitteiden, sonokemiallisen virtauskennon, reaktoreiden ja lisävarusteiden toimittaja tehokkaisiin ja luotettaviin sonokemiallisiin reaktioihin. Kaikki Hielscher ultrasonicators on yksinomaan suunniteltu, valmistettu ja testattu Hielscher Ultrasonics pääkonttori Teltow (lähellä Berliiniä), Saksa. Korkeimpien teknisten standardien ja erinomaisen kestävyyden sekä 24/7/365-toiminnan lisäksi Hielscher-ultraääniastiat 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 sonotrodin etuosan (kärjen) siirtymä (tunnetaan myös nimellä ultraäänianturi tai sarvi) ja se on ultraäänikavitaatioon pääasiassa vaikuttavan tekijä. Korkeammat amplitudit merkitsevät voimakkaampaa kavitaatiota. Kavitaatiovoimakkuus riippuu voimakkaasti reaktiotyypistä, käytetyistä kemiallisista reagensssista ja spesifisen sonokemiallisen reaktion kohdennetuista tuloksista. Tämä tarkoittaa, että amplitudi on säädettävä tarkasti, jotta akustisen kavitoinnin voimakkuus voidaan säätää ihanteelliselle tasolle. Kaikki Hielscher-ultraääniastiat voidaan säätää luotettavasti ja tarkasti älykkään digitaalisen ohjaimien avulla ihanteelliseen amplitudiin. Tehostesarvia voidaan lisäksi käyttää amplitudia mekaanisesti pienentämään tai lisäämään. Ultraääni’ teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin korkeita amplitudit. Jopa 200 μm:n amplitudit voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-toiminnassa. Vielä korkeampia amplitudit, räätälöity ultraääni ultraääni sonotrodit ovat saatavilla.

Tarkka lämpötilan säätö sonokemiallisten reaktioiden aikana

Kavitaatiossa voidaan havaita erittäin korkeita lämpötiloja, jotka ovat tuhansia celsiusasteita. Nämä äärimmäiset lämpötilat rajoittuvat kuitenkin paikallisesti luhistuvan kavitaatiokuplan minuuttisisuksiin ja ympäristöön. Irtoliuoksessa lämpötilan nousu luhistumisesta yksi tai muutama kavitaatiokupla on vähäinen. Mutta jatkuva, voimakas sonikaatio pidempiä aikoja voi aiheuttaa irtonesteen lämpötilan nousua. Tämä lämpötilan nousu edistää monia kemiallisia reaktioita, ja sitä pidetään usein hyödyllisenä. Erilaisilla kemiallisilla reaktioilla on kuitenkin erilaiset optimaaliset reaktiolämpötilat. Lämpöherkkiä materiaaleja hoideltaessa lämpötilan säätö voi olla tarpeen. Ihanteellisten lämpöolosuhteiden mahdollistamiseksi sonokemiallisissa prosesseissa Hielscher Ultrasonics tarjoaa erilaisia kehittyneitä ratkaisuja tarkan lämpötilan hallintaan sonokemiallisten prosessien aikana, kuten sonokemialliset reaktorit ja jäähdytystakeilla varustetut virtauskennot.
Sonokemialliset virtauskennomme ja reaktorimme ovat saatavilla jäähdytystakeilla, jotka tukevat tehokasta lämmön haihtumista. Jatkuvaa lämpötilan seurantaa varten Hielscher-ultraäänilaitteet on varustettu kytkettävällä lämpötila-anturilla, joka voidaan työntää nesteeseen irtolämpötilan jatkuvaa mittaamista varten. Hienostunut ohjelmisto mahdollistaa lämpötila-alueen asettamisen. Kun lämpötilaraja ylittyy, ultraäänilaite pysähtyy automaattisesti, kunnes nesteen lämpötila on laskenut tiettyyn asetettuun pisteeseen ja alkaa automaattisesti äänitellä uudelleen. Kaikki lämpötilamittaukset ja muut tärkeät ultraääniprosessitiedot tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille, ja ne voidaan tarkistaa helposti prosessinohjausta varten.
Lämpötila on tärkeä sonokemiallisten prosessien parametri. Hielscherin hienostunut tekniikka auttaa sinua pitämään sonokemiallisen sovelluksesi lämpötilan ihanteellisella lämpötila-alueella.

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: