Réactions sonochimiques et synthèse
Sonochemistry est l'application des ultrasons à des réactions chimiques et des processus. Le mécanisme à l'origine des effets sonochimiques dans les liquides est le phénomène de cavitation acoustique.
Les appareils de laboratoire à ultrasons et les appareils industriels Hielscher sont utilisés dans une large gamme de procédés sonochimiques. La cavitation ultrasonique intensifie et accélère les réactions chimiques telles que la synthèse et la catalyse.
Réactions sonochimiques
On peut observer les effets sonochimiques suivants dans les réactions chimiques et des processus:
- augmenter la vitesse de réaction
- augmentation de la production de réaction
- consommation d'énergie plus efficace
- sonochimiques méthodes pour la commutation de la voie de réaction
- l'amélioration de la performance des catalyseurs de transfert de phase
- évitement des catalyseurs de transfert de phase
- utilisation de réactifs bruts ou techniques
- activation des métaux et des matières solides
- augmentation de la réactivité des réactifs ou des catalyseurs (cliquez ici pour en savoir plus sur la catalyse assistée par ultrasons)
- l'amélioration de la synthèse des particules
- revêtement de nanoparticules
7 homogénéisateurs à ultrasons de la modèle UIP1000hdT (7x 1kW de puissance ultrasonique) installé comme cluster pour les réactions sonochimiques à l'échelle industrielle.
Avantages des réactions chimiques intensifiées par ultrasons
Les réactions chimiques favorisées par les ultrasons sont une technique établie d'intensification des processus dans le domaine de la synthèse et du traitement chimiques. En exploitant la puissance des ondes ultrasonores, ces réactions offrent de nombreux avantages par rapport aux méthodes conventionnelles, améliorant ainsi la catalyse et la synthèse chimiques. Des taux de conversion ultrarapides, d'excellents rendements, une sélectivité accrue, une meilleure efficacité énergétique et un impact réduit sur l'environnement sont les principaux avantages des réactions sonochimiques.
Le tableau ci-dessous présente les principaux avantages de la réaction favorisée par les ultrasons par rapport aux réactions chimiques conventionnelles :
| réaction | Temps de réaction Conventionnel |
Temps de réaction ultra-sons |
rendement Conventionnel (%) |
rendement Ultrasons (%) |
|---|---|---|---|---|
| Cyclisation de Diels-Alder | 35 h | 3.5 h | 77.9 | 97.3 |
| Oxydation de l'indane en indane-1-one | 3 h | 3 h | moins de 27% | 73% |
| Réduction du méthoxyaminosilane | aucune réaction | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxydation des esters gras insaturés à longue chaîne | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxydation des arylalcanes | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Addition de Michael de nitroalcanes sur des esters α,β-insaturés monosubstitués | 2 jours | 2 h | 85% | 90% |
| Oxydation du 2-octanol par le permanganate | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Synthèse de chalcones par condensation de CLaisen-Schmidt | 60 minutes | 10 min | 5% | 76% |
| Couplage d'UIllmann du 2-iodonitrobenzène | 2 h | 2H | moins de 1,5 % | 70.4% |
| Réaction de Reformatsky | 12h | 30 minutes | 50% | 98% |
Cavitation dans les liquides
La cavitation, c'est-à-dire la formation, la croissance et l'effondrement implosif des bulles dans un liquide. L'effondrement cavitaire produit un chauffage local intense (~ 5000 K), des pressions élevées (~ 1000 atm) et d'énormes taux de chauffage et de refroidissement (>109 K / sec) et des jets de liquide (~ 400 km / h). (Suslick 1998)
Cavitation au moyen de la UIP1000hd:
des bulles de cavitation sont des bulles de vide. Le vide est réalisé par une surface en mouvement rapide d'un côté et un liquide inerte de l'autre. Les différences de pression résultant servent à surmonter la cohésion et les forces d'adhérence dans le liquide.
Cavitation peut être produite de différentes manières, telles que les buses Venturi, buses haute pression, la grande vitesse rotation ou transducteurs à ultrasons. Dans tous ces systèmes, l’énergie d’entrée se transforme en friction, de turbulences, de vagues et de cavitation. La fraction de l’énergie d’entrée qui se transforme en cavitation dépend de plusieurs facteurs décrivant le mouvement de la cavitation, matériel de production dans le liquide.
L'intensité de l'accélération est l'un des facteurs les plus importants qui influent sur la transformation efficace de l'énergie en cavitation. l'accélération plus élevée crée des différences de pression plus élevées. Cela augmente la probabilité de la création de vide bulles au lieu de la création d'ondes se propageant à travers le liquide. Ainsi, plus l'accélération est élevé, plus la fraction de l'énergie qui est transformée en cavitation. Dans le cas d'un transducteur à ultrasons, l'intensité de l'accélération est décrite par l'amplitude d'oscillation.
Des amplitudes plus élevées entraînent une création plus efficace de la cavitation. Les appareils industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent créer des amplitudes allant jusqu'à 115 μm. Ces amplitudes élevées permettent un rapport de transmission de puissance élevée qui à son tour permet de créer des densités de puissance élevées allant jusqu'à 100 W / cm³.
En plus de l'intensité, le liquide doit être accélérée de façon à créer des pertes minimales en termes de turbulences, la friction et la génération d'ondes. Pour cela, la meilleure façon est une direction unilatérale du mouvement.
Réacteur à ultrasons de 16 000 watts pour une transestérification en ligne améliorée par voie sonochimique.
- préparation de métaux activés par réduction de sels de métaux
- génération de métaux activés par sonication
- synthèse sonochimique des particules par précipitation des oxydes métalliques (Fe, Cr, Mn, Co), par exemple pour une utilisation en tant que catalyseurs
- l'imprégnation des métaux ou des halogénures de métaux sur des supports
- préparation de solutions de métaux activés
- Les réactions impliquant des métaux par l'intermédiaire généré in situ des espèces organoéléments
- des réactions faisant intervenir des solides non métalliques
- la cristallisation et la précipitation des métaux, des alliages, des zéolithes et d'autres solides
- modification de la morphologie de surface et la taille des particules par des collisions entre particules à grande vitesse
- formation de matériaux nanostructurés amorphes, y compris les métaux de transition de surface spécifique élevée, des alliages, des carbures, des oxydes et des colloïdes
- agglomération des cristaux
- le lissage et le retrait du revêtement d'oxyde de passivation
- micromanipulation (fractionnement) de petites particules
- dispersion des solides
- préparation de colloïdes (Ag, Au, Q taille CdS)
- intercalation de molécules hôtes dans des solides lamellaires inorganiques d'accueil
- sonochemistry de polymères
- la dégradation et la modification de polymères
- synthèse de polymères
- sonolyse de polluants organiques dans l'eau
Équipement sonochimique
La plupart des processus sonochimiques mentionnés peuvent être post-équipement de travail en ligne. Nous serons heureux de vous aider à choisir l'équipement sonochimique pour vos besoins de traitement. Pour la recherche et les essais des processus que nous recommandons à nos appareils de laboratoire ou ensemble UIP1000hdT.
Le cas échéant, certifiés ATEX FM et dispositifs et des réacteurs à ultrasons (par exemple UIP1000-Exd) Sont disponibles pour la sonication des produits chimiques inflammables et des formulations de produits dans des environnements dangereux.
Cavitation Changements Réactions décyclisation
Ultrasonication est un mécanisme alternatif à la chaleur, la pression, la lumière ou l'électricité pour initier des réactions chimiques. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth, et leur équipe au Chimie Faculté à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign puissance ultrasonique utilisé pour déclencher et manipuler des réactions d'ouverture de cycle. Sous sonication, les réactions chimiques générées produits différents de ceux pré- par des règles de symétrie des orbitales (Nature 2007, 446, 423). Le groupe lié mécaniquement isomères sensibles à la benzocyclobutène 1,2-disubstitués de deux chaînes de polyethylene glycol, l'énergie ultrasonique appliquée, et analysé les solutions en vrac à l'aide de C13 la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire. Les spectres ont montré qu'à la fois les isomères cis et trans fournissent le même produit à cycle ouvert, celui attendu à partir de l'isomère trans. Bien que l'énergie thermique provoque un mouvement brownien aléatoire des réactifs, l'énergie mécanique de ultrasonication fournit une direction de mouvements atomiques. Par conséquent, les effets cavitationnels dirigent efficacement l'énergie en forçant la molécule, la surface de remodeler l'énergie potentielle.
Les ultrasons de type sonde comme le UP400St intensifier la synthèse de nanoparticules. La voie sonochimique est simple, efficace, rapide et fonctionne avec des produits chimiques non toxiques dans des conditions douces.
Ultrasons à haute performance pour la sonochimie
Hielscher Ultrasonics fournit des appareils de traitement par ultrasons pour le laboratoire et l'industrie. Tous les appareils Hielscher sont des machines à ultrasons très puissantes et robustes, conçues pour un fonctionnement continu 24h/24 et 7j/7 à pleine charge. La commande numérique, les réglages programmables, la surveillance de la température, l'enregistrement automatique des données et le contrôle à distance par navigateur ne sont que quelques-unes des caractéristiques des appareils à ultrasons Hielscher. Conçus pour des performances élevées et un fonctionnement confortable, les utilisateurs apprécient la sécurité et la facilité de manipulation des équipements Hielscher Ultrasonics. Les processeurs ultrasoniques industriels Hielscher délivrent des amplitudes allant jusqu'à 200µm et sont idéaux pour les applications lourdes. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:
| lot Volume | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500 ml | 10 à 200 ml / min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 20L | 00,2 à 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 à 100l | 2 à 10 L / min | UIP4000hdT |
| n / a. | 10 à 100 litres / min | UIP16000 |
| n / a. | plus grand | groupe de UIP16000 |
Contactez nous! / Demandez nous!
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs ultrasoniques à haute performance pour des applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.
Littérature / Références
- 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 fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance à partir d'une technologie de pointe. laboratoires à taille industrielle.