תגובות וסינתזה סונוכימיות
סונוכימיה היא יישום של אולטרסאונד בתגובות ובתהליכים כימיים. המנגנון הגורם להשפעות סונוכימיות בנוזלים הוא תופעת הקוויטציה האקוסטית.
המכשירים האולטרסוניים של Hielscher למעבדה ולתעשייה משמשים במגוון רחב של תהליכים סונוכימיים. קוויטציה אולטרסונית מעצימה ומאיצה תגובות כימיות כגון סינתזה וקטליזה.
תגובות סונוכימיות
ניתן לצפות בהשפעות הסונוכימיות הבאות בתגובות ובתהליכים כימיים:
- הגברת מהירות התגובה
- הגדלת תפוקת התגובה
- שימוש יעיל יותר באנרגיה
- שיטות סונוכימיות לשינוי מסלול התגובה
- שיפור הביצועים של זרזי מעבר פאזה
- הימנעות משימוש בזרזי מעבר פאזה
- שימוש במגיבים גולמיים או בדרגת ניקיון טכנית
- שפעול של מתכות ומוצקים
- הגברת התגובתיות של מגיבים או זרזים (לחצו כאן לקריאה נוספת על קטליזה בסיוע אולטרסאונד)
- שיפור הסינתזה של חלקיקים
- ציפוי ננו-חלקיקים
7 הומוגנייזרים אולטרסוניים מדגם UIP1000hdT (הספק אולטרסוני של 7x 1kW) המותקנים כמערך לתגובות סונוכימיות בקנה מידה תעשייתי.
יתרונות של תגובות כימיות המועצמות באמצעות אולטרסאונד
תגובות כימיות המקודמות באמצעות אולטרסאונד הן טכניקה מבוססת להעצמת תהליכים בתחום הסינתזה והעיבוד הכימיים. באמצעות ניצול עוצמתם של גלי אולטרסאונד, תגובות אלה מציעות יתרונות רבים לעומת שיטות קונבנציונליות, ומשפרות קטליזה וסינתזה כימיות. קצבי המרה מהירים במיוחד, ניצולות מצוינות, בררנות מוגברת, יעילות אנרגטית משופרת והשפעה סביבתית מופחתת הם היתרונות העיקריים של תגובות סונוכימיות.
הטבלה שלהלן מציגה כמה יתרונות בולטים של תגובה המקודמת באמצעות אולטרסאונד לעומת תגובות כימיות קונבנציונליות:
| תגובה | זמן תגובה בשיטה קונבנציונלית |
זמן תגובה באולטרסאונד |
ניצולת בשיטה קונבנציונלית (%) |
ניצולת באולטרסאונד (%) |
|---|---|---|---|---|
| ציקליזציה של דילס-אלדר | 35 h | 3.5 h | 77.9 | 97.3 |
| חמצון של אינדאן ל־indane-1-one | 3 h | 3 h | פחות מ-27% | 73% |
| חיזור של מתוקסיאמינוסילאן | אין תגובה | 3 h | 0% | 100% |
| אפוקסידציה של אסטרים שומניים בלתי רוויים בעלי שרשרת ארוכה | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| חמצון של ארילאלקאנים | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| סיפוח מיכאל של ניטרואלקאנים לאסטרים חד-מותמרים בלתי רוויים בעמדות α,β | 2 ימים | 2 h | 85% | 90% |
| חמצון של 2-octanol באמצעות פרמנגנט | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| סינתזה של כלקונים באמצעות עיבוי קלייזן-שמידט | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| צימוד אולמן של 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2h | פחות מ-1.5% | 70.4% |
| תגובת רפורמצקי | 12h | 30 min | 50% | 98% |
קוויטציה אולטרסונית בנוזלים
קוויטציה היא היווצרות, גדילה וקריסה פנימה של בועות בנוזל. קריסת בועות הקוויטציה יוצרת חימום מקומי עז (~5000 K), לחצים גבוהים (~1000 atm), קצבי חימום וקירור עצומים (>10⁹ K/sec) וסילוני נוזל (~400 km/h). (Suslick 1998)
קוויטציה באמצעות UIP1000hd:
בועות קוויטציה הן בועות ריק. הריק נוצר על ידי משטח הנע במהירות מצד אחד ונוזל בעל התמד מצד שני. הפרשי הלחץ הנוצרים משמשים להתגברות על כוחות הלכידות וההיצמדות בתוך הנוזל.
ניתן ליצור קוויטציה בדרכים שונות, כגון נחירי ונטורי, נחירים בלחץ גבוה, סיבוב במהירות גבוהה או מתמרים אולטרסוניים. בכל המערכות האלה, אנרגיית הכניסה מומרת לחיכוך, למערבולות, לגלים ולקוויטציה. החלק של אנרגיית הכניסה המומר לקוויטציה תלוי בכמה גורמים המתארים את תנועת הציוד המחולל קוויטציה בתוך הנוזל.
עוצמת התאוצה היא אחד הגורמים החשובים ביותר המשפיעים על ההמרה היעילה של אנרגיה לקוויטציה. תאוצה גבוהה יותר יוצרת הפרשי לחץ גדולים יותר. הדבר מגביר בתורו את ההסתברות להיווצרות בועות ריק במקום להיווצרות גלים המתפשטים בנוזל. לפיכך, ככל שהתאוצה גבוהה יותר, כך גדל חלקה של האנרגיה המומר לקוויטציה. במקרה של מתמר אולטרסוני, עוצמת התאוצה מתוארת באמצעות משרעת התנודה.
משרעות גבוהות יותר מביאות ליצירה יעילה יותר של קוויטציה. המכשירים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים ליצור משרעות של עד 115 µm. משרעות גבוהות אלה מאפשרות יחס העברת הספק גבוה, המאפשר בתורו ליצור צפיפויות הספק גבוהות של עד 100 W/cm³.
נוסף על העוצמה, יש להאיץ את הנוזל באופן שייצור הפסדים מזעריים עקב מערבולות, חיכוך ויצירת גלים. לשם כך, הדרך המיטבית היא תנועה בכיוון אחד.
כור אולטרסוני בהספק של 16,000 ואט לטרנסאסטריפיקציה בקו הזרימה המוגברת באמצעים סונוכימיים.
- הכנת מתכות משופעלות באמצעות חיזור של מלחי מתכות
- יצירת מתכות משופעלות באמצעות סוניקציה
- סינתזה סונוכימית של חלקיקים באמצעות שיקוע של תחמוצות מתכות (Fe, Cr, Mn, Co), למשל לשימוש כזרזים
- הספגת מתכות או הלידים של מתכות על גבי נשאים
- הכנת תמיסות מתכת משופעלות
- תגובות המערבות מתכות באמצעות צורונים אורגנו־אלמנטיים הנוצרים באתרם
- תגובות המערבות מוצקים אל־מתכתיים
- גיבוש ושיקוע של מתכות, סגסוגות, zeolithes ומוצקים אחרים
- שינוי מורפולוגיית פני השטח וגודל החלקיקים באמצעות התנגשויות בין חלקיקים במהירות גבוהה
- יצירת חומרים אמורפיים בעלי מבנה ננומטרי, לרבות מתכות מעבר בעלות שטח פנים גדול, סגסוגות, קרבידים, תחמוצות וקולואידים
- אגלומרציה של גבישים
- החלקה והסרה של ציפוי תחמוצת הגורם לפסיבציה
- מיקרומניפולציה (פרקציונציה) של חלקיקים קטנים
- פיזור מוצקים
- הכנת קולואידים (Ag, Au, CdS בגודל Q)
- אינטרקלציה של מולקולות אורחות לתוך מוצקים אי־אורגניים שכבתיים מארחים
- סונוכימיה של פולימרים
- פירוק ושינוי של פולימרים
- סינתזה של פולימרים
- סונוליזה של מזהמים אורגניים במים
ציוד סונוכימי
ניתן להתאים את רוב התהליכים הסונוכימיים שהוזכרו לעבודה בקו הזרימה. נשמח לסייע לכם בבחירת הציוד הסונוכימי לצורכי העיבוד שלכם. למחקר ולבדיקת תהליכים אנו ממליצים על מכשירי המעבדה שלנו או על ערכת UIP1000hdT.
במידת הצורך, מכשירים וכורים אולטרסוניים בעלי אישורי FM ו־ATEX (למשל UIP1000-Exd) זמינים לסוניקציה של כימיקלים דליקים ופורמולציות של מוצרים בסביבות מסוכנות.
קוויטציה אולטרסונית משנה תגובות פתיחת טבעת
סוניקציה היא מנגנון חלופי לחום, ללחץ, לאור או לחשמל לצורך התחלת תגובות כימיות. ג'פרי ס. מור, צ'ארלס ר. היקנבות, וצוותם במסגרת הפקולטה לכימיה באוניברסיטת אילינוי באורבנה־שמפיין השתמשו בהספק אולטרסוני כדי לעורר תגובות פתיחת טבעת ולשלוט בהן. תחת סוניקציה, התגובות הכימיות יצרו תוצרים שונים מאלה שנחזו לפי כללי הסימטריה האורביטלית (Nature 2007, 446, 423). הקבוצה קישרה איזומרים רגישים מכנית של 1,2-disubstituted benzocyclobutene לשתי שרשראות של פוליאתילן גליקול, הפעילה אנרגיה אולטרסונית וניתחה את התמיסות הכוללות באמצעות ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית של C13 . הספקטרומים הראו שגם איזומרי הציס וגם איזומרי הטרנס נותנים את אותו תוצר בעל טבעת פתוחה, התוצר הצפוי מאיזומר הטרנס. בעוד שאנרגיה תרמית גורמת לתנועה בראונית אקראית של המגיבים, האנרגיה המכנית של הטיפול האולטרסוני מקנה כיוון לתנועות האטומים. לכן, השפעות הקוויטציה מכוונות את האנרגיה ביעילות באמצעות מתיחת המולקולה, ובכך משנות את צורת משטח האנרגיה הפוטנציאלית.
מכשירי סוניקציה אולטרסוניים מסוג גשושית כגון UP400St מעצימים את הסינתזה של ננו־חלקיקים. המסלול הסונוכימי פשוט, יעיל ומהיר, ופועל עם כימיקלים שאינם רעילים בתנאים מתונים.
מכשירי סוניקציה אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לסונוכימיה
Hielscher Ultrasonics מספקת מעבדים אולטרסוניים למעבדה ולתעשייה. כל מכשירי הסוניקציה האולטרסוניים של Hielscher הם מכונות אולטרסאונד חזקות ועמידות מאוד, הבנויות לפעולה רציפה 24/7 בעומס מלא. בקרה דיגיטלית, הגדרות ניתנות לתכנות, ניטור טמפרטורה, תיעוד נתונים אוטומטי ושליטה מרחוק באמצעות דפדפן הם רק כמה מהתכונות של מכשירי הסוניקציה האולטרסוניים של Hielscher. הציוד של Hielscher Ultrasonics תוכנן לביצועים גבוהים ולהפעלה נוחה, והמשתמשים מעריכים את השימוש הבטוח והקל בו. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher מספקים אמפליטודות של עד 200µm והם אידיאליים ליישומים תובעניים. לאמפליטודות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות המותאמות אישית.
הטבלה שלהלן מספקת הערכה של קיבולת העיבוד המשוערת של מכשירי הסוניקציה האולטרסוניים שלנו:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL/min | UP100H |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | אשכול של מכשירי UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי ערבוב, פיזור, תחלוב ומיצוי בקנה מידה מעבדתי, בקנה מידה של פיילוט ובקנה מידה תעשייתי.
ספרות / מקורות
- 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.
