תגובות סונוכימיות וסינתזה
סונוכימיה היא יישום של אולטרסאונד לתגובות ותהליכים כימיים. המנגנון הגורם להשפעות סונוכימיות בנוזלים הוא תופעת הקוויטציה האקוסטית.
Hielscher מעבדה קולית ומכשירים תעשייתיים משמשים במגוון רחב של תהליכים סונוכימיים. קוויטציה על-קולית מעצימה ומאיצה תגובות כימיות כגון סינתזה וקטליזה.
תגובות סונוכימיות
ההשפעות הסונוכימיות הבאות ניתן לראות בתגובות כימיות ותהליכים:
- עלייה במהירות התגובה
- עלייה בתפוקת התגובה
- שימוש יעיל יותר באנרגיה
- שיטות סונוכימיות להחלפת מסלול תגובה
- שיפור ביצועים של זרזי העברת פאזה
- הימנעות מזרזים להעברת פאזה
- שימוש בריאגנטים גולמיים או טכניים
- הפעלת מתכות ומוצקים
- עלייה בתגובתיות של ריאגנטים או זרזים (לחצו כאן כדי לקרוא עוד על קטליזה בסיוע אולטרה-סאונד)
- שיפור סינתזת החלקיקים
- ציפוי של ננו-חלקיקים
7 הומוגנייזרים קוליים של דגם UIP1000hdT (7x 1kW כוח קולי) מותקן כאשכול עבור תגובות סונוכימיות בקנה מידה תעשייתי.
היתרונות של תגובות כימיות מוגברות אולטרה-סאונד
תגובות כימיות מקודמות אולטרה-סאונד הן טכניקה מבוססת של העצמת תהליכים בתחום הסינתזה והעיבוד הכימיים. על ידי רתימת כוחם של גלי אולטרסאונד, תגובות אלה מציעות יתרונות רבים על פני שיטות קונבנציונליות, שיפור קטליזה כימית וסינתזה. שיעורי המרה טורבו מהירים, תפוקות מצוינות, סלקטיביות משופרת, יעילות אנרגטית משופרת והשפעה מופחתת על הסביבה הם היתרונות העיקריים של תגובות סונוכימיות.
מכת הטבלה מראה כמה יתרונות בולטים של תגובה אולטרה-סונית לעומת תגובות כימיות קונבנציונליות:
| התגובה | זמן תגובה קונבנציונאלי | זמן תגובה אולטרסאונד | תשואה קונבנציונלי (%) | תשואה אולטרסאונד (%) |
|---|---|---|---|---|
| מחזוריות Diels-Alder | 35 שעות | 3.5 שעות | 77.9 | 97.3 |
| חמצון של אינדאן לאינדאן-1-אחד | 3 שעות | 3 שעות | פחות מ-27% | 73% |
| הפחתת methoxyaminosilane | אין תגובה | 3 שעות | 0% | 100% |
| חמצון של אסטרים שומניים בלתי רוויים ארוכי שרשרת | 2 שעות | 15 דק' | 48% | 92% |
| חמצון של arylalkanes | 4 שעות | 4 שעות | 12% | 80% |
| הוספת ניטרואלקנים ל-α,β אסטרים בלתי רוויים חד-תחליפים | 2 ימים | 2 שעות | 85% | 90% |
| חמצון פרמנגנט של 2-אוקטאנול | 5 שעות | 5 שעות | 3% | 93% |
| סינתזה של כלקונים על ידי עיבוי CLaisen-Schmidt | 60 דק' | 10 דק' | 5% | 76% |
| צימוד UIllmann של 2-iodonitrobenzene | 2 שעות | 2H | פחות שיזוף 1.5% | 70.4% |
| תגובת רפורמצקי | 12 שעות | 30 דק' | 50% | 98% |
קביטציה קולית בנוזלים
קביטציה, כלומר היווצרות, צמיחה וקריסה מתפרצת של בועות בנוזל. קריסה קוויטציונית מייצרת חימום מקומי אינטנסיבי (~ 5000 K), לחצים גבוהים (~ 1000 אטמוספרה), וקצבי חימום וקירור עצומים (>109 K/sec) וזרמי סילון נוזליים (~ 400 קמ"ש). (סוסליק 1998)
קביטציה באמצעות UIP1000hd:
בועות קביטציה הן בועות ואקום. הוואקום נוצר על ידי משטח הנע במהירות בצד אחד ונוזל אינרטי בצד השני. הפרשי הלחצים הנובעים מכך משמשים להתגברות על כוחות הלכידות וההדבקה בתוך הנוזל.
ניתן לייצר קביטציה בדרכים שונות, כגון חרירי ונטורי, חרירי לחץ גבוה, סיבוב במהירות גבוהה או מתמרים קוליים. בכל המערכות הללו אנרגיית הקלט הופכת לחיכוך, מערבולות, גלים וקוויטציה. החלק של אנרגיית הקלט שהופכת לקוויטציה תלוי במספר גורמים המתארים את תנועת ציוד ייצור הקוויטציה בנוזל.
עוצמת התאוצה היא אחד הגורמים החשובים ביותר המשפיעים על טרנספורמציה יעילה של אנרגיה לקוויטציה. תאוצה גבוהה יותר יוצרת הפרשי לחצים גבוהים יותר. זה בתורו מגדיל את ההסתברות ליצירת בועות ואקום במקום יצירת גלים המתפשטים דרך הנוזל. לכן, ככל שהתאוצה גבוהה יותר, כך גבוה יותר החלק של האנרגיה שהופכת לקוויטציה. במקרה של מתמר קולי, עוצמת התאוצה מתוארת על ידי משרעת התנודה.
אמפליטודות גבוהות יותר גורמות ליצירה יעילה יותר של קוויטציה. המכשירים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים ליצור אמפליטודות של עד 115 מיקרומטר. אמפליטודות גבוהות אלה מאפשרות יחס העברת הספק גבוה, אשר בתורו מאפשר ליצור צפיפויות הספק גבוהות של עד 100 W/cm³.
בנוסף לעוצמה, יש להאיץ את הנוזל באופן שייצור הפסדים מינימליים במונחים של מערבולות, חיכוך ויצירת גלים. לשם כך, הדרך האופטימלית היא כיוון תנועה חד צדדי.
כור על-קולי עם 16,000 וואט לטרנסאסטריפיקציה מוטבעת משופרת סונוכימית.
- הכנת מתכות פעילות על ידי הפחתת מלחי מתכת
- יצירת מתכות מופעלות על ידי סוניקציה
- סינתזה סונוכימית של חלקיקים על ידי משקעים של תחמוצות מתכת (Fe, Cr, Mn, Co), למשל לשימוש כזרזים
- ספיגה של מתכות או מתכת הלידים על תומכים
- הכנת תמיסות מתכת פעילה
- תגובות המערבות מתכות באמצעות מינים אורגנו-אלמנטים שנוצרו באתרם
- תגובות המערבות מוצקים אל-מתכתיים
- התגבשות ומשקעים של מתכות, סגסוגות, זאוליתים ומוצקים אחרים
- שינוי מורפולוגיית פני השטח וגודל החלקיקים על ידי התנגשויות בין חלקיקים במהירות גבוהה
- היווצרות חומרים ננו-מבניים אמורפיים, כולל מתכות מעבר בשטח פנים גבוה, סגסוגות, קרבידים, תחמוצות וקולואידים
- הצטברות של גבישים
- החלקה והסרה של ציפוי תחמוצת פסיבית
- מיקרומניפולציה (שבר) של חלקיקים קטנים
- פיזור מוצקים
- הכנת קולואידים (Ag, Au, Q-size CdS)
- אינטרקלציה של מולקולות אורחות למוצקים שכבתיים אנאורגניים מארחים
- סונוכימיה של פולימרים
- פירוק ושינוי של פולימרים
- סינתזה של פולימרים
- סונוליזה של מזהמים אורגניים במים
ציוד סונוכימי
רוב התהליכים הסונוכימיים שהוזכרו יכולים להיות מותאמים לעבודה בתוך השורה. נשמח לסייע לכם בבחירת הציוד הסונוכימי לצרכי העיבוד שלכם. למחקר ולבדיקת תהליכים אנו ממליצים על מכשירי המעבדה שלנו או על ערכת UIP1000hdT.
במידת הצורך, מכשירים וכורים על-קוליים מאושרי FM ו-ATEX (לדוגמה, UIP1000-Exd) זמינים עבור סוניקציה של כימיקלים דליקים ותכשירי מוצרים בסביבות מסוכנות.
קביטציה קולית משנה תגובות פתיחת טבעת
אולטרה-סוניקציה היא מנגנון חלופי לחום, לחץ, אור או חשמל כדי ליזום תגובות כימיות. ג'פרי ס. מורצ'ארלס ר. היקנבות', וצוותם ב הפקולטה לכימיה באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין השתמש בכוח קולי כדי להפעיל ולתפעל תגובות פתיחת טבעת. תחת סוניקציה, התגובות הכימיות יצרו תוצרים שונים מאלה שחזו כללי הסימטריה המסלולית (Nature 2007, 446, 423). הקבוצה קישרה בין איזומרים בנזוציקלובוטן בעלי רגישות מכנית של 1,2 די-תחליף לשתי שרשראות פוליאתילן גליקול, השתמשה באנרגיה על-קולית וניתחה את התמיסות בתפזורת באמצעות C13 ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית. הספקטרום הראה שגם איזומר סיס וגם איזומר טרנס מספקים את אותו מוצר הפתוח טבעתית, זה המצופה מאיזומר הטרנס. בעוד אנרגיה תרמית גורמת לתנועה בראונית אקראית של המגיבים, האנרגיה המכנית של אולטרה-סוניקציה מספקת כיוון לתנועות אטומיות. לכן, אפקטים קוויטציוניים מכוונים ביעילות את האנרגיה על ידי מאמץ המולקולה, ומעצבים מחדש את משטח האנרגיה הפוטנציאלי.
אולטרסאונד מסוג בדיקה כמו UP400ST להגביר את הסינתזה של ננו-חלקיקים. המסלול הסונוכימי הוא פשוט, יעיל, מהיר ועובד עם כימיקלים לא רעילים בתנאים קלים.
Ultrasonicators ביצועים גבוהים עבור סונוכימיה
Hielscher Ultrasonics מספקת מעבדים קוליים עבור מעבדה ותעשייה. כל האולטרסוניקטורים של Hielscher הם מכונות אולטרסאונד חזקות וחזקות מאוד ובנויות לפעולה רציפה 24/7 תחת עומס מלא. שליטה דיגיטלית, הגדרות לתכנות, ניטור טמפרטורה, פרוטוקול נתונים אוטומטי ובקרת דפדפן מרחוק הם רק כמה תכונות של Hielscher ultrasonicators. מיועד לביצועים גבוהים ופעולה נוחה, משתמשים מעריכים את הטיפול הבטוח והקל של ציוד Hielscher Ultrasonics. מעבדים קוליים תעשייתיים Hielscher לספק אמפליטודות של עד 200μm והם אידיאליים עבור יישומים כבדים. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים.
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
צרו קשר! / שאל אותנו!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים לערבוב יישומים, פיזור, תחליב וחילוץ בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
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.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.