סונוכימיה וכורים סונוכימיים
סונוכימיה היא תחום בכימיה שבו משתמשים באולטרסאונד בעוצמה גבוהה כדי לחולל, להאיץ ולשנות תגובות כימיות (סינתזה, קטליזה, פירוק, פילמור, הידרוליזה וכו׳). קוויטציה הנוצרת באמצעות אולטרסאונד מאופיינת בתנאים ייחודיים של צפיפות אנרגיה גבוהה, המקדמים ומעצימים תגובות כימיות. קצבי תגובה מהירים יותר, נצולות גבוהות יותר ושימוש במגיבים ירוקים ומתונים יותר הופכים את הסונוכימיה לכלי בעל יתרונות רבים להשגת תגובות כימיות משופרות.
סונוכימיה
סונוכימיה היא תחום המחקר והעיבוד שבו מולקולות עוברות תגובה כימית בעקבות הפעלת אולטרסאונד בעוצמה גבוהה (למשל, 20 kHz). התופעה האחראית לתגובות סונוכימיות היא קוויטציה אקוסטית. קוויטציה אקוסטית או אולטרסונית מתרחשת כאשר גלי אולטרסאונד רבי־עוצמה מצומדים לתוך נוזל או תרחיף. עקב מחזורי לחץ גבוה / לחץ נמוך המתחלפים לסירוגין ונגרמים מגלי אולטרסאונד עתירי הספק בנוזל, נוצרות בועות ריק (חללי קוויטציה), הגדלות לאורך כמה מחזורי לחץ. כאשר בועת הריק של הקוויטציה מגיעה לגודל מסוים שבו אינה יכולה לספוג עוד אנרגיה, היא קורסת פנימה בעוצמה ויוצרת מוקד חם בעל צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד. מוקד חם מקומי זה מאופיין בטמפרטורות ובלחצים גבוהים מאוד ובזרימה זעירה של סילוני נוזל מהירים ביותר.
הכור המנתי הסגור, העשוי מפלדת אל־חלד, מצויד במכשיר סוניקציה UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
קוויטציה אקוסטית והשפעות של טיפול באולטרסאונד בעוצמה גבוהה
ניתן להבחין בין שתי צורות של קוויטציה אקוסטית, המכונה לעיתים קרובות גם קוויטציה אולטרסונית: קוויטציה יציבה וקוויטציה חולפת. במהלך קוויטציה יציבה, בועת הקוויטציה מתנודדת פעמים רבות סביב רדיוס שיווי המשקל שלה, ואילו במהלך קוויטציה חולפת, בועה קצרת־חיים עוברת שינויים דרמטיים בנפחה בתוך מחזורים אקוסטיים ספורים, ולבסוף קורסת בעוצמה (Suslick 1988). קוויטציה יציבה וקוויטציה חולפת עשויות להתרחש בו־זמנית בתמיסה, ובועה העוברת קוויטציה יציבה עשויה להפוך לחלל קוויטציה חולף. קריסת הבועה פנימה, האופיינית לקוויטציה חולפת ולסוניקציה בעוצמה גבוהה, יוצרת תנאים פיזיקליים שונים, ובהם טמפרטורות גבוהות מאוד של 5000–25,000 K, לחצים של עד כמה כפולות של 1000 bar וזרמי נוזל במהירויות של עד 1000m/s. מכיוון שקריסתן של בועות הקוויטציה פנימה מתרחשת בתוך פחות מננו־שנייה, ניתן לצפות בקצבי חימום וקירור גבוהים מאוד, העולים על 1011 K/s. קצבי חימום כה גבוהים והפרשי לחץ כאלה יכולים ליזום ולהאיץ תגובות. באשר לזרמי הנוזל הנוצרים, סילונים זעירים ומהירים אלה מקנים יתרונות גדולים במיוחד בתרחיפים הטרוגניים של מוצק–נוזל. סילוני הנוזל פוגעים בפני השטח במלוא הטמפרטורה והלחץ של הבועה הקורסת וגורמים לשחיקה באמצעות התנגשויות בין חלקיקים, וכן להתכה מקומית. כתוצאה מכך נצפה שיפור ניכר במעבר המסה בתמיסה.
קוויטציה אולטרסונית נוצרת באופן היעיל ביותר בנוזלים ובממסים בעלי לחצי אדים נמוכים. לכן, תווכים בעלי לחצי אדים נמוכים מתאימים ליישומים סונוכימיים.
כתוצאה מקוויטציה אולטרסונית, הכוחות העזים הנוצרים יכולים להסיט תגובות למסלולים יעילים יותר, כך שנמנעים המרות מלאות יותר ו/או ייצור של תוצרי לוואי בלתי רצויים.
האזור בעל צפיפות האנרגיה הגבוהה שנוצר מקריסת בועות קוויטציה נקרא מוקד חם. השימוש באולטרסאונד בתדר נמוך ובהספק גבוה, בתחום של 20kHz, וביכולת ליצור אמפליטודות גבוהות מבוסס היטב לצורך יצירת מוקדים חמים עזים ותנאים סונוכימיים מיטביים.
ציוד אולטרסוני למעבדה וכן כורים אולטרסוניים תעשייתיים לתהליכים סונוכימיים מסחריים זמינים בקלות, והוכחו כאמינים, יעילים וידידותיים לסביבה בקנה מידה מעבדתי, בקנה מידה של פיילוט ובקנה מידה תעשייתי מלא. ניתן לבצע תגובות סונוכימיות בתהליך מנתי (כלומר, בכלי פתוח) או בתהליך בקו באמצעות כור תא זרימה סגור.
סונו-סינתזה
סונו-סינתזה, או סינתזה סונוכימית, היא שימוש בקוויטציה הנוצרת באמצעות אולטרסאונד כדי ליזום ולקדם תגובות כימיות. טיפול אולטרסוני בהספק גבוה (למשל, בתדר של 20 kHz) משפיע בעוצמה על מולקולות ועל קשרים כימיים. לדוגמה, ההשפעות הסונוכימיות הנובעות מסוניקציה עזה עשויות להביא לפיצול מולקולות, ליצירת רדיקלים חופשיים ו/או לשינוי מסלולים כימיים. לכן נעשה שימוש נרחב בסינתזה סונוכימית לייצור או לשינוי של מגוון רחב של חומרים בעלי מבנה ננומטרי. דוגמאות לננו-חומרים המיוצרים באמצעות סונו-סינתזה הן ננו-חלקיקים (NPs) (למשל, ננו-חלקיקי זהב וננו-חלקיקי כסף), פיגמנטים, ננו-חלקיקים בעלי מבנה ליבה–מעטפת, ננו-הידרוקסיאפטיט, מסגרות מתכתיות-אורגניות (MOFs), חומרים פעילים בתרופות (APIs), ננו-חלקיקים המעוטרים במיקרוספרות, ננו-מרוכבים וחומרים רבים נוספים.
דוגמאות: טרנסאסטריפיקציה אולטרסונית של אסטרים מתיליים של חומצות שומן (ביודיזל) או טרנסאסטריפיקציה של פוליאולים באמצעות אולטרסאונד.
תמונת TEM (A) והתפלגות גודל החלקיקים (B) של ננו-חלקיקי כסף (Ag-NPs), שסונתזו בשיטה סונוכימית בתנאים מיטביים.
יישום נפוץ נוסף הוא גיבוש המקודם באמצעות אולטרסאונד (סונו-גיבוש), שבו משתמשים באולטרסאונד בהספק גבוה כדי לייצר תמיסות ברוויית יתר, ליזום גיבוש / שיקוע ולשלוט בגודל הגבישים ובמורפולוגיה שלהם באמצעות הפרמטרים של התהליך האולטרסוני. לחצו כאן למידע נוסף על סונו-גיבוש!
סונו-קטליזה
סוניקציה של תרחיף או תמיסה כימיים יכולה לשפר באופן משמעותי תגובות קטליטיות. האנרגיה הסונוכימית מקצרת את זמן התגובה ומשפרת את מעבר החום והמסה, ובכך מביאה לעלייה בקבועי הקצב הכימיים, בניצולות ובסלקטיביות.
תהליכים קטליטיים רבים מפיקים תועלת רבה מהפעלת אולטרסאונד בהספק גבוה ומהשפעותיו הסונוכימיות. כל תגובה הטרוגנית של קטליזה במעבר פאזה (PTC), הכוללת שני נוזלים או יותר שאינם מתערבבים זה בזה או מערכת נוזל–מוצק, מפיקה תועלת מסוניקציה, מהאנרגיה הסונוכימית וממעבר המסה המשופר.
לדוגמה, ניתוח השוואתי של חמצון רטוב קטליטי של פנול במים באמצעות מי חמצן, ללא אולטרסאונד ובסיוע אולטרסאונד, הראה שהסוניקציה הפחיתה את מחסום האנרגיה של התגובה, אך לא השפיעה על מסלול התגובה. אנרגיית השפעול לחמצון פנול בנוכחות RuI3 כזרז במהלך סוניקציה נמצאה שווה ל־13 kJ mol-1, ערך שהיה קטן פי ארבעה בהשוואה לתהליך החמצון ללא אולטרסאונד (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
קטליזה סונוכימית משמשת בהצלחה לייצור מוצרים כימיים וכן לייצור חומרים אי־אורגניים בעלי מבנים מיקרומטריים וננומטריים, כגון מתכות, סגסוגות, תרכובות מתכת, חומרים אל־מתכתיים וחומרים מרוכבים אי־אורגניים. דוגמאות נפוצות לקטליזה בהעברת פאזה (PTC) בסיוע אולטרסאונד הן טרנסאסטריפיקציה של חומצות שומן חופשיות לאסטר מתילי (ביודיזל), הידרוליזה, סיבון של שמנים צמחיים, תגובת סונו־פנטון (תהליכים דמויי פנטון), פירוק סונוקטליטי ועוד.
קראו עוד על סונו־קטליזה ועל יישומים ספציפיים!
סוניקציה משפרת כימיית קליק, כגון תגובות ציקלואדיציה של אזיד ואלקין!
יישומים סונוכימיים נוספים
בזכות מגוון השימושים בהן, אמינותן ותפעולן הפשוט, מערכות סונוכימיות כגון UP400St או UIP2000hdT נחשבות לציוד יעיל לתגובות כימיות. ניתן להשתמש בקלות במכשירים הסונוכימיים של Hielscher Ultrasonics לסוניקציה באצוות (בכוס מעבדה פתוחה) ולסוניקציה רציפה בקו התהליך באמצעות תא זרימה סונוכימי. סונוכימיה, לרבות סונו־סינתזה, סונו־קטליזה, פירוק או פילמור, נמצאת בשימוש נרחב בכימיה, בננוטכנולוגיה, במדע החומרים, בתעשיית התרופות, במיקרוביולוגיה וכן בענפי תעשייה נוספים.
מכשיר אולטרסוני תעשייתי UIP2000hdT (2kW) עם כור סונוכימי בקו התהליך.
ציוד סונוכימי בעל ביצועים גבוהים
Hielscher Ultrasonics היא הספקית המובילה שלכם למכשירים אולטרסוניים חדשניים ומתקדמים ביותר, לתאי זרימה סונוכימיים, לכורים ולאביזרים לתגובות סונוכימיות יעילות ואמינות. כל המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתוכננים, מיוצרים ונבדקים אך ורק במטה Hielscher Ultrasonics בטלטו (ליד ברלין), גרמניה. לצד הסטנדרטים הטכניים הגבוהים ביותר, עמידות יוצאת דופן ופעולה 24/7/365 ליעילות תפעולית גבוהה במיוחד, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher קלים ואמינים לתפעול. יעילות גבוהה, תוכנה חכמה, תפריט אינטואיטיבי, רישום נתונים אוטומטי ושליטה מרחוק באמצעות דפדפן הם רק כמה מהמאפיינים המבדילים את Hielscher Ultrasonics מיצרנים אחרים של ציוד סונוכימי.
משרעות הניתנות לכוונון מדויק
המשרעת היא ההעתק בחלק הקדמי (בקצה) של הסונוטרודה (המכונה גם גשוש אולטרסוני או קרן אולטרסונית), והיא הגורם העיקרי המשפיע על קוויטציה אולטרסונית. משרעות גבוהות יותר פירושן קוויטציה עזה יותר. עוצמת הקוויטציה הנדרשת תלויה במידה רבה בסוג התגובה, במגיבים הכימיים המשמשים בה ובתוצאות המבוקשות של התגובה הסונוכימית הספציפית. משמעות הדבר היא שהמשרעת צריכה להיות ניתנת לכוונון מדויק כדי להתאים את עוצמת הקוויטציה האקוסטית לרמה האידיאלית. ניתן לכוונן את כל המכשירים האולטרסוניים של Hielscher באופן אמין ומדויק למשרעת האידיאלית באמצעות בקרה דיגיטלית חכמה. ניתן להשתמש גם בקרני הגברה כדי להקטין או להגדיל את המשרעת באופן מכני. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Ultrasonics יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד. ניתן להפעיל בקלות וברציפות במשרעות של עד 200µm במסגרת פעולה 24/7. למשרעות גבוהות עוד יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות המותאמות אישית.
בקרת טמפרטורה מדויקת במהלך תגובות סונוכימיות
במוקד החם של הקוויטציה ניתן לצפות בטמפרטורות גבוהות ביותר של אלפים רבים של מעלות צלזיוס. עם זאת, טמפרטורות קיצוניות אלה מוגבלות מקומית לחלל הפנימי הזעיר של בועת הקוויטציה הקורסת ולסביבתה. בתמיסה בכללותה, עליית הטמפרטורה הנובעת מקריסה של בועת קוויטציה אחת או של בועות מעטות היא זניחה. אולם סוניקציה רציפה ועזה לאורך פרקי זמן ממושכים עלולה לגרום לעלייה הדרגתית בטמפרטורה של הנוזל בכללותו. עלייה זו בטמפרטורה תורמת לתגובות כימיות רבות ולעיתים קרובות נחשבת מועילה. עם זאת, לתגובות כימיות שונות יש טמפרטורות תגובה מיטביות שונות. כאשר מטפלים בחומרים רגישים לחום, ייתכן שיהיה צורך בבקרת טמפרטורה. כדי לאפשר תנאים תרמיים אידיאליים במהלך תהליכים סונוכימיים, Hielscher Ultrasonics מציעה מגוון פתרונות מתקדמים לבקרת טמפרטורה מדויקת במהלך תהליכים סונוכימיים, כגון כורים סונוכימיים ותאי זרימה המצוידים במעטפות קירור.
תאי הזרימה והכורים הסונוכימיים שלנו זמינים עם מעטפות קירור, המסייעות בפיזור חום יעיל. לניטור רציף של הטמפרטורה, מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מצוידים בחיישן טמפרטורה הניתן לחיבור, שאפשר להכניס לנוזל למדידה מתמדת של טמפרטורת הנוזל בכללותו. תוכנה מתקדמת מאפשרת להגדיר טווח טמפרטורות. כאשר הטמפרטורה חורגת מהגבול, מכשיר האולטרסאונד משהה אוטומטית את פעולתו עד שטמפרטורת הנוזל יורדת לערך מוגדר מסוים, ואז מחדש אוטומטית את הסוניקציה. כל מדידות הטמפרטורה, וכן נתונים חשובים נוספים של התהליך האולטרסוני, מתועדים אוטומטית בכרטיס SD מובנה וניתן לעיין בהם בקלות לצורך בקרת התהליך.
הטמפרטורה היא פרמטר מכריע בתהליכים סונוכימיים. הטכנולוגיה המתוחכמת של Hielscher מסייעת לכם לשמור על טמפרטורת היישום הסונוכימי שלכם בטווח הטמפרטורות האידיאלי.
- יעילות גבוהה
- טכנולוגיה מהמתקדמות ביותר
- הפעלה קלה ובטוחה
- אמינות ועמידות
- עיבוד במנות ובזרימה רציפה
- לכל נפח
- תוכנה חכמה
- תכונות חכמות (למשל, תיעוד נתונים)
- CIP (ניקוי במקום)
כור סונוכימי: סוניקציה עזה והקוויטציה הנוצרת בעקבותיה יוזמות ומעצימות תגובות כימיות ואף יכולות לשנות מסלולי תגובה.
הטבלה שלהלן מספקת אינדיקציה לקיבולת העיבוד המשוערת של מכשירי האולטרסאונד שלנו:
| נפח מנה | 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 UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי ערבוב, פיזור, תחלוב ומיצוי בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
דוגמאות לתגובות כימיות המשופרות באמצעות אולטרסאונד לעומת תגובות קונבנציונליות
הטבלה שלהלן מציגה סקירה של כמה תגובות כימיות נפוצות. בכל סוג תגובה נערכת השוואה בין התגובה המתבצעת באופן קונבנציונלי לבין התגובה המועצמת באמצעות אולטרסאונד, מבחינת הניצולת ומהירות ההמרה.
| תגובה | זמן תגובה – שיטה קונבנציונלית | זמן תגובה – אולטרסאונד | ניצולת – שיטה קונבנציונלית (%) | ניצולת – אולטרסאונד (%) |
|---|---|---|---|---|
| ציקליזציית דילס–אלדר | 35 h | 3.5 h | 77.9 | 97.3 |
| חמצון אינדאן ל־indane-1-one | 3 h | 3 h | פחות מ-27% | 73% |
| חיזור מתוקסיאמינוסילאן | אין תגובה | 3 h | 0% | 100% |
| אפוקסידציה של אסטרים שומניים בלתי רוויים ארוכי שרשרת | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| חמצון ארילאלקאנים | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| סיפוח מיכאל של ניטרואלקאנים לאסטרים בלתי רוויים בעמדות α,β בעלי מתמיר אחד | 2 ימים | 2 h | 85% | 90% |
| חמצון 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% |
(ראו להשוואה: Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Published 2019 by Wiley)
ספרות / מקורות
- 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.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, החל מקנה מידה מעבדתי ועד לקנה מידה תעשייתי.