סונוכימיה וכורים סונוכימיים
סונוכימיה היא תחום בכימיה שבו אולטרסאונד בעוצמה גבוהה משמש כדי לגרום, להאיץ ולשנות תגובות כימיות (סינתזה, קטליזה, התפרקות, פילמור, הידרוליזה וכו '). קוויטציה הנוצרת באולטרסאונד מאופיינת בתנאים ייחודיים של צפיפות אנרגיה, המקדמים ומעצימים תגובות כימיות. קצבי תגובה מהירים יותר, תפוקות גבוהות יותר ושימוש בריאגנטים ירוקים ומתונים יותר הופכים את הסונוכימיה לכלי מועיל מאוד להשגת תגובות כימיות משופרות.
סונוכימיה
סונוכימיה היא תחום המחקר והעיבוד שבו מולקולות עוברות תגובה כימית בגלל היישום של אולטרה-סוניקציה בעוצמה גבוהה (למשל, 20 קילוהרץ). התופעה האחראית לתגובות סונוכימיות היא קוויטציה אקוסטית. קוויטציה אקוסטית או קולית מתרחשת כאשר גלי אולטרסאונד חזקים מצומדים לתוך נוזל או slurry. בשל מחזורי לחץ גבוה / לחץ נמוך לסירוגין הנגרמים על ידי גלי אולטרסאונד כוח בנוזל, נוצרות בועות ואקום (חללים קוויטציוניים), אשר גדלות על פני מספר מחזורי לחץ. כאשר בועת הוואקום הקוויטציונית מגיעה לגודל מסוים שבו היא אינה יכולה לספוג יותר אנרגיה, בועת הוואקום מתפוצצת באלימות ויוצרת נקודה חמה צפופה מאוד באנרגיה. נקודה חמה מקומית זו מאופיינת בטמפרטורות גבוהות מאוד, לחצים ומיקרו-זרימה של סילוני נוזל מהירים במיוחד.
כור אצווה סגור עשוי נירוסטה מצויד Ultrasonicator UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
קביטציה אקוסטית והשפעות של אולטרסוניקציה בעוצמה גבוהה
קוויטציה אקוסטית, המכונה לעתים קרובות גם קוויטציה קולית, ניתן להבחין לשתי צורות, קוויטציה יציבה וחולפת. במהלך קוויטציה יציבה, בועת הקוויטציה מתנודדת פעמים רבות סביב רדיוס שיווי המשקל שלה, ואילו במהלך קוויטציה ארעית, בה בועה קצרת מועד עוברת שינויי נפח דרמטיים בכמה מחזורים אקוסטיים ומסתיימת בקריסה אלימה (Suslick 1988). קוויטציה יציבה וחולפת עשויה להתרחש בו זמנית בתמיסה ובועה העוברת קוויטציה יציבה עשויה להפוך לחלל חולף. קריסת הבועה, האופיינית לקוויטציה חולפת ולסוניקציה בעוצמה גבוהה, יוצרת תנאים פיזיקליים שונים הכוללים טמפרטורות גבוהות מאוד של 5000-25,000 K, לחצים של עד כמה 1000 בר, וזרמים נוזליים במהירות של עד 1000 מטר לשנייה. מכיוון שקריסה / קריסה של בועות קוויטציה מתרחשת תוך פחות מננו-שנייה, קצבי חימום וקירור גבוהים מאוד העולים על 1011 K/s ניתן לצפות. קצבי חימום גבוהים כאלה והפרשי לחץ יכולים ליזום ולהאיץ תגובות. באשר לזרמים הנוזליים המתרחשים, מיקרו-סילונים מהירים אלה מראים יתרונות גבוהים במיוחד כשמדובר בתרחיפים מוצקים-נוזליים הטרוגניים. סילוני הנוזל פוגעים על פני השטח במלוא הטמפרטורה והלחץ של הבועה הקורסת וגורמים לשחיקה באמצעות התנגשות בין חלקיקים וכן התכה מקומית. כתוצאה מכך, נצפתה העברת המונים משופרת משמעותית בתמיסה.
קוויטציה קולית נוצרת בצורה היעילה ביותר בנוזלים וממסים עם לחצי אדים נמוכים. לכן, מדיה עם לחץ אדים נמוך היא חיובית עבור יישומים סונוככימיים.
כתוצאה מהקוויטציה העל-קולית, הכוחות העזים הנוצרים יכולים להחליף נתיבי תגובות למסלולים יעילים יותר, כך שנמנעים המרות מלאות יותר ו/או ייצור תוצרי לוואי לא רצויים.
החלל עתיר האנרגיה שנוצר על ידי קריסת בועות קוויטציה נקרא נקודה חמה. אולטרסאונד בתדר נמוך, בהספק גבוה בטווח של 20kHz והיכולת ליצור אמפליטודות גבוהות מבוססת היטב ליצירת נקודות חמות אינטנסיביות ולתנאים הסונוכימיים הנוחים.
ציוד מעבדה על-קולי, כמו גם כורים על-קוליים תעשייתיים לתהליכים סונוכימיים מסחריים, זמינים ומוכחים כאמינים, יעילים וידידותיים לסביבה בקנה מידה מעבדתי, ניסיוני ותעשייתי מלא. תגובות סונוכימיות יכולות להתבצע כאצווה (כלומר, כלי פתוח) או כתהליך בתוך השורה באמצעות כור תאי זרימה סגור.
סונו-סינתזה
סינתזה סונוכימית או סינתזה סונוכימית היא יישום של קוויטציה הנוצרת אולטרה-סאונד על מנת ליזום ולקדם תגובות כימיות. אולטרה-סוניקציה בעוצמה גבוהה (למשל, ב-20 קילוהרץ) מראה השפעות חזקות על מולקולות וקשרים כימיים. לדוגמה, ההשפעות הסונוכימיות הנובעות מסוניקציה אינטנסיבית יכולות לגרום לפיצול מולקולות, יצירת רדיקלים חופשיים ו/או החלפת מסלולים כימיים. סינתזה סונוכימית משמשת אפוא באופן אינטנסיבי לייצור או שינוי של מגוון רחב של חומרים ננו-מובנים. דוגמאות לננו-חומרים המיוצרים באמצעות סונו-סינתזה הם ננו-חלקיקים (NPs) (למשל, NPs זהב, NPs כסף), פיגמנטים, ננו-חלקיקי מעטפת הליבה, ננו-הידרוקסיאפטיט, מסגרות מתכת אורגניות (MOFs)רכיבים פרמצבטיים פעילים (APIs), ננו-חלקיקים מעוטרים במיקרוספרה, ננו-מרוכבים בין חומרים רבים אחרים.,
דוגמאות: טרנסאסטריפיקציה קולית של אסטרי מתיל חומצת שומן (ביודיזל) או טרנסאסטריפיקציה של פוליאולים באמצעות אולטרסאונד.
תמונת TEM (A) והתפלגות גודל החלקיקים שלה (B) של ננו-חלקיקי כסף (Ag-NPs), אשר סונתזו באופן סונוכימי בתנאים אופטימליים.
כמו כן מיושם באופן נרחב הוא התגבשות מקודמת אולטרה-סאונד (סונו-קריסטליזציה), שבו כוח אולטרסאונד משמש לייצור פתרונות רוויים, ליזום התגבשות / משקעים, ולשלוט בגודל הגביש ובמורפולוגיה באמצעות פרמטרים של תהליך קולי. לחצו כאן כדי ללמוד עוד על סונו-התגבשות!
סונו-קטליזה
סוניקציה של תרחיף כימי או תמיסה כימית יכולה לשפר באופן משמעותי את התגובות הקטליטיות. האנרגיה הסונוכימית מפחיתה את זמן התגובה, משפרת את העברת החום והמסה, מה שמביא לאחר מכן לעלייה בקצב הכימי, בתשואות ובסלקטיביות.
ישנם תהליכים קטליטיים רבים, אשר נהנה באופן דרסטי מן היישום של אולטרסאונד כוח ואת ההשפעות הסונוכימיות שלה. כל תגובת קטליזה הטרוגנית של העברת פאזה (PTC) הכוללת שני נוזלים או יותר בלתי ניתנים לערבוב או הרכב נוזלי-מוצק, נהנית מסוניקציה, אנרגיה סונוכימית והעברת מסה משופרת.
לדוגמה, הניתוח ההשוואתי של חמצון מי חמצן רטוב קטליטי שקט ובסיוע אולטרה-סאונד של פנול במים גילה כי הסוניקציה הפחיתה את מחסום האנרגיה של התגובה, אך לא הייתה לה השפעה על מסלול התגובה. אנרגיית ההפעלה לחמצון פנול על RuI3 זרז במהלך סוניקציה נמצא 13 kJ מול-1שהיה קטן פי ארבעה בהשוואה לתהליך החמצון השקט (57 kJ mol.,-1). (Rokhina et al, 2010)
קטליזה סונוכימית משמשת בהצלחה לייצור מוצרים כימיים, כמו גם לייצור חומרים אנאורגניים מיקרונים וננו-מובנים כגון מתכות, סגסוגות, תרכובות מתכת, חומרים שאינם מתכת וחומרים מרוכבים אנאורגניים. דוגמאות נפוצות ל-PTC בסיוע אולטרה-סאונד הן טרנסאסטריפיקציה של חומצות שומן חופשיות למתיל אסטר (ביודיזל), הידרוליזה, ספוניפיקציה של שמנים צמחיים, תגובת סונו-פנטון (תהליכים דמויי פנטון), פירוק סונוקטליטי ועוד.
קרא עוד על סונו-קטליזה ויישומים ספציפיים!
סוניקציה משפרת את כימיית הקליק כגון תגובות ציקלואיד-אלקין!
יישומים סונוכימיים אחרים
בשל השימוש הרב-תכליתי שלהם, אמינות ותפעול פשוט, מערכות סונוכימיות כגון UP400ST או UIP2000hdT מוערכים כציוד יעיל לתגובות כימיות. ניתן להשתמש בקלות במכשירים סונוכימיים של Hielscher Ultrasonics עבור אצווה (כד פתוח) וסוניקציה מובנית רציפה באמצעות תא זרימה סונוכימי. סונוכימיה כולל סונו-סינתזה, סונו-קטליזה, פירוק או פילמור נמצאים בשימוש נרחב בכימיה, ננוטכנולוגיה, מדעי החומרים, תרופות, מיקרוביולוגיה וכן בתעשיות אחרות.
אולטרסוניקטור תעשייתי UIP2000hdT (2kW) עם כור סונוכימי מוטבע.
ציוד סונוכימי בעל ביצועים גבוהים
Hielscher Ultrasonics הוא הספק העליון שלך של חדשני, המדינה-of-the-art ultrasonicators, תא זרימה סונוכימי, כורים ואביזרים עבור תגובות sonochemical יעיל ואמין. כל האולטרסאונד של Hielscher מתוכנן, מיוצר ונבדק באופן בלעדי במטה Hielscher Ultrasonics בטלטוב (ליד ברלין), גרמניה. מלבד הסטנדרטים הטכניים הגבוהים ביותר וחוסן יוצא דופן ופעולה 24/7/365 לפעולה יעילה ביותר, האולטרסאונד של Hielscher קל ואמין לתפעול. יעילות גבוהה, תוכנה חכמה, תפריט אינטואיטיבי, פרוטוקול נתונים אוטומטי ושלט רחוק של הדפדפן הם רק כמה תכונות המבדילות את Hielscher Ultrasonics מיצרני ציוד סונוכימי אחרים.
אמפליטודות מתכווננות במדויק
המשרעת היא התזוזה בחלק הקדמי (קצה) של הסונוטרוד (הידוע גם בשם בדיקה קולית או קרן) והיא הגורם המשפיע העיקרי של קוויטציה קולית. אמפליטודות גבוהות יותר פירושן קוויטציה אינטנסיבית יותר. העוצמה הנדרשת של קוויטציה תלויה מאוד בסוג התגובה, ריאגנטים כימיים בשימוש ותוצאות ממוקדות של התגובה הסונוכימית הספציפית. משמעות הדבר היא שהמשרעת צריכה להיות ניתנת לכוונון מדויק על מנת לכוונן את עוצמת הקוויטציה האקוסטית לרמה האידיאלית. כל Ultrasonicators Hielscher ניתן להתאים באופן אמין ומדויק באמצעות שליטה דיגיטלית אינטליגנטית למשרעת האידיאלית. קרני מאיץ ניתן להשתמש גם כדי להקטין או להגדיל את המשרעת באופן מכני. אולטרסאונד’ מעבדים קוליים תעשייתיים יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. אמפליטודות של עד 200μm ניתנות להפעלה רציפה בקלות בפעולה 24/7. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים.
בקרת טמפרטורה מדויקת במהלך תגובות סונוכימיות
בנקודה החמה של הקוויטציה, ניתן לראות טמפרטורות גבוהות במיוחד של אלפים רבים של מעלות צלזיוס. עם זאת, טמפרטורות קיצוניות אלה מוגבלות מקומית לפנים ולסביבה הזעירים של בועת הקוויטציה המתפוצצת. בתמיסה בתפזורת, עליית הטמפרטורה מהקריסה של בועות קוויטציה בודדות או בודדות היא זניחה. אבל סוניקציה רציפה ואינטנסיבית לפרקי זמן ארוכים יותר עלולה לגרום לעלייה הדרגתית בטמפרטורת הנוזל בתפזורת. עלייה זו בטמפרטורה תורמת לתגובות כימיות רבות ונחשבת לעתים קרובות כמועילה. עם זאת, לתגובות כימיות שונות יש טמפרטורות תגובה אופטימליות שונות. כאשר מטפלים בחומרים רגישים לחום, ייתכן שיהיה צורך בבקרת טמפרטורה. על מנת לאפשר תנאים תרמיים אידיאליים במהלך תהליכים סונוכימיים, Hielscher Ultrasonics מציעה פתרונות מתוחכמים שונים לבקרת טמפרטורה מדויקת במהלך תהליכים סונוכימיים, כגון כורים סונוכימיים ותאי זרימה המצוידים במעילי קירור.
תאי הזרימה הסונוכימיים והכורים שלנו זמינים עם מעילי קירור, התומכים בפיזור חום יעיל. לניטור טמפרטורה רציף, אולטרסוניקטורים Hielscher מצוידים חיישן טמפרטורה לחיבור, אשר ניתן להכניס לתוך הנוזל למדידה מתמדת של הטמפרטורה בתפזורת. תוכנה מתוחכמת מאפשרת הגדרה של טווח טמפרטורות. כאשר חורגים ממגבלת הטמפרטורה, האולטר-סאונד משתהה באופן אוטומטי עד שהטמפרטורה בנוזל יורדת לנקודה מוגדרת מסוימת ומתחיל לסוניק שוב באופן אוטומטי. כל מדידות הטמפרטורה כמו גם נתוני תהליך קוליים חשובים אחרים נרשמים באופן אוטומטי על כרטיס SD מובנה וניתן לשנות אותם בקלות לבקרת תהליך.
טמפרטורה היא פרמטר מכריע של תהליכים סונוכימיים. הטכנולוגיה המשוכללת של Hielscher מסייעת לך לשמור על הטמפרטורה של היישום הסונוכימי שלך בטווח הטמפרטורה האידיאלי.
- יעילות גבוהה
- טכנולוגיה חדישה
- קל ובטוח לתפעול
- מהימנות & חוסן
- אצווה & מוטבעים
- עבור כל אמצעי אחסון
- תוכנה חכמה
- תכונות חכמות (למשל, פרוטוקול נתונים)
- CIP (נקי במקום)
כור סונוכימי: סוניקציה אינטנסיבית וכתוצאה מכך קוויטציה יוזמת ומעצימה תגובות כימיות ויכולה להחליף מסלולים אחידים.
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.
דוגמאות לתגובה כימית משופרת באולטרסאונד לעומת תגובות קונבנציונליות
הטבלה הבאה נותנת סקירה כללית על מספר תגובות כימיות נפוצות. עבור כל סוג תגובה, משווים את תגובת ההפעלה הקונבנציונלית לעומת התגובה המוגברת באולטרסאונד מבחינת תפוקה ומהירות המרה.
| 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% |
(ראה: Andrzej Stankiewicz, Tom van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. פורסם 2019 על ידי 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 קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.