अल्ट्रासोनिक सहायता से उत्प्रेरकीय निष्कर्षण

Hielscher अल्ट्रासोनिक रिएक्टरों का उपयोग कई उद्योगों में उत्प्रेरकीय निष्कर्षण प्रसंस्करण (CEP) या तथाकथित प्रावस्था-स्थानांतरण निष्कर्षण (PTE) में सहायता करने और उसे बेहतर बनाने के लिए किया जाता है। उत्प्रेरकीय निष्कर्षण में एक विषमांगी, अमिश्रणीय प्रावस्था तंत्र शामिल होता है, जैसे द्रव–द्रव या द्रव–ठोस। अल्ट्रासोनिक उच्च अपरूपण बल और कैविटेशन बल विलेयों के घुलने की दरों में उल्लेखनीय सुधार करते हैं, जिससे निष्कर्षण अधिक तेज़ और अधिक पूर्ण होता है। इसके अतिरिक्त, इस प्रभाव का उपयोग प्रयुक्त विलायक या अम्ल की मात्रा कम करने के लिए किया जा सकता है। एक प्रमाणित तकनीक के रूप में, अल्ट्रासोनिक सहायता से निष्कर्षण का उपयोग लगातार बढ़ रहा है, क्योंकि कम निष्कर्षण समय और कम कार्बनिक विलायक खपत वाली पर्यावरण-अनुकूल निष्कर्षण तकनीकों की माँग बढ़ रही है।

उत्प्रेरकीय निष्कर्षण/प्रावस्था-स्थानांतरण निष्कर्षण – मूल सिद्धांत

“उत्प्रेरकीय निष्कर्षण प्रसंस्करण (CEP) या प्रावस्था-स्थानांतरण निष्कर्षण (PTE)” शब्द द्रव–द्रव या ठोस–द्रव वितरण का वर्णन करता है, जब विश्लेष्यों के निष्कर्षण और उन्हें हटाने पर ध्यान केंद्रित किया जाता है। इसलिए, द्रव या ठोस तनुकारक को विलायक (द्रव प्रावस्था) में परिक्षेपित/पायसीकृत करना आवश्यक होता है। “निष्कर्षक” शब्द केवल विलायक में उपस्थित उस सक्रिय पदार्थ का वर्णन करता है (अर्थात वह समांगी ‘कार्बनिक प्रावस्था’, जिसमें निष्कर्षक, तनुकारक और/या संशोधक शामिल होते हैं), जो मुख्यतः विलेय को ‘जलीय’ प्रावस्था से ‘कार्बनिक’ प्रावस्था में स्थानांतरित करने के लिए उत्तरदायी होता है। [IUPAC]। जिस लक्षित पदार्थ का निष्कर्षण किया जाता है, उसे अर्क कहा जाता है।
पारंपरिक निष्कर्षण विधियाँ, जैसे सॉक्सलेट निष्कर्षण, भिगोकर निष्कर्षण, माइक्रोवेव, परकोलेशन, प्रतिवाह के अंतर्गत निष्कर्षण और भाप आसवन, या टर्बो-निष्कर्षण, प्रायः धीमी और अकुशल होती हैं और/या इनके लिए बड़ी मात्रा में खतरनाक विलायकों की आवश्यकता होती है। इससे प्रक्रिया महँगी, समय लेने वाली और पर्यावरण के लिए हानिकारक हो जाती है।
अल्ट्रासाउंड पारंपरिक निष्कर्षण विधियों का एक प्रमाणित विकल्प है, जो कम खतरनाक विलायकों के साथ या उनके बिना अधिक तेज़ और अधिक पूर्ण निष्कर्षण प्रदान करता है! अल्ट्रासाउंड हरित, पर्यावरण-अनुकूल प्रसंस्करण की एक शक्तिशाली तकनीक है।

अल्ट्रासोनिक सहायता से उत्प्रेरकीय निष्कर्षण का सिद्धांत

किसी पदार्थ के निष्कर्षण के लिए अमिश्रणीय प्रावस्थाओं को मिलाना आवश्यक होता है, ताकि निष्कर्षित किए जाने वाले पदार्थ को वाहक प्रावस्था से विलायक प्रावस्था में घोला जा सके। प्रावस्था-स्थानांतरण निष्कर्षण सबसे अधिक परिक्षिप्त प्रावस्था से सतत प्रावस्था में किया जाता है, जिसका अर्थ है कि बूँदों और कणों को विलायक में समांगी रूप से परिक्षेपित करना आवश्यक होता है।
उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड मिश्रण और निष्कर्षण की एक सुप्रसिद्ध तकनीक है, जिसके निष्कर्षण प्रक्रिया पर कई सकारात्मक प्रभाव होते हैं:

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण के लाभ:

• सीमा परतों को तोड़ना
• वान डर वाल्स बलों पर काबू पाना
• असंतृप्त तरल को संपर्क सतह तक पहुँचाना
• स्थानांतरण एजेंटों की आवश्यकता को कम करना या समाप्त करना
• समय, तापमान और/या सांद्रता को कम करना
• पूर्ण संतृप्ति के लिए आवश्यक आयतन की तुलना में कम आधिक्य
• परिष्कृत किए जाने वाले आयतन में कमी (जैसे आसवन, वाष्पीकरण, सुखाने द्वारा)
• निरंतर चलाए जाने वाले विलोडित रिएक्टरों (CSR) की आवश्यकता नहीं
• विद्युत ऊर्जा की बचत
• बैच प्रसंस्करण के बजाय इनलाइन प्रसंस्करण
• कम अम्लीय या सस्ते विलायक का उपयोग
• विलायकों से बचना, उनके बजाय जलीय माध्यम का उपयोग करना
• उच्च ठोस सांद्रता वाली या उच्च श्यानता वाली स्लरियों का प्रसंस्करण
• हरित प्रसंस्करण: पर्यावरण के अनुकूल
• मैलिक अम्ल या साइट्रिक अम्ल जैसे कार्बनिक अम्लों का उपयोग
• बहुचरणीय निष्कर्षण प्रक्रियाओं से बचना

तरल–तरल निष्कर्षण

पारंपरिक प्रक्रिया: तरल–तरल निष्कर्षण एक विभाजन विधि है, जिसमें दो अलग-अलग अमिश्रणीय तरल प्रावस्थाओं में पदार्थों की सापेक्ष विलेयता के आधार पर उन्हें एक तरल प्रावस्था से दूसरी तरल प्रावस्था में निकाला जाता है। अल्ट्रासोनिक्स के उपयोग से दोनों प्रावस्थाओं के बीच विलेय के स्थानांतरण की दर में सुधार होता है, जिसके लिए उच्च दक्षता वाले मिश्रण, पायसीकरण, और विलयन का उपयोग किया जाता है!
तरल–तरल निष्कर्षण एक पृथक्करण तकनीक है, जिसमें कार्बनिक विलायक का उपयोग करके जलीय विलयन से मूल्यवान घटकों को अलग और सांद्रित किया जाता है। तरल–तरल निष्कर्षण का उपयोग अक्सर तब किया जाता है, जब अन्य पृथक्करण तकनीकें (जैसे आसवन) अप्रभावी होती हैं। तरल–तरल निष्कर्षण का उपयोग औषधि एवं सौंदर्य प्रसाधन उद्योग (सक्रिय यौगिक, APIs, सुगंधित पदार्थ), खाद्य एवं कृषि उद्योग, कार्बनिक और अकार्बनिक रसायन विज्ञान, पेट्रोरसायन उद्योग तथा जलधातुकर्म में किया जाता है।

समस्या: एक सामान्य समस्या तरल प्रावस्थाओं की अमिश्रणीयता है (विलायक और तनुकारक अमिश्रणीय होते हैं), इसलिए एक उपयुक्त मिश्रण विधि आवश्यक होती है। चूँकि दोनों तरल प्रावस्थाओं का एकसमान मिश्रण तनुकारक और विलायक के बीच प्रावस्था स्थानांतरण को बढ़ावा देता है, इसलिए विश्वसनीय परिक्षेपण या पायसीकरण विधि अत्यंत आवश्यक है। मिश्रण जितना महीन होगा और दोनों प्रावस्थाओं के बीच संपर्क क्षेत्र जितना अधिक होगा, विलायक उतनी ही बेहतर तरह से एक तरल प्रावस्था से दूसरी तरल प्रावस्था में जा सकेगा। पारंपरिक निष्कर्षण प्रक्रियाएँ अधिकांशतः द्रव्यमान स्थानांतरण को पर्याप्त बढ़ावा नहीं देतीं, जिससे निष्कर्षण प्रक्रिया धीमी और अक्सर अपूर्ण रहती है। निष्कर्षण में सुधार के लिए अक्सर विलायक की अत्यधिक मात्रा का उपयोग किया जाता है, जिससे प्रक्रिया महँगी और पर्यावरण को प्रदूषित करने वाली बन जाती है।
 

 
समाधान: अल्ट्रासोनिक तरल–तरल निष्कर्षण कई पहलुओं में पारंपरिक तरल–तरल निष्कर्षण तकनीकों से बेहतर है:
उच्च शक्ति वाला अल्ट्रासाउंड दो या अधिक तरल प्रावस्थाओं को विश्वसनीय और आसान तरीके से आपस में मिलाता है। अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा बूंदों का आकार नैनो स्तर तक घटाया जा सकता है, जिससे महीन सूक्ष्म और नैनो पायस प्राप्त होते हैं। इस दौरान उत्पन्न कैविटेशन बल तरल प्रावस्थाओं के बीच द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ावा देते हैं। चूँकि सोनिकेशन एक निरंतर इनलाइन प्रणाली में चलाया जा सकता है, बड़े आयतन और अत्यधिक श्यान तरल को बिना किसी समस्या के संसाधित किया जा सकता है।
इसके अलावा सूक्ष्म निष्कर्षण, जैसे विश्लेषणात्मक उद्देश्यों के लिए किया जाने वाला निष्कर्षण, भी सोनिकेशन द्वारा बेहतर बनाया जा सकता है (जैसे अल्ट्रासोनिक पायसीकरण के साथ आयनिक द्रव-आधारित सूक्ष्म निष्कर्षण)।

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण के लाभ:
कम आवृत्ति/उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड से उत्पन्न शक्तिशाली अल्ट्रासोनिक बल निम्न कार्यों में सहायता करते हैं

• बूंदों का आकार बदलना
• इमल्शन स्थानांतरण एजेंटों या उभयप्रेमी उत्प्रेरकों से बचना
• डिटर्जेंटों या पृष्ठसक्रियकों के उपयोग से बचना
• उभयप्रेमी उत्प्रेरकों, डिटर्जेंटों या पृष्ठसक्रियकों से बचना
• पृष्ठसक्रियक परतों के बिना विक्षुब्ध, अस्थिर इमल्शन बनाना

अल्ट्रासोनिक्स द्वारा बेहतर ठोस-द्रव निष्कर्षण

ठोस-द्रव निष्कर्षण या ठोस-चरण निष्कर्षण (SPE) का उद्देश्य द्रव मिश्रण में घुले या निलंबित विश्लेष्यों को अलग करना और उनके भौतिक तथा रासायनिक गुणों के अनुसार उन्हें मैट्रिक्स से पृथक करना है। इसके लिए उपयुक्त विलायक की सहायता से पृथक पदार्थ को अधिशोषक से निक्षालित किया जाता है। निष्कर्षित पदार्थ को “elute” कहा जाता है।
पारंपरिक SPE तकनीकों में मैसरेशन, सॉक्सलेट निष्कर्षण, परकोलेशन, रिफ्लक्स और भाप आसवन का संयोजन, या उच्च गति मिश्रण/टर्बो-निष्कर्षण शामिल हैं। ठोस-द्रव निष्कर्षण जीवविज्ञान, रसायन विज्ञान तथा खाद्य, औषधि और सौंदर्य प्रसाधन उद्योगों में यौगिकों को अलग करने की एक सामान्य प्रक्रिया है। धातुओं के निष्कर्षण को लीचिंग भी कहा जाता है।
समस्या: पारंपरिक SPE तकनीकें समय लेने वाली मानी जाती हैं और इनमें अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा में विलायकों की आवश्यकता होती है, जो अधिकांशतः पर्यावरण के लिए खतरनाक और प्रदूषणकारी होते हैं। प्रक्रिया का उच्च तापमान ताप-संवेदनशील अर्कों को नष्ट भी कर सकता है।
समाधान: अल्ट्रासोनिक सहायता से किए जाने वाले ठोस-द्रव निष्कर्षण द्वारा पारंपरिक SPE की सामान्य समस्याओं को आम तौर पर दूर किया जा सकता है। चूँकि सोनिकेशन विलायक चरण में ठोस पदार्थों का महीन वितरण सुनिश्चित करता है, इसलिए अधिक बड़ी अंतरापृष्ठीय सीमा उपलब्ध होती है, जिससे लक्ष्य पदार्थ का विलायक में द्रव्यमान स्थानांतरण बेहतर होता है। इससे अधिक तेज़ और अधिक पूर्ण निष्कर्षण होता है, जबकि विलायक का उपयोग कम हो जाता है या पूरी तरह टाल दिया जाता है (इसके बजाय द्रव चरण के रूप में पानी का उपयोग करें)। शक्तिशाली अल्ट्रासाउंड के प्रयोग से ठोस-चरण निष्कर्षण अधिक कुशल, किफायती और पर्यावरण-अनुकूल तरीके से किया जा सकता है। प्रदूषणकारी या खतरनाक विलायकों का उपयोग कम करने या उनसे बचने के कारण अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण को पर्यावरण-अनुकूल हरित प्रक्रिया माना जा सकता है। आर्थिक दृष्टि से, ऊर्जा, विलायक और समय की बचत के कारण प्रक्रिया की लागत कम हो जाती है।

अल्ट्रासोनिक विलायक निष्कर्षण

विलायक निष्कर्षण में किसी यौगिक को दूसरे द्रव (जैसे जलीय चरण) से घोलकर अलग करने के लिए एक विलायक (जैसे कार्बनिक विलायक) का उपयोग किया जाता है। सामान्यतः अधिक ध्रुवीय विलेय अधिक ध्रुवीय विलायक में घुलते हैं और कम ध्रुवीय विलेय कम ध्रुवीय विलायक में घुलते हैं। विलायक निष्कर्षण द्वारा एसीटोनाइट्राइल या अन्य ध्रुवीय विलायकों का उपयोग करके तेल चरण से ऑक्सीकृत थायोफीनों (सल्फॉक्साइडों, सल्फोनों) को अलग करना संभव है। विलायक निष्कर्षण का उपयोग यूरेनियम, प्लूटोनियम या थोरियम जैसे पदार्थों को अम्लीय विलयनों से ऑर्गेनोफॉस्फेट ट्राइ-n-ब्यूटिल फॉस्फेट में निष्कर्षित करने के लिए भी किया जाता है (PUREX प्रक्रिया)।
अपने विलायक का उपयोग कम करें: अल्ट्रासोनिक्स का उपयोग प्रक्रिया में विलायकों के उपयोग को न्यूनतम करता है और विलायक में उत्पाद की मात्रा को अनुकूलित करता है। इससे अधिक तेज़ और अधिक पूर्ण निष्कर्षण भी होता है।
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अल्ट्रासोनिक सहायता से सॉक्सलेट निष्कर्षण

सॉक्सलेट निष्कर्षण एक ठोस-द्रव निष्कर्षण तकनीक है, जिसका उपयोग संश्लेषण और विश्लेषण संबंधी प्रयोगशालाओं में अक्सर किया जाता है। सॉक्सलेट निष्कर्षण मुख्यतः तब किया जाता है, जब किसी विलायक में किसी पदार्थ की विलेयता केवल सीमित होती है और अशुद्धि उस विलायक में अघुलनशील होती है।
अल्ट्रासाउंड को सॉक्सलेट निष्कर्षण के साथ बहुत सफलतापूर्वक संयोजित किया जा सकता है, जिससे प्राप्ति बढ़ती है और निष्कर्षण का समय कम होता है।
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सोनिकेशन द्वारा पिघले पदार्थों में निष्कर्षण

द्रव-द्रव निष्कर्षण ऐसे मिश्रणों में किया जा सकता है जिनमें एक या दोनों द्रव प्रावस्थाएँ पिघले पदार्थ हों, जैसे पिघले लवण या पिघली धातुएँ, जैसे पारा। अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल रिएक्टरों में शक्तिशाली इनलाइन सोनिकेशन से पिघले पदार्थों जैसे उच्च श्यानता वाले द्रवों का भी प्रसंस्करण किया जा सकता है।

अल्ट्रासोनिक सहायता से निक्षालन

निक्षालन में किसी निष्क्रिय, अघुलनशील ठोस वाहक से विलेय को चयनात्मक रूप से घोलने के लिए अम्लों, विलायकों या गर्म पानी का उपयोग किया जाता है। खनन में अयस्कों से धातुएँ निकालने के लिए अक्सर निक्षालन का उपयोग किया जाता है।
अल्ट्रासोनिक निक्षालन के लाभ:

• सरंध्र पदार्थों के छोटे छिद्रों को धोना
• झिल्लियों की चयनात्मकताओं को पार करना
• ठोस पदार्थों को तोड़ना, उनकी परतों को अलग करना और उनके कणों के गुच्छों को अलग करना
• निष्क्रिय परतों को हटाना
• ऑक्साइड परतों को हटाना
• पदार्थ की पूरी सतह को गीला करना, विशेष रूप से उच्च पृष्ठ तनाव वाले द्रवों के लिए
• अपरूपण से श्यानता में कमी

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किसी भी उत्पादन मात्रा के लिए Hielscher सोनिकेटर

प्रयोगशाला, बेंच-टॉप और उत्पादन स्तर पर सोनिकेशन: सभी Hielscher अल्ट्रासोनिक उपकरण 24h/7d चलने के लिए बनाए गए हैं; यहाँ तक कि प्रयोगशाला के अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र भी बैच या प्रवाह-माध्यम मोड में पर्याप्त मात्रा का प्रसंस्करण कर सकते हैं। बेंच-टॉप और औद्योगिक अल्ट्रासोनिकेटर औद्योगिक मानकों के अनुसार डिज़ाइन और निर्मित किए जाते हैं, ताकि बड़ी मात्राओं और उच्च श्यानता वाले पदार्थों का बिना किसी समस्या के प्रसंस्करण किया जा सके – उच्च दाब और उच्च तापमान जैसी चुनौतीपूर्ण परिस्थितियों में भी (जैसे सुपरक्रिटिकल CO2 के साथ संयोजन में, एक्सट्रूज़न प्रक्रियाओं आदि के लिए)। Hielscher के मज़बूत अल्ट्रासोनिकेटर विलायकों, अपघर्षक द्रवों और संक्षारक पदार्थों को संभालने में सक्षम हैं। उपयुक्त सहायक उपकरण अल्ट्रासोनिक प्रणाली को निष्कर्षण प्रक्रिया की आवश्यकताओं के अनुसार सर्वोत्तम रूप से अनुकूलित करना संभव बनाते हैं। खतरनाक वातावरणों में स्थापना के लिए, ATEX या FM रेटिंग वाली विस्फोट-रोधी अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ उपलब्ध हैं।
इस प्रकार, Hielscher के मज़बूत और शक्तिशाली सोनिकेटर तथा सहायक उपकरणों की व्यापक श्रृंखला से गर्म पानी/द्रवों, अम्लों, पिघली धातुओं, पिघले लवणों और विलायकों (जैसे मेथनॉल, हेक्सेन; कार्बनिक, ध्रुवीय विलायक जैसे एसीटोनाइट्राइल) जैसे पदार्थों का सोनिकेशन संभव होता है।

प्रवाह आरेख: अल्ट्रासोनिक प्रावस्था स्थानांतरण निष्कर्षण के चरण