Sonokemijske reakcije i sinteza
Sonokemija je primjena ultrazvuka u kemijskim reakcijama i procesima. Mehanizam koji uzrokuje sonokemijske učinke u tekućinama jest pojava akustične kavitacije.
Hielscher ultrazvučni laboratorijski i industrijski uređaji upotrebljavaju se u širokom rasponu sonokemijskih procesa. Ultrazvučna kavitacija intenzivira i ubrzava kemijske reakcije poput sinteze i katalize.
Sonokemijske reakcije
U kemijskim reakcijama i procesima mogu se uočiti sljedeći sonokemijski učinci:
- povećanje brzine reakcije
- povećanje količine produkta reakcije
- učinkovitija upotreba energije
- sonokemijske metode za promjenu reakcijskog puta
- poboljšanje učinkovitosti katalizatora faznog prijenosa
- izbjegavanje upotrebe katalizatora faznog prijenosa
- upotreba sirovih ili tehničkih reagensa
- aktivacija metala i krutih tvari
- povećanje reaktivnosti reagensa ili katalizatora (kliknite ovdje da biste pročitali više o katalizi potpomognutoj ultrazvukom)
- poboljšanje sinteze čestica
- oblaganje nanočestica
7 ultrazvučnih homogenizatora modela UIP1000hdT (7x 1kW ultrazvučne snage) instalirano je u skupinu za sonokemijske reakcije u industrijskom mjerilu.
Prednosti kemijskih reakcija intenziviranih ultrazvukom
Kemijske reakcije potaknute ultrazvukom ustaljena su tehnika intenziviranja procesa u području kemijske sinteze i obrade. Iskorištavanjem snage ultrazvučnih valova te reakcije nude brojne prednosti u odnosu na konvencionalne metode, poboljšavajući kemijsku katalizu i sintezu. Iznimno velike brzine konverzije, izvrsni prinosi, povećana selektivnost, poboljšana energetska učinkovitost i smanjen utjecaj na okoliš glavne su prednosti sonokemijskih reakcija.
Tablica u nastavku prikazuje neke istaknute prednosti reakcije potaknute ultrazvukom u usporedbi s konvencionalnim kemijskim reakcijama:
| Reakcija | Vrijeme reakcije Konvencionalno |
Vrijeme reakcije Uz ultrazvuk |
Prinos Konvencionalno (%) |
Prinos Uz ultrazvuk (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alderova ciklizacija | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oksidacija indana u spoj indane-1-one | 3 h | 3 h | manje od 27% | 73% |
| Redukcija metoksiaminosilana | nema reakcije | 3 h | 0% | 100% |
| Epoksidacija dugolančanih nezasićenih estera masnih kiselina | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oksidacija arilalkana | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michaelova adicija nitroalkana na monosupstituirane α,β-nezasićene estere | 2 dana | 2 h | 85% | 90% |
| Oksidacija spoja 2-octanol permanganatom | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Sinteza halkona Claisen-Schmidtovom kondenzacijom | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Ullmannovo spajanje spoja 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2h | manje od 1,5% | 70,4% |
| Reformatskyjeva reakcija | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultrazvučna kavitacija u tekućinama
Kavitacija je nastajanje, rast i implozivni kolaps mjehurića u tekućini. Kavitacijski kolaps uzrokuje intenzivno lokalno zagrijavanje (~5000 K), visoke tlakove (~1000 atm), goleme brzine zagrijavanja i hlađenja (>109 K/sec) te mlazove tekućine (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitacija s pomoću uređaja UIP1000hd:
Kavitacijski mjehurići su vakuumski mjehurići. Vakuum nastaje djelovanjem površine koja se brzo kreće s jedne strane i inertne tekućine s druge. Nastale razlike u tlaku služe za prevladavanje kohezijskih i adhezijskih sila unutar tekućine.
Kavitacija se može proizvesti na različite načine, primjerice Venturijevim mlaznicama, visokotlačnim mlaznicama, rotacijom velikom brzinom ili ultrazvučnim pretvornicima. U svim tim sustavima ulazna energija pretvara se u trenje, turbulenciju, valove i kavitaciju. Udio ulazne energije koji se pretvara u kavitaciju ovisi o nekoliko čimbenika koji opisuju kretanje opreme za stvaranje kavitacije u tekućini.
Intenzitet ubrzanja jedan je od najvažnijih čimbenika koji utječu na učinkovitu pretvorbu energije u kavitaciju. Veće ubrzanje stvara veće razlike u tlaku. Time se povećava vjerojatnost nastanka vakuumskih mjehurića umjesto nastanka valova koji se šire kroz tekućinu. Dakle, što je ubrzanje veće, to je veći udio energije koji se pretvara u kavitaciju. U slučaju ultrazvučnog pretvornika intenzitet ubrzanja opisuje se amplitudom titranja.
Veće amplitude omogućuju učinkovitije stvaranje kavitacije. Industrijski uređaji tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu stvarati amplitude do 115 µm. Te visoke amplitude omogućuju visok omjer prijenosa snage, što pak omogućuje stvaranje visokih gustoća snage do 100 W/cm³.
Osim intenziteta ubrzanja, važno je tekućinu ubrzavati tako da gubici zbog turbulencije, trenja i stvaranja valova budu minimalni. Za to je optimalno kretanje u jednom smjeru.
Ultrazvučni reaktor snage 16.000 vata za sonokemijski pojačanu transesterifikaciju u kontinuiranom protoku.
- priprema aktiviranih metala redukcijom metalnih soli
- dobivanje aktiviranih metala sonikacijom
- sonokemijska sinteza čestica taloženjem oksida metala (Fe, Cr, Mn, Co), primjerice za upotrebu kao katalizatora
- impregnacija nosača metalima ili metalnim halogenidima
- priprema otopina aktiviranih metala
- reakcije u kojima sudjeluju metali putem organoelementnih vrsta nastalih in situ
- reakcije u kojima sudjeluju nemetalne čvrste tvari
- kristalizacija i taloženje metala, slitina, zeolithes i drugih čvrstih tvari
- modifikacija morfologije površine i veličine čestica međučestičnim sudarima pri velikim brzinama
- stvaranje amorfnih nanostrukturiranih materijala, uključujući prijelazne metale velike površine, slitine, karbide, okside i koloide
- aglomeracija kristala
- zaglađivanje i uklanjanje pasivirajuće oksidne prevlake
- mikromanipulacija (frakcioniranje) malih čestica
- dispergiranje čvrstih tvari
- priprema koloida (Ag, Au, CdS veličine Q)
- interkalacija molekula gosta u anorganske slojevite čvrste tvari domaćina
- sonokemija polimera
- razgradnja i modifikacija polimera
- sinteza polimera
- sonoliza organskih onečišćivala u vodi
Sonokemijska oprema
Većina spomenutih sonokemijskih procesa može se naknadno prilagoditi radu u kontinuiranom protoku. Rado ćemo vam pomoći pri odabiru sonokemijske opreme za vaše potrebe obrade. Za istraživanje i ispitivanje procesa preporučujemo naše laboratorijske uređaje ili komplet UIP1000hdT.
Po potrebi su ultrazvučni uređaji i reaktori s certifikatima FM i ATEX (npr. UIP1000-Exd) dostupni za sonikaciju zapaljivih kemikalija i formulacija proizvoda u opasnim okruženjima.
Ultrazvučna kavitacija mijenja reakcije otvaranja prstena
Sonikacija je alternativni mehanizam pokretanja kemijskih reakcija u odnosu na toplinu, tlak, svjetlost ili električnu energiju. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth i njihov tim s Kemijskog fakulteta Sveučilišta Illinois u Urbana-Champaignu upotrijebili su ultrazvučnu snagu za pokretanje reakcija otvaranja prstena i manipulaciju njima. Tijekom sonikacije kemijske su reakcije dale proizvode različite od onih predviđenih pravilima orbitalne simetrije (Nature 2007, 446, 423). Skupina je povezala mehanički osjetljive izomere spoja 1,2-disubstituted benzocyclobutene s dvama lancima polietilen glikola, primijenila ultrazvučnu energiju i analizirala otopine u masi pomoću C13 spektroskopije nuklearne magnetske rezonancije. Spektri su pokazali da i cis i trans izomeri daju isti proizvod s otvorenim prstenom, onaj koji se očekuje od trans izomera. Dok toplinska energija uzrokuje nasumično Brownovo gibanje reaktanata, mehanička energija sonikacije usmjerava gibanje atoma. Stoga kavitacijski učinci učinkovito usmjeravaju energiju naprezanjem molekule, mijenjajući oblik plohe potencijalne energije.
Ultrazvučni uređaji sa sondom poput uređaja UP400St intenziviraju sintezu nanočestica. Sonokemijski je postupak jednostavan, učinkovit, brz i odvija se s netoksičnim kemikalijama u blagim uvjetima.
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za sonokemiju
Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučne procesore za laboratorij i industriju. Svi ultrazvučni uređaji Hielscher vrlo su snažni i robusni ultrazvučni strojevi izrađeni za neprekidan rad 24/7 pod punim opterećenjem. Digitalno upravljanje, programabilne postavke, praćenje temperature, automatsko bilježenje podataka i daljinsko upravljanje putem preglednika samo su neke od značajki ultrazvučnih uređaja Hielscher. Korisnici cijene sigurno i jednostavno rukovanje opremom Hielscher Ultrasonics, osmišljenom za visoke performanse i udoban rad. Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher postižu amplitude do 200µm i idealni su za zahtjevne primjene. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Tablica u nastavku daje uvid u približan kapacitet obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije na laboratorijskoj, pilotnoj i industrijskoj razini.
Literatura / Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijskih do industrijskih veličina.