Sonokemijske reakcije i sinteza
Sonokemija je primjena ultrazvuka na kemijske reakcije i procese. Mehanizam koji uzrokuje sonokemijske učinke u tekućinama je fenomen akustične kavitacije.
Hielscher ultrazvučni laboratorijski i industrijski uređaji koriste se u širokom rasponu sonokemijskih procesa. Ultrazvučna kavitacija pojačava i ubrzava kemijske reakcije kao što su sinteza i kataliza.
sonokemijske reakcije
U kemijskim reakcijama i procesima mogu se uočiti sljedeći sonokemijski učinci:
- povećanje brzine reakcije
- povećanje učinka reakcije
- učinkovitije korištenje energije
- sonokemijske metode za prebacivanje reakcijskog puta
- poboljšanje performansi katalizatora faznog prijenosa
- izbjegavanje katalizatora faznog prijenosa
- korištenje sirovih ili tehničkih reagensa
- aktivacija metala i krutina
- povećanje reaktivnosti reagensa ili katalizatora (kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučno potpomognutoj katalizi)
- poboljšanje sinteze čestica
- oblaganje nanočesticama
7 ultrazvučnih homogenizatora model UIP1000hdT (7x 1kW ultrazvučne snage) instaliran kao klaster za sonokemijske reakcije na industrijskoj razini.
Prednosti ultrazvučno pojačanih kemijskih reakcija
Ultrazvučno potaknute kemijske reakcije etablirana su tehnika intenzifikacije procesa u području kemijske sinteze i obrade. Iskorištavanjem snage ultrazvučnih valova, ove reakcije nude brojne prednosti u odnosu na konvencionalne metode, poboljšavajući kemijsku katalizu i sintezu. Turbo-brze stope pretvorbe, izvrsni prinosi, poboljšana selektivnost, poboljšana energetska učinkovitost i smanjen utjecaj na okoliš glavne su prednosti sonokemijskih reakcija.
Prikaz tablice pokazuje neke istaknute prednosti ultrazvučno potaknute reakcije u odnosu na konvencionalne kemijske reakcije:
| reakcija | Vrijeme reakcije Konvencionalne |
Vrijeme reakcije ultrazvuk |
prinos Konvencionalne (%) |
prinos Ultrazvuk (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alderova ciklizacija | 35 h | 3,5 h | 77.9 | 97.3 |
| Oksidacija indana u indan-1-on | 3 h | 3 h | manje od 27% | 73% |
| Redukcija metoksiaminosilana | nema reakcije | 3 h | 0% | 100% |
| Epoksidacija dugolančanih nezasićenih masnih estera | 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% |
| Permanganatna oksidacija 2-oktanola | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Sinteza kalkona CLaisen-Schmidtovom kondenzacijom | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| UIllmannovo spajanje 2-jodonitrobenzena | 2 h | 2H | manje tamnjenja 1,5% | 70,4% |
| Reformatska reakcija | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultrazvučna kavitacija u tekućinama
Kavitacija, odnosno stvaranje, rast i implozivno kolapsiranje mjehurića u tekućini. Kavitacijski kolaps proizvodi intenzivno lokalno zagrijavanje (~5000 K), visoke tlakove (~1000 atm) i ogromne brzine zagrijavanja i hlađenja (>109 K/sek) i tekuće mlazne struje (~400 km/h). (Suslic 1998)
Kavitacija pomoću UIP1000hd:
Kavitacijski mjehurići su vakuumski mjehurići. Vakuum stvara brzo pokretna površina s jedne strane i inertna tekućina s druge strane. Rezultirajuće razlike tlakova služe za prevladavanje sila kohezije i adhezije unutar tekućine.
Kavitacija se može proizvesti na različite načine, kao što su Venturi mlaznice, visokotlačne mlaznice, rotacija velike brzine ili ultrazvučni pretvornici. U svim tim sustavima ulazna energija se pretvara u trenje, turbulencije, valove i kavitaciju. Udio ulazne energije koji se transformira u kavitaciju ovisi o nekoliko čimbenika koji opisuju kretanje opreme za generiranje kavitacije u tekućini.
Intenzitet ubrzanja jedan je od najvažnijih čimbenika koji utječu na učinkovitu transformaciju energije u kavitaciju. Veće ubrzanje stvara veće razlike tlaka. To zauzvrat povećava vjerojatnost stvaranja vakuumskih mjehurića umjesto stvaranja valova koji se šire kroz tekućinu. Dakle, što je veće ubrzanje, veći je udio energije koji se pretvara u kavitaciju. U slučaju ultrazvučnog pretvarača, intenzitet ubrzanja opisuje se amplitudom osciliranja.
Veće amplitude rezultiraju učinkovitijim stvaranjem kavitacije. Industrijski uređaji tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu stvoriti amplitude do 115 µm. Ove visoke amplitude omogućuju visok omjer prijenosa snage što zauzvrat omogućuje stvaranje velike gustoće snage do 100 W/cm³.
Osim intenziteta, tekućinu treba ubrzati na način da stvara minimalne gubitke u vidu turbulencija, trenja i generiranja valova. Za to je optimalan način jednostrani smjer kretanja.
Ultrazvučni reaktor sa 16.000 W za sonokemijski poboljšanu inline transesterifikaciju.
- pripremanje aktiviranih metala redukcijom metalnih soli
- stvaranje aktiviranih metala sonikacijom
- sonokemijska sinteza čestica taloženjem metalnih (Fe, Cr, Mn, Co) oksida, npr. za upotrebu kao katalizatora
- impregnacija metala ili metalnih halogenida na nosačima
- priprema otopina aktiviranih metala
- reakcije koje uključuju metale putem in situ generiranih vrsta organskih elemenata
- reakcije koje uključuju nemetalne čvrste tvari
- kristalizacija i taloženje metala, legura, zeolita i drugih krutina
- modifikacija morfologije površine i veličine čestica međučestičnim sudarima velikih brzina
- stvaranje amorfnih nanostrukturiranih materijala, uključujući prijelazne metale velike površine, legure, karbide, okside i koloide
- aglomeracija kristala
- glačanje i uklanjanje pasivizirajućeg oksidnog premaza
- mikromanipulacija (frakcioniranje) malih čestica
- disperzija čvrstih tvari
- priprema koloida (Ag, Au, CdS veličine Q)
- interkalacija gostujućih molekula u anorganske slojevite čvrste tvari domaćina
- sonokemija polimera
- razgradnja i modifikacija polimera
- sinteza polimera
- sonoliza organskih zagađivača u vodi
sonokemijska oprema
Većina spomenutih sonokemijskih procesa može se naknadno prilagoditi za rad u liniji. Rado ćemo vam pomoći u odabiru sonokemijske opreme za vaše potrebe obrade. Za istraživanje i ispitivanje procesa preporučujemo naše laboratorijske uređaje ili UIP1000hdT set.
Ako je potrebno, FM i ATEX certificirani ultrazvučni uređaji i reaktori (npr UIP1000-Exd) dostupni su za sonikaciju zapaljivih kemikalija i formulacija proizvoda u opasnim okruženjima.
Ultrazvučna kavitacija mijenja reakcije otvaranja prstena
Ultrasonication je alternativni mehanizam za toplinu, pritisak, svjetlost ili električnu energiju za pokretanje kemijskih reakcija. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth i njihov tim na Kemijski fakultet na Sveučilištu Illinois u Urbana-Champaignu koristio ultrazvučnu snagu za pokretanje i manipuliranje reakcijama otvaranja prstena. Pod ultrazvukom, kemijske reakcije generirale su proizvode različite od onih predviđenih pravilima orbitalne simetrije (Nature 2007, 446, 423). Grupa je povezala mehanički osjetljive 1,2-disupstituirane izomere benzociklobutena s dva lanca polietilen glikola, primijenila ultrazvučnu energiju i analizirala otopine u rasutom stanju pomoću C13 spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije. Spektri su pokazali da i cis i trans izomeri daju isti produkt s otvorenim prstenom, onaj koji se očekuje od trans izomera. Dok toplinska energija uzrokuje nasumično Brownovo gibanje reaktanata, mehanička energija ultrazvučne obrade daje smjer atomskim pokretima. Stoga kavitacijski učinci učinkovito usmjeravaju energiju naprezanjem molekule, preoblikujući površinu potencijalne energije.
Ultrasonicators tipa sonde kao UP400St intenzivirati sintezu nanočestica. Sonokemijski put je jednostavan, učinkovit, brz i djeluje s netoksičnim kemikalijama pod blagim uvjetima.
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za sonokemiju
Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučne procesore za laboratorije i industriju. Svi Hielscher ultrasonicators su vrlo moćni i robusni ultrazvučni strojevi i napravljeni za kontinuirani rad 24/7 pod punim opterećenjem. Digitalna kontrola, programabilne postavke, nadzor temperature, automatsko protokoliranje podataka i daljinsko upravljanje preglednikom samo su neke značajke Hielscher ultrasonicators. Dizajniran za visoke performanse i ugodan rad, korisnici cijene sigurno i jednostavno rukovanje opremom Hielscher Ultrasonics. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori isporučuju amplitude do 200µm i idealni su za teške primjene. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
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 laboratorija do industrijska veličina.