Sonokemija i sonokemijski reaktori
Sonokemija je područje kemije u kojem se ultrazvuk visokog intenziteta koristi za induciranje, ubrzavanje i modificiranje kemijskih reakcija (sinteza, kataliza, razgradnja, polimerizacija, hidroliza itd.). Ultrazvučno generirana kavitacija karakterizirana je jedinstvenim uvjetima guste energije, koji potiču i pojačavaju kemijske reakcije. Brže brzine reakcija, veći prinosi i upotreba zelenih, blažih reagensa pretvaraju sonokemiju u vrlo koristan alat za postizanje poboljšanih kemijskih reakcija.
Sonokemija
Sonokemija je područje istraživanja i obrade u kojem molekule prolaze kroz kemijsku reakciju zbog primjene ultrazvuka visokog intenziteta (npr. 20 kHz). Fenomen odgovoran za sonokemijske reakcije je akustična kavitacija. Akustična ili ultrazvučna kavitacija nastaje kada se snažni ultrazvučni valovi spoje u tekućinu ili kašu. Zbog izmjeničnih ciklusa visokog/niskog tlaka uzrokovanih snažnim ultrazvučnim valovima u tekućini, stvaraju se vakuumski mjehurići (kavitacijske šupljine), koji rastu tijekom nekoliko ciklusa pritiska. Kada kavitacijski vakuumski mjehurić dosegne određenu veličinu pri kojoj ne može apsorbirati više energije, vakuumski mjehurić snažno implodira i stvara visoko energetski gustu vruću točku. Ovu lokalnu vruću točku karakteriziraju vrlo visoke temperature, pritisci i mikrostrujanje iznimno brzih mlaznica tekućine.
Zatvoreni šaržni reaktor izrađen od nehrđajućeg čelika opremljen je s ultrazvučni uređaj UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustična kavitacija i učinci ultrazvuka visokog intenziteta
Akustična kavitacija, koja se često naziva i ultrazvučna kavitacija, može se razlikovati u dva oblika, stabilnu i prolaznu kavitaciju. Tijekom stabilne kavitacije, kavitacijski mjehurić oscilira mnogo puta oko svog polumjera ravnoteže, dok tijekom prolazne kavitacije, u kojoj kratkotrajni mjehurić prolazi kroz dramatične promjene volumena u nekoliko akustičkih ciklusa i završava nasilnim kolapsom (Suslick 1988). Stabilna i prolazna kavitacija mogu se pojaviti istovremeno u otopini i mjehurić koji prolazi kroz stabilnu kavitaciju može postati prolazna šupljina. Implozija mjehurića, koja je karakteristična za prolaznu kavitaciju i sonikaciju visokog intenziteta, stvara različite fizikalne uvjete uključujući vrlo visoke temperature od 5000–25 000 K, tlakove do nekoliko 1000 bara i struje tekućina s brzinama do 1000 m/s. Budući da se kolaps/implozija kavitacijskih mjehurića događa za manje od jedne nanosekunde, vrlo visoke stope zagrijavanja i hlađenja veće od 1011 K/s se može promatrati. Tako visoke brzine zagrijavanja i razlike u tlaku mogu pokrenuti i ubrzati reakcije. Što se tiče tekućih tokova koji se pojavljuju, ove mikromlaznice velike brzine pokazuju posebno velike prednosti kada se radi o heterogenim kašama kruto-tekuće. Mlazovi tekućine udaraju o površinu s punom temperaturom i pritiskom kolabirajućeg mjehurića i uzrokuju eroziju putem međučestičnog sudara kao i lokalnog taljenja. Posljedično, uočen je značajno poboljšan prijenos mase u otopini.
Ultrazvučna kavitacija najučinkovitije se stvara u tekućinama i otapalima s niskim tlakom pare. Stoga su mediji s niskim tlakom pare povoljni za sonokemijske primjene.
Kao rezultat ultrazvučne kavitacije, stvorene intenzivne sile mogu prebaciti putove reakcija na učinkovitije rute, tako da se izbjegnu potpunije pretvorbe i/ili proizvodnja neželjenih nusproizvoda.
Energetski gust prostor nastao kolapsom kavitacijskih mjehurića naziva se vruća točka. Niskofrekventni ultrazvuk velike snage u rasponu od 20 kHz i sposobnost stvaranja visokih amplituda dobro su dokazani za stvaranje intenzivnih vrućih točaka i povoljnih sonokemijskih uvjeta.
Ultrazvučna laboratorijska oprema, kao i industrijski ultrazvučni reaktori za komercijalne sonokemijske procese, lako su dostupni i dokazani su kao pouzdani, učinkoviti i ekološki prihvatljivi u laboratorijskim, pilotskim i potpuno industrijskim razmjerima. Sonokemijske reakcije mogu se provoditi kao serija (tj. otvorena posuda) ili in-line proces upotrebom zatvorenog protočnog reaktora.
sono-sinteza
Sono-sinteza ili sonokemijska sinteza je primjena ultrazvučno generirane kavitacije kako bi se pokrenule i potaknule kemijske reakcije. Ultrazvuk velike snage (npr. na 20 kHz) pokazuje snažne učinke na molekule i kemijske veze. Na primjer, sonokemijski učinci koji proizlaze iz intenzivne sonikacije mogu rezultirati cijepanjem molekula, stvaranjem slobodnih radikala i/ili promjenom kemijskih puteva. Sonokemijska sinteza se stoga intenzivno koristi za proizvodnju ili modificiranje širokog spektra nanostrukturiranih materijala. Primjeri nanomaterijala proizvedenih putem sono-sinteze su nanočestice (NP) (npr. zlatne NP, srebrne NP), pigmenti, nanočestice jezgra-ljuska, nano-hidroksiapatit, metalni organski okviri (MOF), aktivni farmaceutski sastojci (API), nanočestice ukrašene mikrosferama, nano-kompoziti među mnogim drugim materijalima.
Primjeri: Ultrazvučna transesterifikacija metil estera masnih kiselina (biodizel) ili transesterifikacija poliola pomoću ultrazvuka.
TEM slika (A) i njezina raspodjela veličine čestica (B) nanočestica srebra (Ag-NP), koje su sonokemijski sintetizirane u optimalnim uvjetima.
Također se naširoko primjenjuje ultrazvučno promovirana kristalizacija (sono-kristalizacija), gdje se ultrazvučni ultrazvuk koristi za proizvodnju prezasićenih otopina, za pokretanje kristalizacije/taloženja i kontrolu veličine i morfologije kristala putem ultrazvučnih parametara procesa. Kliknite ovdje da saznate više o sono-kristalizaciji!
sono-kataliza
Soniciranje kemijske suspenzije ili otopine može značajno poboljšati katalitičke reakcije. Sonokemijska energija smanjuje vrijeme reakcije, poboljšava prijenos topline i mase, što rezultira povećanjem konstanti kemijske brzine, prinosa i selektivnosti.
Postoje brojni katalitički procesi koji drastično profitiraju od primjene snažnog ultrazvuka i njegovih sonokemijskih učinaka. Svaka heterogena reakcija katalize prijenosa faze (PTC) koja uključuje dvije ili više tekućina koje se ne miješaju ili sastav tekućine i krutine ima koristi od sonikacije, sonokemijske energije i poboljšanog prijenosa mase.
Na primjer, usporedna analiza tihe i ultrazvučno potpomognute katalitičke vlažne peroksidne oksidacije fenola u vodi otkrila je da je sonikacija smanjila energetsku barijeru reakcije, ali nije imala utjecaja na reakcijski put. Energija aktivacije za oksidaciju fenola preko RuI3 katalizatora tijekom sonikacije utvrđeno je da je 13 kJ mol-1, što je bilo četiri puta manje u odnosu na proces tihe oksidacije (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010.)
Sonokemijska kataliza uspješno se koristi za proizvodnju kemijskih proizvoda, kao i za proizvodnju mikronskih i nanostrukturiranih anorganskih materijala kao što su metali, legure, metalni spojevi, nemetalni materijali i anorganski kompoziti. Uobičajeni primjeri ultrazvučno potpomognutog PTC-a su transesterifikacija slobodnih masnih kiselina u metil ester (biodizel), hidroliza, saponifikacija biljnih ulja, sono-Fenton reakcija (postupci slični Fentonu), sonokatalitička razgradnja itd.
Pročitajte više o sono-katalizi i specifičnim primjenama!
Sonikacija poboljšava kemiju klikova kao što su reakcije cikloadicije azid-alkina!
Ostale sonokemijske primjene
Zbog svoje svestrane upotrebe, pouzdanosti i jednostavnog rada, sonokemijski sustavi kao što su UP400St ili UIP2000hdT cijenjeni su kao učinkovita oprema za kemijske reakcije. Hielscher Ultrasonics sonokemijski uređaji mogu se jednostavno koristiti za šaržnu (otvorenu čašu) i kontinuiranu inline sonikaciju pomoću sonokemijske protočne ćelije. Sonokemija uključujući sono-sintezu, sono-katalizu, degradaciju ili polimerizaciju naširoko se koristi u kemiji, nanotehnologiji, znanosti o materijalima, farmaciji, mikrobiologiji kao iu drugim industrijama.
industrijski ultrazvučni uređaj UIP2000hdT (2kW) sa sonokemijskim inline reaktorom.
Visokoučinkovita sonokemijska oprema
Hielscher Ultrasonics je vaš najbolji dobavljač inovativnih, najsuvremenijih ultrazvučnih uređaja, sonokemijskih protočnih ćelija, reaktora i pribora za učinkovite i pouzdane sonokemijske reakcije. Svi Hielscher ultrasonicators su ekskluzivno dizajnirani, proizvedeni i testirani u sjedištu Hielscher Ultrasonics u Teltowu (blizu Berlina), Njemačka. Osim najviših tehničkih standarda i izvanredne robusnosti i rada 24/7/365 za vrlo učinkovit rad, Hielscher ultrasonicators su jednostavni i pouzdani za rukovanje. Visoka učinkovitost, pametni softver, intuitivni izbornik, automatsko protokoliranje podataka i daljinsko upravljanje preglednikom samo su neke značajke koje Hielscher Ultrasonics razlikuju od drugih proizvođača sonokemijske opreme.
Precizno podesive amplitude
Amplituda je pomak na prednjem dijelu (vrhu) sonotrode (također poznat kao ultrazvučna sonda ili sirena) i glavni je utjecajni faktor ultrazvučne kavitacije. Veće amplitude znače intenzivniju kavitaciju. Potreban intenzitet kavitacije uvelike ovisi o vrsti reakcije, korištenim kemijskim reagensima i ciljanim rezultatima specifične sonokemijske reakcije. To znači da amplituda treba biti precizno podesiva kako bi se intenzitet akustične kavitacije podesio na idealnu razinu. Svi Hielscher ultrazvučni uređaji mogu se pouzdano i precizno podesiti putem inteligentne digitalne kontrole na idealnu amplitudu. Pojačivači se mogu dodatno koristiti za mehaničko smanjenje ili povećanje amplitude. Ultrazvuk’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Precizna kontrola temperature tijekom sonokemijskih reakcija
U vrućoj točki kavitacije mogu se primijetiti ekstremno visoke temperature od nekoliko tisuća stupnjeva Celzijusa. Međutim, ove ekstremne temperature ograničene su lokalno na sitnu unutrašnjost i okolinu implozivnog kavitacijskog mjehurića. U rasutoj otopini, porast temperature od implozije jednog ili nekoliko kavitacijskih mjehurića je zanemariv. Ali kontinuirana, intenzivna sonikacija tijekom dužih razdoblja može uzrokovati postupno povećanje temperature rasute tekućine. Ovo povećanje temperature pridonosi mnogim kemijskim reakcijama i često se smatra korisnim. Međutim, različite kemijske reakcije imaju različite optimalne reakcijske temperature. Kada se obrađuju materijali osjetljivi na toplinu, može biti potrebna kontrola temperature. Kako bi se omogućili idealni toplinski uvjeti tijekom sonokemijskih procesa, Hielscher Ultrasonics nudi različita sofisticirana rješenja za preciznu kontrolu temperature tijekom sonokemijskih procesa, kao što su sonokemijski reaktori i protočne ćelije opremljene rashladnim jaknama.
Naše sonokemijske protočne ćelije i reaktori dostupni su s rashladnim omotačima koji podržavaju učinkovito odvođenje topline. Za kontinuirano praćenje temperature, Hielscher ultrasonicators opremljeni su senzorom temperature koji se može priključiti, koji se može umetnuti u tekućinu za stalno mjerenje ukupne temperature. Sofisticirani softver omogućuje postavljanje raspona temperature. Kada se prekorači temperaturno ograničenje, ultrazvučni uređaj automatski pauzira dok se temperatura u tekućini ne spusti na određenu zadanu točku i ponovno automatski počne sonikirati. Sva temperaturna mjerenja kao i drugi važni ultrazvučni procesni podaci automatski se bilježe na ugrađenu SD karticu i mogu se jednostavno revidirati za kontrolu procesa.
Temperatura je ključni parametar sonokemijskih procesa. Hielscherova razrađena tehnologija pomaže vam da održite temperaturu svoje sonokemijske primjene u idealnom temperaturnom rasponu.
- visoka efikasnost
- Najnovija tehnologija
- jednostavan i siguran za rukovanje
- pouzdanost & robusnost
- serija & u redu
- za bilo koji volumen
- inteligentni softver
- pametne značajke (npr. protokoliranje podataka)
- CIP (čišćenje na mjestu)
Sonokemijski reaktor: Intenzivna sonikacija i rezultirajuća kavitacija pokreće i pojačava kemijske reakcije i može promijeniti čak i puteve.
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.
Primjeri ultrazvučno poboljšane kemijske reakcije u odnosu na konvencionalne reakcije
Donja tablica daje pregled nekoliko uobičajenih kemijskih reakcija. Za svaki tip reakcije uspoređuju se konvencionalno pokrenuta reakcija i ultrazvučno pojačana reakcija u pogledu prinosa i brzine pretvorbe.
| 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% |
(usp. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Osnove intenzifikacije procesa, prvo izdanje. Objavio Wiley 2019.)
Literatura / Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.