Sonokemijski i sonokemijski reaktori

Ultrazvučna kemija je područje kemije gdje se ultrazvuk visokog intenziteta koristi za induciranje, ubrzavanje i izmjenu kemijskih reakcija (sinteza, kataliza, razgradnja, polimerizacija, hidroliza itd.). Ultrazvučno generirana kavitacija karakteriziraju jedinstveni energetski gusti uvjeti koji potiču i pojačavaju kemijske reakcije. Brže stope reakcije, veći prinosi i uporaba zelenih, blažih reagensa pretvaraju ultrazvučnu kemiju u vrlo potoljan alat kako bi se dobile poboljšane kemijske reakcije.

ultrazvučna kemija

Ultrazvučna kemija je područje istraživanja i obrade u kojem molekule prolaze kemijsku reakciju zbog primjene ultrazvuka visokog intenziteta (npr. 20 kHz). Fenomen odgovoran za sonokemijske reakcije je akustična kavitacija. Akustična ili ultrazvučna kavitacija nastaje kada su snažni ultrazvučni valovi spojeni u tekućinu ili kašu. Zbog izmjeničnih ciklusa visokog tlaka / niskog tlaka uzrokovanih ultrazvučnim valovima snage u tekućini, stvaraju se vakuumski mjehurići (kavitacijske šupljine), koji rastu tijekom nekoliko ciklusa tlaka. Kada kavitacijski vakuumski mjehurić dosegne određenu veličinu gdje ne može apsorbirati više energije, vakuumski mjehurić nasilno implodira i stvara visoko energetski gustu vruću točku. Ovo lokalno žarište karakteriziraju vrlo visoke temperature, pritisci i mikro-strujanje iznimno brzih tekućih mlaznica.

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 ravnotežnog radijusa, dok tijekom prolazne kavitacije, u kojoj kratkotrajni mjehurić prolazi kroz dramatične promjene volumena u nekoliko akustičnih ciklusa i završava nasilnim kolapsom (Suslick 1988). Stabilna i prolazna kavitacija može se pojaviti istodobno u otopini, a mjehurić koji prolazi kroz stabilnu kavitaciju može postati prolazna šupljina. Implozija mjehurića, koja je karakteristična za prolaznu kavitaciju i ultrazvukom visokog intenziteta, stvara različite fizičke uvjete, uključujući vrlo visoke temperature od 5000-25.000 K, tlakove do nekoliko 1000 bara i tekuće struje s brzinama do 1000 m / s. Budući da se kolaps/implozija kavitacijskih mjehurića javlja u manje od nanosekunde, vrlo visoke stope grijanja i hlađenja veće od 10¹¹ K/s se može promatrati. Takve visoke stope grijanja i diferencijali tlaka mogu pokrenuti i ubrzati reakcije. Što se tiče tekućih tokova, ovi brzi mikrojetovi pokazuju posebno visoke prednosti kada je riječ o heterogenim kruto-tekućim kašama. Tekući mlazovi ometaju površinu s punom temperaturom i tlakom urušavanja mjehurića i uzrokuju eroziju međučestijskim sudarom, kao i lokaliziranim taljenjem. Stoga se uočava značajno poboljšan prijenos mase u otopini.

Ultrazvučna kavitacija najučinkovitije se generira 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 izbjegavaju potpunije pretvorbe i / ili proizvodnja neželjenih by-proizvoda.
Energetski gust prostor stvoren kolapsom kavitacijskih mjehurića naziva se vruća točka. Niskofrekventni ultrazvuk velike snage u rasponu od 20kHz i sposobnost stvaranja visokih amplituda dobro je uspostavljena za stvaranje intenzivnih žarišta i povoljnih sonokemijskih uvjeta.

Ultrazvučna laboratorijska oprema, kao i industrijski ultrazvučni reaktori za komercijalne sonokemijske procese lako su dostupni i dokazani kao pouzdani, učinkoviti i ekološki prihvatljivi na laboratorijskim, pilot i potpuno industrijskim razmjerima. Sonokemijske reakcije mogu se provoditi kao serija (tj. otvorena posuda) ili linijski proces pomoću reaktora zatvorenih stanica protoka.

sono-Sinteza

Sono-sinteza ili sonokemijska sinteza je primjena ultrazvučno generirane kavitacije kako bi se pokrenule i promicale kemijske reakcije. High-power ultrazvuka (npr, na 20 kHz) pokazuje snažne učinke na molekule i kemijske veze. Na primjer, sonokemijski učinci koji proizlaze iz intenzivne ultrazvukom može rezultirati cijepanjem molekula, stvaranjem slobodnih radikala i / ili prebacivanjem kemijskih putova. Sonokemijska sinteza se stoga intenzivno koristi za izradu ili modifikaciju širokog raspona nano-strukturiranih materijala. Primjeri za nanomaterijale proizvedene sono-sintezom su nanočestice (NCI) (npr. zlatni NCI-ovi, srebrni PK-ovi), pigmenti, nano-čestice jezgrene ljuske, nano-hidroksiapatit, metalni organski okviri (MF-ovi), aktivni farmaceutski sastojci (API), mikrosfere ukrašene nanočestice, nano-kompoziti među mnogim drugim materijalima.
Primjeri: Ultrazvučna transesterifikacija masnih kiselina metil estera (biodizela) ili transesterifikacija poliola ultrazvukom,

TEM slika (A) i njezina raspodjela veličine čestica (B) srebrnih nanočestica (Ag-NPs), koje su sonokemijski sintetizirane u optimalnim uvjetima.

Također se široko primjenjuje ultrazvučno promovirana kristalizacija (sono-kristalizacija), gdje se power-ultrazvuk koristi za proizvodnju prezasićenih rješenja, za pokretanje kristalizacije / oborina i kontrolu veličine kristala i morfologije putem ultrazvučnih parametara procesa. Kliknite ovdje da biste saznali više o sono-kristalizaciji!

Sono-kataliza

Ultrazvukom kemijske suspenzije ili otopine može značajno poboljšati katalitičke reakcije. Sonokemijska energija skraćuje vrijeme reakcije, poboljšava prijenos topline i mase, što kasnije rezultira povećanim konstantama, prinosima i selektivnostima kemijske stope.
Postoje brojni katalitički procesi, koji drastično imaju koristi od primjene ultrazvuka snage i njegovih sonokemijskih učinaka. Svaka reakcija heterogene faze prijenosa (PTC) koja uključuje dvije ili više nepokretnih tekućina ili tekući čvrsti sastav, ima koristi od ultrazvukom, sonokemijske energije i poboljšanog prijenosa mase.
Na primjer, komparativna analiza tihe i ultrazvučno potpomognute katalitičke mokre peroksidne oksidacije fenola u vodi otkrila je da je ultrazvukom smanjena energetska barijera reakcije, ali nije imala utjecaja na reakcijski put. Aktivacijska energija za oksidaciju fenola nad RuI₃ katalizatora tijekom ultrazvukom utvrđeno je da je 13 kJ mol^-1, koja je bila četiri puta manja u usporedbi s postupkom tihe oksidacije (57 kJ mol^-1). (Rokhina i sur., 2010.)
Sonokemijska kataliza uspješno se koristi za proizvodnju kemijskih proizvoda, kao i za proizvodnju mikron- i nano-strukturiranih anorganskih materijala kao što su metali, legule, 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, reakcija sono-fentona (procesi slični Fentonu), sonokatalitička razgradnja itd.
Pročitajte više o sono-katalizi i specifičnim aplikacijama!
Ultrazvukom se poboljšava kemija klikova kao što su reakcije azida i alkina cikloadditacije!

Ostale sonokemijske primjene

Zbog svoje svestrane uporabe, pouzdanosti i jednostavnog rada, sonokemijski sustavi kao što su UP400St ili UIP2000hdT kao učinkovita oprema za kemijske reakcije. Hielscher Ultrasonics sonokemijski uređaji mogu se lako koristiti za seriju (otvorena čaša) i kontinuiranu linijsku ultrazvukom pomoću sonokemijske stanice protoka. Ultrazvučna kemija, uključujući sintezu sonoa, sono-katalizu, razgradnju ili polimerizaciju, široko se koristi u kemiji, nanotehnologiji, znanosti o materijalima, farmaceutiku, mikrobiologiji, kao iu drugim industrijama.

Sonokemijska oprema visokih performansi

Hielscher Ultrasonics je vaš najbolji dobavljač inovativnih, najsuvremenijih ultrasonicators, sonokemijski protok stanica, reaktora i pribora za učinkovite i pouzdane sonokemijske reakcije. Svi Hielscher ultrasonicators su isključivo dizajnirani, proizvedeni i testirani u sjedištu Hielscher Ultrasonics u Teltowu (blizu Berlina), Njemačka. Osim najviših tehničkih standarda i izvanredne robusnosti i 24/7/365 rada za visoko učinkovit rad, Hielscher ultrasonicators su jednostavni i pouzdani za rad. Visoka učinkovitost, pametni softver, intuitivni izbornik, automatsko protokoliranje podataka i daljinski upravljač preglednika samo su neke od značajki koje razlikuju Hielscher Ultrasonics od drugih proizvođača sonokemijske opreme.

Precizno podesive amplitude

Amplituda je pomak na prednjoj strani (vrh) sonotrode (također poznat kao ultrazvučna sonda ili rog) i glavni je utjecajni čimbenik ultrazvučne kavitacije. Više 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 prilagodio idealnoj razini. Svi Hielscher ultrasonicators mogu se pouzdano i precizno prilagoditi putem inteligentne digitalne kontrole na idealnu amplitudu. Booster rogovi mogu se dodatno koristiti za smanjenje ili povećanje amplitude mehanički. Ultrazvuk’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm mogu se lako kontinuirano raditi u 24/7 operaciji. Za još veće amplitude dostupni su prilagođeni ultrazvučni sonotrodi.

Precizna kontrola temperature tijekom sonokemijskih reakcija

U kavitacijskom žarištu mogu se promatrati iznimno visoke temperature od više tisuća stupnjeva Celzija. Međutim, ove ekstremne temperature su lokalno ograničene na minutnu unutrašnjost i okolinu implodirajućih kavitacijskih mjehurića. U otopini rasutog tereta, porast temperature od implozije jedan ili nekoliko kavitacijskih mjehurića je zanemariv. Ali kontinuirana, intenzivna ultrazvukom za duže razdoblje može uzrokovati postupno povećanje temperature skupne tekućine. Ovo povećanje temperature doprinosi mnogim kemijskim reakcijama i često se smatra korisnim. Međutim, različite kemijske reakcije imaju različite optimalne temperature reakcije. 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 stanice protoka opremljene rashladnim jaknama.
Naše sonokemijske stanice protoka i reaktori dostupni su s rashladnim jaknama koje podržavaju učinkovito rasipanje topline. Za kontinuirano praćenje temperature, Hielscher ultrasonicators opremljeni su pluggable temperaturnim senzorom, koji se može umetnuti u tekućinu za stalno mjerenje temperature rasutog tereta. Sofisticirani softver omogućuje postavljanje temperaturnog raspona. Kada se prekorači granica temperature, ultrasonicator automatski pauzira dok se temperatura u tekućini ne spusti na određenu zadanu točku i ponovno počne automatski ultrazvukom. Sva mjerenja temperature kao i drugi važni ultrazvučni procesni podaci automatski se bilježe na ugrađenoj SD kartici i mogu se lako revidirati za kontrolu procesa.
Temperatura je ključni parametar sonokemijskih procesa. Hielscherova razrađena tehnologija pomaže vam da zadržite temperaturu sonokemijske primjene u idealnom temperaturnom rasponu.

Tablica u nastavku daje vam pokazatelj približne mogućnosti obrade naših ultrazvučnih uređaja: