Poliolok szintézise ultrahangos átészterezéssel

A poliolok szintetikus észterek, amelyeket főként növényi olajokból vagy állati zsírokból származó trigliceridek átészterezésével állítanak elő. Ezek a poliolok a poliuretánok, biokenőanyagok és más vegyi anyagok előállításának alapanyagai. Az ultrahangos kezelést az átészterezési reakciók fokozására alkalmazzák intenzív nyíróerők és hőenergia révén. Az ultrahang és szonokémiai hatásai reakcióenergiát biztosítanak, és segítenek leküzdeni az anyagátadási korlátokat. Ezáltal az ultrahangos kezelés jelentősen javítja az átészterezés sebességét, hozamát és összhatékonyságát.

Ultrahanggal segített átészterezés

Az átészterezési reakciók a legfontosabb szintézisutak közé tartoznak, és széles körben alkalmazzák őket a növényi olajok kőolajtermékeket helyettesítő anyagokká alakításának hatékony módszereként. A szonoszintézis (más néven szonokémiai szintézis, amely nagy teljesítményű ultrahanggal elősegített kémiai szintézis) jól ismert az átészterezésre és más kémiai folyamatokra gyakorolt kedvező hatásairól.

Poliolok fenntartható szintézise növényi olajokból ultrahanggal

A növényi eredetű zsírsavak, azaz a növényi olajok széles körben rendelkezésre álló, megújuló alapanyagok, és felhasználhatók bioalapú poliolok és poliuretánok előállítására. A nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása kedvező szonokémiai hatásokat hoz létre, amelyek jelentősen felgyorsítják az átészterezés katalitikus reakcióját. Emellett az ultrahangos kezelés növeli a szintetizált poliolok hozamát, mivel az akusztikus kavitáció intenzív keverési energiája leküzdi az anyagátadási korlátot. Jól ismert, hogy az ultrahangos átészterezési reakciók a hagyományos átészterezési reakcióknál kisebb alkohol- és katalizátormennyiséggel is hatékonyan végbemennek. Ez az ultrahangos kezelés révén jobb összhatékonyságot eredményez.

Pentaeritritol-észter-alapú biokenőanyag ultrahangos szintézise

A pentaeritritol-észter repceolajból hatékonyan szintetizálható kétlépéses szonokémiai eljárással, amint azt Arumugam kutatócsoportja bemutatta. Optimalizálási vizsgálatukban a kutatók a Hielscher UP400St ultrahangos készülékét használták (lásd a bal oldali képet). Az első, szonokémiai úton elősegített átészterezésben a repceolajat metanollal reagáltatják metil-észterré. A második átészterezési lépésben a metil-észter xilollal és egy katalizátorral reagálva pentaeritritol-észterré alakul. A kutató az ultrahangos folyamatparaméterek optimalizálására összpontosított, hogy növelje az ultrahang alkalmazásával végzett pentaeritritol-észter-szintézis hozamát és összhatékonyságát. A pentaeritritol-észter javított, 81,4%-os hozamát 15 s időtartamú ultrahangimpulzussal, 60%-os ultrahang-amplitúdóval, 1,5 wt% katalizátorkoncentrációval és 100°C reakcióhőmérséklettel érték el. Minőségellenőrzés céljából a szonokémiai úton szintetizált pentaeritritol-észtert szintetikus kompresszorolajjal hasonlították össze. Következtetésként a tanulmány azt sugallja, hogy az ultrahanggal elősegített, egymást követő átészterezési folyamat hatékony módszer a hagyományos, egymást követő átészterezési folyamat helyettesítésére a pentaeritritol-észter-alapú biokenőanyag szintézisében. Az ultrahangos átészterezési folyamat fő előnyei a pentaeritritol-észter nagyobb hozama, a rövidebb reakcióidő és a jelentősen alacsonyabb reakcióhőmérséklet. (vö. Arumugam et al., 2019)

A repceolaj ultrahanggal intenzifikált, kétlépéses átészterezése pentaeritritol-észterré.
(Arumugam et al., 2019 alapján átdolgozva)

Pentanálból származó acetálészterek ultrahangos szintézissel

Kurniawan kutatócsoportja három pentanálból származó acetálésztert szintetizált szonokémiai módszerrel, a zöld kémia alapelveit alkalmazva. Az ultrahangos kezelést két kémiai lépés elősegítésére használták:

1. A 9,10-dihidroxi-oktadekánsav észterezése
2. Az alkil-9,10-dihidroxi-oktadekanoát acetalizálása

Az alkil-9,10-dihidroxi-sztearát észtereinek előállításához két lépés szükséges, és 67–85%-os hozamokat értek el. A hatékonyság értékeléséhez a szonokémiai módszert a hagyományos refluxtechnikával hasonlították össze. Emellett homogén és szilárd savkatalizátorokat, nevezetesen kénsavat (H2SO4), természetes bentonitot és H-bentonitot használtak a különböző katalizátorok hatásának és hatékonyságának meghatározására. Megállapították, hogy a sav H-bentonittal katalizált szonokémiai észterezése akár 70%-os hozammal eredményezett termékeket, a refluxmódszernél 3-szor rövidebb reakcióidő alatt, ami figyelemre méltó. Az utolsó, n-pentanállal végzett acetalizálási lépés H-bentonit jelenlétében, ultrahangos kezelés alkalmazásával három pentanálból származó dioxolánszármazékot eredményezett 69–85%-os hozammal, amely meghaladja a hagyományos módszerrel elért hozamot. A refluxmódszer hosszabb reakcióidőt igényelt, mint a szonokémiai módszer, mivel az ultrahangos szintézishez mindössze 10–30min kellett. Az ultrahangos kezelés mellett jelentősen rövidebb reakcióidőn túl a szonokémiai módszerrel minden észter esetében figyelemre méltó hozamot értek el.
A kutató azt is kiszámította, hogy a szonokémiai reakció energiaigénye körülbelül 62-szer alacsonyabb a hagyományos módszerénél. Ez csökkenti a költségeket és környezetbarát.
Az egyes termékek fizikai-kémiai tulajdonságainak vizsgálata kimutatta, hogy a metil-8-(2-butil-5-oktil-1,3-dioxolán-4-il)oktanoát potenciális új biokenőanyag, amely rendelkezik a szokásos kenőanyagok helyettesítéséhez szükséges funkcionális tulajdonságokkal. (vö. Kurniawan et al., 2021)

Pentaeritritil-észterek átészterezése ultrahanggal

Pentaeritritil-észterek nyerhetők olyan növényi olajokból, mint a napraforgóolaj, a lenolaj és a jatrophaolaj. Hashem kutatócsoportja bemutatta a bioalapú kenőanyagok szintézisét egymást követő, báziskatalizált átészterezésekkel, két átészterezési lépésben. Napraforgóolaj, lenolaj és jatrophaolaj felhasználásával igazolták a szintézis megvalósíthatóságát. Az első lépésben az olajokat a megfelelő metil-észterekké alakították. A második folyamatban a metil-észtereket pentaeritritol hatására pentaeritritil-észterekké alakították, amint az a következő sémán látható: (vö. Hashem et al., 2013)

A növényi olaj metil-észterré történő átészterezése után a metil-észtereket pentaeritritol hatására pentaeritritil-észterekké alakítják, amint az a fenti sémán látható.
(vö. Hashem et al., 2013)

Az ultrahangos kezelés átészterezési reakciót jelentősen fokozó hatásai tudományosan bizonyítottak, és ipari alkalmazásuk már évtizedekre nyúlik vissza. Az ultrahanggal javított átészterezés legkiemelkedőbb példája az olajok és zsírok zsírsav-metil-észterré (FAME), azaz biodízellé történő átalakítása.
Olvasson többet a (hulladék)olajok és zsírok ultrahanggal segített átészterezéséről biodízellé!

Ultrahangos szondák és reaktorok átészterezéshez és más kémiai szintézisekhez

A Hielscher Ultrasonics az Ön szakértője, ha szonokémiai reakciókhoz készült, kifinomult, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekről van szó. A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos készülékeket és tartozékokat, például szondákat (szonotródákat), reaktorokat és átfolyó cellákat tervez, gyárt és forgalmaz minden méretben, és vegyipari laboratóriumokat, valamint ipari léptékű vegyipari termelőüzemeket is ellát. A kompakt laboratóriumi ultrahangos készülékektől az ipari ultrahangos szondákig és reaktorokig a Hielscher ideális ultrahangos rendszert kínál az Ön folyamatához. Jól képzett munkatársaink a szonokatalízishez és szonoszintézishez hasonló alkalmazásokban szerzett sokéves tapasztalatuk alapján az Ön igényeinek leginkább megfelelő összeállítást ajánlják.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű, rendkívül robusztus ultrahangos rendszereket gyárt, amelyek intenzív ultrahanghullámok kibocsátására képesek, mivel minden Hielscher ipari ultrahangos készülék nagyon nagy amplitúdót tud biztosítani folyamatos üzemben (24/7). A robusztus ultrahangos rendszerek szinte semmilyen karbantartást nem igényelnek, és tartós üzemre készülnek. Ez megbízhatóvá teszi a Hielscher ultrahangos berendezéseit nagy igénybevételű alkalmazásokban, nehéz körülmények között is. Magas hőmérséklethez vagy rendkívül agresszív kémiai környezethez készült speciális szonotródák is rendelkezésre állnak.
A legmagasabb minőség – Németországban tervezve és gyártva: Minden berendezést németországi központunkban tervezünk és gyártunk. A vevőnek történő kiszállítás előtt minden ultrahangos készüléket gondosan tesztelünk teljes terhelés mellett. Vevőink elégedettségére törekszünk, és gyártásunkat úgy szervezzük meg, hogy megfeleljen a legmagasabb szintű minőségbiztosítás követelményeinek (pl. ISO-tanúsítás).

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: