Sonokémiai reakciók és szintézis
A sonokémia az ultrahang alkalmazása kémiai reakciókra és folyamatokra. A folyadékokban szonokémiai hatásokat okozó mechanizmus az akusztikus kavitáció jelensége.
A Hielscher ultrahangos laboratóriumi és ipari eszközöket a szonokémiai folyamatok széles körében használják. Az ultrahangos kavitáció fokozza és felgyorsítja a kémiai reakciókat, például a szintézist és a katalízist.
Sonokémiai reakciók
A kémiai reakciókban és folyamatokban a következő szonokémiai hatások figyelhetők meg:
- a reakciósebesség növekedése
- a reakcióteljesítmény növekedése
- hatékonyabb energiafelhasználás
- Sonokémiai módszerek a reakcióút váltására
- fázisátviteli katalizátorok teljesítményének javítása
- a fázisátviteli katalizátorok elkerülése
- nyers vagy technikai reagensek használata
- fémek és szilárd anyagok aktiválása
- a reagensek vagy katalizátorok reakcióképességének növekedése (Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni ultrahanggal segített katalízisről)
- a részecskeszintézis javítása
- nanorészecskék bevonása
7 ultrahangos homogenizátora modell UIP1000hdT (7x 1kW ultrahangos teljesítmény) klaszterként telepítve szonokémiai reakciók ipari méretekben.
Az ultrahanggal fokozott kémiai reakciók előnyei
Az ultrahanggal támogatott kémiai reakciók a kémiai szintézis és feldolgozás területén a folyamat intenzívebbé tételének bevált technikája. Az ultrahanghullámok erejének kihasználásával ezek a reakciók számos előnnyel rendelkeznek a hagyományos módszerekkel szemben, javítva a kémiai katalízist és szintézist. A turbógyors konverziós arányok, a kiváló hozamok, a fokozott szelektivitás, a jobb energiahatékonyság és a csökkentett környezeti hatás a szonokémiai reakciók fő előnyei.
Az asztali csapás az ultrahanggal támogatott reakció néhány kiemelkedő előnyét mutatja a hagyományos kémiai reakciókkal szemben:
| reakció | Reakcióidő Konvencionális |
Reakcióidő ultrahangos |
hozam Hagyományos (%) |
hozam Ultrahang (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder ciklizáció | 35 óra | 3,5 óra | 77.9 | 97.3 |
| Az indán oxidációja indán-1-onná | 3 óra | 3 óra | kevesebb, mint 27% | 73% |
| A metoxiaminoszilán csökkentése | nincs reakció | 3 óra | 0% | 100% |
| Hosszú szénláncú telítetlen zsírészterek epoxidációja | 2 óra | 15 perc | 48% | 92% |
| Az arilalkánok oxidációja | 4 óra | 4 óra | 12% | 80% |
| Michael nitroalkánok hozzáadása monoszubsztituált α,β-telítetlen észterekhez | 2 nap | 2 óra | 85% | 90% |
| 2-oktanol permanganát oxidációja | 5 óra | 5 óra | 3% | 93% |
| Kalkonok szintézise CLaisen-Schmidt kondenzációval | 60 perc | 10 perc | 5% | 76% |
| 2-jodonitrobenzol UIllmann-csatolása | 2 óra | 2 óra | kevesebb barnulás 1,5% | 70.4% |
| Reformatsky reakció | 12óra | 30 perc | 50% | 98% |
Ultrahangos kavitáció folyadékokban
Kavitáció, azaz a buborékok kialakulása, növekedése és implozív összeomlása folyadékban. A kavitációs összeomlás intenzív helyi fűtést (~5000 K), magas nyomást (~1000 atm) és hatalmas fűtési és hűtési sebességet (>109 K/sec) és folyékony sugáráramok (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitáció a UIP1000hd:
A kavitációs buborékok vákuumbuborékok. A vákuumot az egyik oldalon gyorsan mozgó felület, a másik oldalon pedig inert folyadék hozza létre. Az így létrejövő nyomáskülönbségek a folyadékon belüli kohéziós és tapadási erők leküzdésére szolgálnak.
A kavitáció különböző módon állítható elő, például Venturi fúvókákkal, nagynyomású fúvókákkal, nagy sebességű forgással vagy ultrahangos átalakítókkal. Mindezekben a rendszerekben a bevitt energia súrlódássá, turbulenciákká, hullámokká és kavitációvá alakul át. A kavitációvá alakított bemeneti energia frakciója számos tényezőtől függ, amelyek leírják a kavitációt generáló berendezés mozgását a folyadékban.
A gyorsulás intenzitása az egyik legfontosabb tényező, amely befolyásolja az energia hatékony átalakítását kavitációvá. A nagyobb gyorsulás nagyobb nyomáskülönbségeket eredményez. Ez viszont növeli a vákuumbuborékok kialakulásának valószínűségét a folyadékon keresztül terjedő hullámok létrehozása helyett. Így minél nagyobb a gyorsulás, annál nagyobb az energia kavitációvá alakuló frakciója. Ultrahangos jelátalakító esetén a gyorsulás intenzitását az oszcilláció amplitúdója írja le.
A nagyobb amplitúdók a kavitáció hatékonyabb létrehozását eredményezik. A Hielscher Ultrasonics ipari eszközei akár 115 μm amplitúdókat is létrehozhatnak. Ezek a nagy amplitúdók nagy teljesítményátviteli arányt tesznek lehetővé, ami viszont lehetővé teszi nagy, akár 100 W/cm³-es teljesítménysűrűség létrehozását.
Az intenzitás mellett a folyadékot fel kell gyorsítani oly módon, hogy minimális veszteségeket hozzon létre a turbulenciák, a súrlódás és a hullámképződés szempontjából. Ehhez az optimális mód az egyoldalú mozgásirány.
Ultrahangos reaktor 16,000 watt szonokémiailag továbbfejlesztett inline transzészterifikációhoz.
- Aktivált fémek előállítása fémsók redukciójával
- aktivált fémek generálása szonikálással
- részecskék szonokémiai szintézise fémek (Fe, Cr, Mn, Co) oxidok kicsapatásával, pl. katalizátorként való felhasználásra
- Fémek vagy fémhalogenidek impregnálása a tartókon
- Aktivált fémoldatok készítése
- fémeket érintő reakciók in situ előállított szerves elemfajokon keresztül
- nemfémes szilárd anyagokat érintő reakciók
- fémek, ötvözetek, zeolitok és más szilárd anyagok kristályosodása és kicsapódása
- felületi morfológia és szemcseméret módosítása nagy sebességű részecskeütközésekkel
- amorf nanoszerkezetű anyagok, többek között nagy felületű átmeneti fémek, ötvözetek, karbidok, oxidok és kolloidok képződése
- kristályok agglomerációja
- a passziváló oxid bevonat simítása és eltávolítása
- kis részecskék mikromanipulációja (frakcionálása)
- szilárd anyagok diszperziója
- kolloidok előállítása (Ag, Au, Q méretű CdS)
- vendégmolekulák interkalációja gazdaszervezet szervetlen réteges szilárd anyagokká
- A polimerek szonokémiája
- polimerek lebomlása és módosítása
- polimerek szintézise
- A vízben lévő szerves szennyező anyagok szonolízise
Sonokémiai berendezések
Az említett szonokémiai folyamatok többsége utólag felszerelhető az inline működéshez. Örömmel segítünk Önnek kiválasztani a szonokémiai berendezéseket az Ön feldolgozási igényeihez. A kutatásokhoz és a folyamatok teszteléséhez ajánljuk laboratóriumi eszközeinket, vagy a UIP1000hdT készlet.
Szükség esetén FM és ATEX tanúsítvánnyal rendelkező ultrahangos készülékek és reaktorok (pl. UIP1000-Exd) gyúlékony vegyi anyagok és termékkészítmények veszélyes környezetben történő ultrahangos kezelésére állnak rendelkezésre.
Az ultrahangos kavitáció megváltoztatja a gyűrűnyitó reakciókat
Az ultrahangos kezelés alternatív mechanizmus a hő, a nyomás, a fény vagy a villamos energia kémiai reakciók kezdeményezésére. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth és csapatuk a Kémiai Kar az Illinois-i Egyetemen, Urbana-Champaign ultrahangos teljesítményt használt a gyűrűnyitó reakciók kiváltására és manipulálására. Szonikálás alatt a kémiai reakciók olyan termékeket generáltak, amelyek eltérnek az orbitális szimmetria szabályai által előre jelzettektől (Nature 2007, 446, 423). A csoport mechanikusan érzékeny 1,2-diszubsztituált benzociklobutén izomereket kapcsolt két polietilénglikol lánchoz, ultrahangos energiát alkalmazott, és C segítségével elemezte az ömlesztett oldatokat13 magmágneses rezonancia spektroszkópia. A spektrumok azt mutatták, hogy mind a cisz-, mind a transz-izomerek ugyanazt a gyűrűvel nyitott terméket adják, mint amit a transz-izomertől várnak. Míg a hőenergia véletlenszerű Brownian mozgást okoz a reagensek, az ultrahangos mechanikai energia irányt ad az atomi mozgásoknak. Ezért a kavitációs hatások hatékonyan irányítják az energiát a molekula megfeszítésével, átalakítva a potenciális energiafelületet.
Szonda típusú ultrahangos készülékek, mint a UP400ST fokozza a nanorészecskék szintézisét. A szonokémiai út egyszerű, hatékony, gyors és enyhe körülmények között nem mérgező vegyi anyagokkal működik.
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek sonokémia
A Hielscher Ultrasonics ultrahangos processzorokat szállít laboratóriumi és ipari célokra. Minden Hielscher ultrasonicators nagyon erős és robusztus ultrahangos gépek, és épült folyamatos 24/7 működés teljes terhelés alatt. Digitális vezérlés, programozható beállítások, hőmérséklet-ellenőrzés, automatikus adatprotokollálás és távoli böngészővezérlés csak néhány jellemzője a Hielscher ultrasonicators. Nagy teljesítményre és kényelmes működésre tervezték, a felhasználók értékelik a Hielscher Ultrasonics berendezések biztonságos és egyszerű kezelését. A Hielscher ipari ultrahangos processzorok akár 200μm amplitúdókat is biztosítanak, és ideálisak nagy teherbírású alkalmazásokhoz. Még nagyobb amplitúdók esetén testreszabott ultrahangos sonotrodes áll rendelkezésre.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszperzióhoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti és ipari méretekben.
Irodalom / Hivatkozások
- 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 gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz ipari méret.