Sonochemical reakció és szintézis

A sonokémia az ultrahang alkalmazása a kémiai reakciókhoz és folyamatokhoz. A folyadékban fellépő szonokémiai hatásokat okozó mechanizmus az akusztikus kavitáció jelensége.

A hielscher ultrahangos laboratóriumi és ipari berendezéseket sokféle sonokémiai eljárással használják. Ultrahangos kavitáció felerősíti és felgyorsítja a kémiai reakciók, mint a szintézis és a katalízis.

Sonokémiai reakciók

A kémiai reakciókban és folyamatokban a következő szonokémiai hatások figyelhetők meg:

• a reakciósebesség növekedése
• a reakció kimenetének növekedése
• hatékonyabb energiafelhasználás
• sonokémiai módszerek a reakcióút átkapcsolására
• a fázisátviteli katalizátorok teljesítményének javítása
• a fázisátviteli katalizátorok elkerülése
• nyers vagy műszaki reagensek használata
• fémek és szilárd anyagok aktiválása
• a reagensek vagy katalizátorok reakcióképességének növelése (kattintson ide, hogy többet tudjon az ultrahanggal segített katalízisről)
• a részecske szintézisének javítása
• nanorészecskék bevonata

Ultrahangos kavitáció folyadékokban

A kavitáció, vagyis a buborékok folyadékban történő kialakulása, növekedése és implikatív összeomlása. A kavitációs összeomlás intenzív helyi fűtést (~ 5000 K), magas nyomást (~ 1000 atm) és óriási fűtési és hűtési arányokat eredményez (>109 K / s) és folyadékáram-folyamok (~ 400 km / h). (Suslick 1998 a)

A kavitációs buborékok vákuum buborékok. A vákuumot egy gyorsan mozgó felület hozza létre, egyik oldalán pedig egy inert folyadékot. Az így kapott nyomáskülönbségek szolgálják a kohéziós és tapadási erőket a folyadékban.

A kavitáció különböző módon történhet, például a Venturi fúvókák, nagynyomású fúvókák, nagy sebességű forgatás vagy ultrahangos átalakítók. Mindezekben a rendszerekben a bemeneti energiát súrlódásgá, turbulenciákká, hullámokká és kavitációvá alakítják át. A kavitációval átalakított bemeneti energia frakciója számos tényezőtől függ, amelyek leírják a kavitáció generáló berendezés mozgását a folyadékban.

A gyorsulás intenzitása az egyik legfontosabb tényező, amely befolyásolja az energia hatékony átalakulását a kavitációba. A nagyobb gyorsulás nagyobb nyomáskülönbséget eredményez. Ez viszont növeli a vákuumos buborékok létrehozásának valószínűségét a folyadékon át terjedő hullámok létrehozása helyett. Így minél magasabb a gyorsulás, annál nagyobb a kavitációval átalakított energia hányadosa. Ultrahangos jelátalakító esetén a gyorsulás intenzitását az oszcilláció amplitúdója írja le.

A nagyobb amplitúdók a kavitáció hatékonyabb létrehozását eredményezik. A Hielscher Ultrasonics ipari készülékei akár 115 μm-es amplitúdókat is létrehozhatnak. Ezek a nagy amplitúdók lehetővé teszik a nagy teljesítmény átviteli arányt, ami viszont lehetővé teszi a nagy teljesítmény sűrűség akár 100 W / cm³.

Az intenzitás mellett a folyadékot fel kell gyorsítani oly módon, hogy minimális veszteségeket okoz a turbulenciák, a súrlódás és a hullám generálás szempontjából. Ehhez az optimális út egyoldalú mozgásirány.

Az ultrahangot a következő folyamatokra gyakorolt ​​hatása miatt használják:

• aktivált fémek előállítása a fémsók redukálásával
• az aktivált fémek előállítása ultrahangos kezeléssel
• a részecskék szonokémiai szintézise fém (Fe, Cr, Mn, Co) oxidok alkalmazásával, pl. katalizátorok
• fémek vagy fémhalogenidek impregnálása a hordozókon
• aktivált fémoldatok előkészítése
• a fémeket érintő reakciók in situ előállított organoelement fajokon keresztül
• nem fémes szilárd anyagokat tartalmazó reakciók
• fémek, ötvözetek, zeolitok és egyéb szilárd anyagok kristályosodása és kicsapása
• a felszíni morfológia és a részecskeméret módosítása nagysebességű szemcsék közötti ütközéssel
  • amorf nanostrukturált anyagok, köztük nagy felületű átmeneti fémek, ötvözetek, karbidok, oxidok és kolloidok képződnek
  • kristályok agglomerációja
  • a passziváló oxid bevonat simítása és eltávolítása
  • kis részecskék mikromanipulációja (frakcionálása)
• szilárd anyagok diszperziója
• kolloidok előállítása (Ag, Au, Q méretű CdS)
• a vendégmolekulák befogadása szervetlen réteges szilárd anyagokba
• polimerek fonokémia
  • a polimerek lebomlása és módosítása
  • polimerek szintézise
• a szerves szennyező anyagok szonolízise a vízben

Sonokémiai berendezések

A fent említett sonokémiai folyamatok többségét utólagosan lehet beépíteni. Örömmel segítünk Önnek abban, hogy a feldolgozáshoz szükséges szonokémiai berendezéseket válasszon. A kutatáshoz és a folyamatok teszteléséhez laboratóriumi eszközeinket vagy a UIP1000hdT készlet.

Szükség esetén FM és ATEX tanúsított ultrahangos készülékek és reaktorok (pl UIP1000-exd) rendelkezésre állnak gyúlékony vegyi anyagok és készítmények veszélyes környezetben való szonikálásához.

Az ultrahangos kavitáció megváltoztatja a gyűrűt nyitó reakciókat

Az ultrahangos rendszer egy alternatív mechanizmus a hő-, nyomás-, fény- vagy elektromosság számára a kémiai reakciók megindításához. S. kikötött, Charles R. Hickenboth és csapatuk a Az Illinois Illinois Egyetem kémiai karán a Urbana-Champaign-on használt ultrahangos áramot a gyűrűnyitási reakciók kiváltására és manipulálására. Sonicáció alatt a kémiai reakciók különböző termékeket generáltak, mint az orbitális szimmetria szabályai (Nature 2007, 446, 423). A csoport mechanikusan érzékeny 1,2-diszubsztituált benzociklobutén izomereket kapcsolt két polietilénglikol-láncba, alkalmazta az ultrahangos energiát, és elemezte az ömlesztett oldatokat C¹³ nukleáris mágneses rezonancia spektroszkópia. A spektrumok azt mutatták, hogy mind a cisz-, mind a transz-izomerek ugyanazt a gyűrűnyitott terméket biztosítják, amely a transz-izomerből várható. Míg a hőenergia véletlen Brownian mozgást okoz a reaktánsok számára, az ultrahangos mechanikai energia irányítja az atommozgásokat. Ezért a kavitációs hatások hatékonyan irányítják az energiát a molekula megfeszítésével, átalakítva a potenciális energiafelületet.

Irodalom

Suslick, KS (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4. ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.

Suslick, KS; Didenko, Y .; Fang, MM; Hyeon, T .; Kolbeck, KJ; McNamara, WB III; Mdleleni, MM; Wong, M. (1999): Akusztikai kavitáció és annak kémiai következményei, Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.