Szonokémiai reakciók és szintézis
A szonokémia az ultrahang alkalmazása kémiai reakciókban és folyamatokban. A folyadékokban szonokémiai hatásokat kiváltó mechanizmus az akusztikus kavitáció jelensége.
A Hielscher ultrahangos laboratóriumi és ipari készülékeit szonokémiai folyamatok széles körében alkalmazzák. Az ultrahangos kavitáció intenzívebbé teszi és felgyorsítja a kémiai reakciókat, például a szintézist és a katalízist.
Szonokémiai reakciók
A kémiai reakciókban és folyamatokban a következő szonokémiai hatások figyelhetők meg:
- a reakciósebesség növekedése
- a reakcióban keletkező termék mennyiségének növekedése
- hatékonyabb energiafelhasználás
- szonokémiai módszerek a reakcióút megváltoztatására
- a fázistranszfer-katalizátorok teljesítményének javítása
- a fázistranszfer-katalizátorok használatának elkerülése
- nyers vagy technikai tisztaságú reagensek használata
- fémek és szilárd anyagok aktiválása
- a reagensek vagy katalizátorok reakcióképességének növelése (kattintson ide az ultrahanggal támogatott katalízissel kapcsolatos további információkért)
- a részecskeszintézis javítása
- nanorészecskék bevonása
7 darab UIP1000hdT típusú ultrahangos homogenizátor (7x 1kW ultrahangos teljesítmény) csoportba telepítve, ipari léptékű szonokémiai reakciókhoz.
Az ultrahanggal intenzívebbé tett kémiai reakciók előnyei
Az ultrahanggal elősegített kémiai reakciók a folyamatintenzifikálás bevált technikáját jelentik a kémiai szintézis és feldolgozás területén. Az ultrahanghullámok erejét kihasználva ezek a reakciók számos előnyt kínálnak a hagyományos módszerekkel szemben, javítva a kémiai katalízist és szintézist. A rendkívül gyors átalakulási sebesség, a kiváló hozam, a fokozott szelektivitás, a jobb energiahatékonyság és a kisebb környezeti terhelés a szonokémiai reakciók fő előnyei.
Az alábbi táblázat az ultrahanggal elősegített reakciók néhány kiemelkedő előnyét mutatja be a hagyományos kémiai reakciókkal összehasonlítva:
| Reakció | Reakcióidő Hagyományos eljárás |
Reakcióidő Ultrahangos eljárás |
Hozam Hagyományos eljárás (%) |
Hozam Ultrahangos eljárás (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder-ciklizáció | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Indán oxidációja indán-1-onná | 3 h | 3 h | kevesebb mint 27% | 73% |
| Metoxiaminoszilán redukciója | nincs reakció | 3 h | 0% | 100% |
| Hosszú szénláncú telítetlen zsírsavészterek epoxidációja | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Arilalkánok oxidációja | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Nitroalkánok Michael-addíciója egyszeresen szubsztituált α,β-telítetlen észterekhez | 2 nap | 2 h | 85% | 90% |
| 2-oktanol oxidációja permanganáttal | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Kalkonok szintézise Claisen-Schmidt-kondenzációval | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| 2-jódnitrobenzol Ullmann-kapcsolása | 2 h | 2h | kevesebb mint 1,5% | 70,4% |
| Reformatsky-reakció | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultrahangos kavitáció folyadékokban
A kavitáció a buborékok képződése, növekedése és implozív összeomlása egy folyadékban. A kavitációs összeomlás intenzív helyi felmelegedést (~5000 K), nagy nyomást (~1000 atm), rendkívül nagy felmelegedési és lehűlési sebességet (>10⁹ K/sec), valamint folyadéksugarakat (~400 km/h) hoz létre. (Suslick 1998)
Kavitáció a UIP1000hd készülékkel:
A kavitációs buborékok vákuumbuborékok. A vákuumot az egyik oldalon egy gyorsan mozgó felület, a másikon pedig egy tehetetlenséggel rendelkező folyadék hozza létre. A kialakuló nyomáskülönbségek a folyadékon belüli kohéziós és adhéziós erők leküzdését szolgálják.
A kavitáció különböző módokon hozható létre, például Venturi-fúvókákkal, nagynyomású fúvókákkal, nagy sebességű forgással vagy ultrahangos átalakítókkal. Mindezekben a rendszerekben a bevitt energia súrlódássá, turbulenciává, hullámokká és kavitációvá alakul. A bevitt energia kavitációvá alakuló hányada több olyan tényezőtől függ, amely a kavitációt létrehozó berendezés folyadékban végzett mozgását jellemzi.
A gyorsulás nagysága az egyik legfontosabb tényező, amely befolyásolja az energia hatékony átalakulását kavitációvá. A nagyobb gyorsulás nagyobb nyomáskülönbségeket hoz létre. Ez pedig növeli annak valószínűségét, hogy a folyadékban terjedő hullámok helyett vákuumbuborékok keletkeznek. Így minél nagyobb a gyorsulás, annál nagyobb az energia kavitációvá alakuló hányada. Ultrahangos átalakító esetén a gyorsulás nagyságát a rezgés amplitúdója jellemzi.
A nagyobb amplitúdók hatékonyabb kavitációképződést eredményeznek. A Hielscher Ultrasonics ipari készülékei akár 115 µm amplitúdót is képesek létrehozni. Ezek a nagy amplitúdók nagy teljesítményátviteli arányt tesznek lehetővé, ami pedig akár 100 W/cm³ teljesítménysűrűség létrehozását is lehetővé teszi.
A gyorsulás nagysága mellett a folyadékot úgy kell gyorsítani, hogy a turbulenciából, súrlódásból és hullámképződésből eredő veszteségek minimálisak legyenek. Ehhez az egyirányú mozgás az optimális megoldás.
16 000 wattos ultrahangos reaktor szonokémiailag fokozott, folyamatos átáramlásos átészterezéshez.
- aktivált fémek előállítása fémsók redukciójával
- aktivált fémek létrehozása ultrahangos kezeléssel
- részecskék szonokémiai szintézise fémek (Fe, Cr, Mn, Co) oxidjainak kicsapásával, például katalizátorként történő felhasználásra
- hordozók impregnálása fémekkel vagy fémhalogenidekkel
- aktivált fémoldatok előállítása
- fémek részvételével végbemenő reakciók in situ létrehozott szerves elemvegyületeken keresztül
- nemfémes szilárd anyagok részvételével végbemenő reakciók
- fémek, ötvözetek, zeolithes és más szilárd anyagok kristályosítása és kicsapása
- a felületi morfológia és a részecskeméret módosítása a részecskék közötti nagy sebességű ütközésekkel
- amorf nanoszerkezetű anyagok képződése, beleértve a nagy fajlagos felületű átmenetifémeket, ötvözeteket, karbidokat, oxidokat és kolloidokat
- kristályok agglomerációja
- a passziváló oxidbevonat simítása és eltávolítása
- kis részecskék mikromanipulációja (frakcionálása)
- szilárd anyagok diszpergálása
- kolloidok előállítása (Ag, Au, Q-méretű CdS)
- vendégmolekulák interkalációja szervetlen réteges szilárd gazdaanyagokba
- polimerek szonokémiája
- polimerek lebontása és módosítása
- polimerek szintézise
- vízben lévő szerves szennyező anyagok szonolízise
Szonokémiai berendezések
Az említett szonokémiai folyamatok többsége utólag átalakítható folyamatos átáramlásos működésre. Örömmel segítünk a feldolgozási igényeinek megfelelő szonokémiai berendezés kiválasztásában. Kutatáshoz és a folyamatok teszteléséhez laboratóriumi készülékeinket vagy a következő készletet ajánljuk: UIP1000hdT készlet.
Szükség esetén FM- és ATEX-tanúsítvánnyal rendelkező ultrahangos készülékek és reaktorok (pl. UIP1000-Exd) is rendelkezésre állnak gyúlékony vegyszerek és termékformulációk veszélyes környezetben végzett ultrahangos kezeléséhez.
Az ultrahangos kavitáció megváltoztatja a gyűrűfelnyitási reakciókat
Az ultrahangos kezelés a hő, a nyomás, a fény vagy az elektromosság alternatívájaként szolgáló mechanizmus a kémiai reakciók elindítására. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth és csapatuk az Illinois-i Egyetem Urbana-Champaignben működő kémiai karán ultrahangos teljesítményt használtak a gyűrűfelnyitási reakciók kiváltására és befolyásolására. Az ultrahangos kezelés során a kémiai reakciók az orbitális szimmetriaszabályok alapján előre jelzettektől eltérő termékeket hoztak létre (Nature 2007, 446, 423). A csoport mechanikailag érzékeny, 1,2-diszubsztituált benzociklobutén-izomereket kapcsolt két polietilénglikol-lánchoz, ultrahangos energiát alkalmazott, majd a teljes oldatokat elemezte C13 magmágneses rezonanciaspektroszkópia segítségével. A spektrumok azt mutatták, hogy mind a cisz-, mind a transz-izomerek ugyanazt a gyűrűfelnyitott terméket adják, amely a transz-izomerből várható. Míg a hőenergia a reagáló anyagok véletlenszerű Brown-mozgását okozza, az ultrahangos kezelés mechanikai energiája irányt ad az atomok mozgásának. Ezért a kavitációs hatások hatékonyan irányítják az energiát a molekula megfeszítésével, átalakítva a potenciálisenergia-felületet.
A szondás ultrahangos készülékek, például az UP400St, intenzívebbé teszik a nanorészecskék szintézisét. A szonokémiai eljárás egyszerű, hatékony, gyors, és nem mérgező vegyszerekkel, enyhe körülmények között működik.
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek szonokémiai alkalmazásokhoz
A Hielscher Ultrasonics ultrahangos processzorokat szállít laboratóriumi és ipari felhasználásra. Minden Hielscher ultrahangos készülék igen nagy teljesítményű és robusztus ultrahangos berendezés, amelyet teljes terhelés mellett végzett folyamatos, 24/7 üzemre terveztek. A digitális vezérlés, a programozható beállítások, a hőmérséklet-felügyelet, az automatikus adatnaplózás és a böngészőn keresztüli távvezérlés csak néhány a Hielscher ultrahangos készülékeinek funkciói közül. A felhasználók nagyra értékelik a nagy teljesítményre és kényelmes működtetésre tervezett Hielscher Ultrasonics berendezések biztonságos és egyszerű kezelését. A Hielscher ipari ultrahangos processzorai akár 200µm amplitúdót is biztosítanak, és ideálisak a nagy igénybevételt jelentő alkalmazásokhoz. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre.
Az alábbi táblázat ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról ad tájékoztatást:
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | csoportba telepített UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszpergáláshoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari léptékben.
Szakirodalom / 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.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.