Szonokémia és szonokémiai reaktorok
A szonokémia a kémia azon területe, amelyen nagy intenzitású ultrahangot használnak kémiai reakciók előidézésére, gyorsítására és módosítására (szintézis, katalízis, lebontás, polimerizáció, hidrolízis stb.). Az ultrahanggal létrehozott kavitációt egyedülálló, nagy energiasűrűségű körülmények jellemzik, amelyek elősegítik és intenzívebbé teszik a kémiai reakciókat. A nagyobb reakciósebesség, a magasabb hozam, valamint a környezetbarát, kíméletesebb reagensek használata igen előnyös eszközzé teszi a szonokémiát a kémiai reakciók javításához.
Szonokémia
A szonokémia olyan kutatási és feldolgozási terület, amelyen a molekulák nagy intenzitású ultrahangos kezelés (pl. 20 kHz) hatására kémiai reakcióba lépnek. A szonokémiai reakciókért felelős jelenség az akusztikus kavitáció. Akusztikus vagy ultrahangos kavitáció akkor lép fel, amikor nagy teljesítményű ultrahanghullámokat csatolnak be egy folyadékba vagy szuszpenzióba. A folyadékban a nagy teljesítményű ultrahanghullámok által okozott, váltakozó nagy nyomású / kis nyomású ciklusok hatására vákuumbuborékok (kavitációs üregek) keletkeznek, amelyek több nyomáscikluson keresztül növekednek. Amikor a kavitációs vákuumbuborék elér egy bizonyos méretet, amelynél már nem képes több energiát elnyelni, hevesen összeomlik, és nagy energiasűrűségű forró pontot hoz létre. Ezt a helyileg kialakuló forró pontot nagyon magas hőmérséklet és nyomás, valamint rendkívül gyors folyadéksugarak mikroáramlása jellemzi.
A rozsdamentes acélból készült zárt szakaszos reaktor felszerelése az UIP2000hdT ultrahangos készülék (2kW, 20kHz).
Akusztikus kavitáció és a nagy intenzitású ultrahangos kezelés hatásai
Az akusztikus kavitáció, amelyet gyakran ultrahangos kavitációnak is neveznek, két formára különíthető el: stabil és tranziens kavitációra. Stabil kavitáció során a kavitációs buborék sokszor oszcillál az egyensúlyi sugara körül, míg tranziens kavitáció során egy rövid élettartamú buborék néhány akusztikus ciklus alatt drámai térfogatváltozásokon megy keresztül, majd heves összeomlással megszűnik (Suslick 1988). Stabil és tranziens kavitáció egyidejűleg is felléphet az oldatban, és a stabil kavitációt mutató buborék tranziens üreggé válhat. A tranziens kavitációra és a nagy intenzitású ultrahangos kezelésre jellemző buborékösszeomlás különféle fizikai körülményeket hoz létre, köztük nagyon magas, 5000–25 000 K hőmérsékletet, akár több 1000 bar nyomást, valamint akár 1000m/s sebességű folyadékáramokat. Mivel a kavitációs buborékok összeomlása egy nanoszekundumnál rövidebb idő alatt történik, rendkívül nagy, a következő értéket meghaladó felfűtési és hűlési sebesség figyelhető meg: 1011 K/s. Az ilyen nagy felfűtési sebességek és nyomáskülönbségek reakciókat indíthatnak el és gyorsíthatnak fel. A kialakuló folyadékáramok közül ezek a nagy sebességű mikrosugarak különösen jelentős előnyöket nyújtanak heterogén szilárd–folyadék szuszpenziók esetén. A folyadéksugarak az összeomló buborék teljes hőmérsékletével és nyomásával csapódnak a felületnek, és a részecskék közötti ütközések révén eróziót, valamint helyi olvadást okoznak. Ennek következtében az oldatban jelentősen javuló anyagátadás figyelhető meg.
Az ultrahangos kavitáció a leghatékonyabban kis gőznyomású folyadékokban és oldószerekben hozható létre. Ezért a kis gőznyomású közegek kedvezőek a szonokémiai alkalmazásokhoz.
Az ultrahangos kavitáció következtében létrejövő intenzív erők hatékonyabb utakra terelhetik a reakciókat, így elkerülhető a teljesebb átalakulás és/vagy a nemkívánatos melléktermékek képződése.
A kavitációs buborékok összeomlásával létrejövő, nagy energiasűrűségű teret forró pontnak nevezik. A 20kHz körüli tartományba eső, kis frekvenciájú, nagy teljesítményű ultrahang és a nagy amplitúdók létrehozásának képessége jól bevált az intenzív forró pontok és a kedvező szonokémiai körülmények kialakítására.
Az ultrahangos laboratóriumi berendezések, valamint a kereskedelmi célú szonokémiai folyamatokhoz használható ipari ultrahangos reaktorok könnyen beszerezhetők, és laboratóriumi, kísérleti üzemi és teljes ipari léptékben is bizonyítottan megbízhatók, hatékonyak és környezetbarátok. A szonokémiai reakciók szakaszos eljárásként (azaz nyitott edényben) vagy zárt átfolyó cellás reaktor alkalmazásával folyamatos átfolyású eljárásként is végrehajthatók.
Szonoszintézis
A szonoszintézis vagy szonokémiai szintézis az ultrahanggal létrehozott kavitáció alkalmazása kémiai reakciók elindítására és elősegítésére. A nagy teljesítményű ultrahangos kezelés (pl. 20 kHz frekvencián) erős hatást gyakorol a molekulákra és a kémiai kötésekre. Az intenzív ultrahangos kezelésből eredő szonokémiai hatások például molekulák felhasadását, szabad gyökök keletkezését és/vagy a kémiai reakcióutak megváltozását eredményezhetik. A szonokémiai szintézist ezért intenzíven alkalmazzák a nanoszerkezetű anyagok széles körének előállítására vagy módosítására. A szonoszintézissel előállított nanoanyagok közé tartoznak például a nanorészecskék (NP-k) (pl. arany-NP-k, ezüst-NP-k), a pigmentek, a mag–héj nanorészecskék, nano-hidroxiapatit, fémorganikus térhálók (MOF-ok), gyógyszerhatóanyagok (API-k), mikrogömbökkel díszített nanorészecskék és nanokompozitok, számos más anyag mellett.
Példák: Zsírsav-metil-észterek (biodízel) ultrahangos átészterezése vagy poliolok átészterezése ultrahanggal.
Optimális körülmények között szonokémiai úton szintetizált ezüst nanorészecskék (Ag-NP-k) TEM-képe (A) és részecskeméret-eloszlása (B).
Szintén széles körben alkalmazzák az ultrahanggal elősegített kristályosítást (szonokristályosítást), amelynek során nagy teljesítményű ultrahangot használnak túltelített oldatok előállítására, a kristályosodás / kicsapódás elindítására, valamint a kristályméret és a morfológia szabályozására az ultrahangos folyamatparaméterek segítségével. Kattintson ide, és tudjon meg többet a szonokristályosításról!
Szonokatalízis
Egy kémiai szuszpenzió vagy oldat ultrahangos kezelése jelentősen javíthatja a katalitikus reakciókat. A szonokémiai energia csökkenti a reakcióidőt, javítja a hő- és anyagátadást, ami ezt követően nagyobb kémiai sebességi állandókat, hozamokat és szelektivitásokat eredményez.
Számos katalitikus folyamat létezik, amelynek jelentős előnyt nyújt a nagy teljesítményű ultrahang és szonokémiai hatásainak alkalmazása. Minden olyan heterogén fázistranszfer-katalitikus (PTC) reakció számára előnyös az ultrahangos kezelés, a szonokémiai energia és a javuló anyagátadás, amelyben két vagy több nem elegyedő folyadék vagy folyadék–szilárd összetételű rendszer vesz részt.
A fenol vízben végzett, ultrahang nélküli és ultrahanggal segített katalitikus nedves peroxidos oxidációjának összehasonlító elemzése például kimutatta, hogy az ultrahangos kezelés csökkentette a reakció energiagátját, de nem befolyásolta a reakcióutat. Az ultrahangos kezelés során a fenol oxidációjának aktiválási energiája RuI3 katalizátor alkalmazásával 13 kJ mol-1 volt, ami négyszer kisebb volt az ultrahang nélküli oxidációs folyamatéhoz képest (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
A szonokémiai katalízist sikeresen alkalmazzák vegyipari termékek előállítására, valamint mikro- és nanoszerkezetű szervetlen anyagok, például fémek, ötvözetek, fémvegyületek, nemfémes anyagok és szervetlen kompozitok gyártására. Az ultrahanggal segített PTC gyakori példái a szabad zsírsavak átészterezése metil-észterré (biodízel), a hidrolízis, a növényi olajok elszappanosítása, a szono-Fenton-reakció (Fenton-jellegű folyamatok), a szonokatalitikus lebontás stb.
Olvasson többet a szonokatalízisről és konkrét alkalmazásairól!
Az ultrahangos kezelés javítja a klikk-kémiai reakciókat, például az azid–alkin cikloaddíciós reakciókat!
Egyéb szonokémiai alkalmazások
Sokoldalú felhasználhatóságuk, megbízhatóságuk és egyszerű kezelhetőségük miatt az olyan szonokémiai rendszereket, mint az UP400St vagy az UIP2000hdT, nagyra értékelik mint a kémiai reakciókhoz használható hatékony berendezéseket. A Hielscher Ultrasonics szonokémiai készülékei egyszerűen használhatók szakaszos (nyitott főzőpohárban végzett) és folyamatos átfolyású ultrahangos kezeléshez, szonokémiai átfolyó cella alkalmazásával. A szonokémiát, beleértve a szonoszintézist, a szonokatalízist, a lebontást és a polimerizációt, széles körben alkalmazzák a kémiában, a nanotechnológiában, az anyagtudományban, a gyógyszeriparban, a mikrobiológiában, valamint más iparágakban.
Ipari ultrahangos készülék UIP2000hdT (2kW) szonokémiai átfolyó reaktorral.
Nagy teljesítményű szonokémiai berendezések
A Hielscher Ultrasonics az Ön vezető szállítója az innovatív, legkorszerűbb ultrahangos készülékek, szonokémiai átfolyó cellák, reaktorok és tartozékok terén a hatékony és megbízható szonokémiai reakciókhoz. Minden Hielscher ultrahangos készüléket kizárólag a Hielscher Ultrasonics németországi, Teltowban (Berlin közelében) található központjában terveznek, gyártanak és tesztelnek. A legmagasabb műszaki színvonal, a kiemelkedő strapabírás és a rendkívül hatékony működést szolgáló 24/7/365 üzem mellett a Hielscher ultrahangos készülékek egyszerűen és megbízhatóan kezelhetők. A nagy hatékonyság, az intelligens szoftver, az intuitív menü, az automatikus adatnaplózás és a böngészőn keresztüli távvezérlés csupán néhány olyan jellemző, amely megkülönbözteti a Hielscher Ultrasonics vállalatot más szonokémiai berendezésgyártóktól.
Pontosan beállítható amplitúdók
Az amplitúdó a szonotróda (más néven ultrahangos szonda vagy kürt) elülső végének (csúcsának) elmozdulása, és az ultrahangos kavitációt befolyásoló legfontosabb tényező. A nagyobb amplitúdók intenzívebb kavitációt jelentenek. A kavitáció szükséges intenzitása nagymértékben függ a reakció típusától, a felhasznált kémiai reagensektől és az adott szonokémiai reakcióval elérni kívánt eredményektől. Ez azt jelenti, hogy az amplitúdónak pontosan beállíthatónak kell lennie ahhoz, hogy az akusztikus kavitáció intenzitását az ideális szintre lehessen hangolni. Minden Hielscher ultrahangos készülék megbízhatóan és pontosan beállítható az ideális amplitúdóra intelligens digitális vezérléssel. Erősítőkürtök is használhatók az amplitúdó mechanikus csökkentésére vagy növelésére. Az Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai igen nagy amplitúdók előállítására képesek. Akár 200µm amplitúdóval is könnyedén működtethetők folyamatosan, 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre.
Pontos hőmérséklet-szabályozás a szonokémiai reakciók során
A kavitációs forró pontban rendkívül magas, sok ezer Celsius-fokos hőmérséklet figyelhető meg. Ezek a szélsőséges hőmérsékletek azonban helyileg az összeomló kavitációs buborék parányi belsejére és környezetére korlátozódnak. Az oldat teljes térfogatában az egyetlen vagy néhány kavitációs buborék összeomlásából származó hőmérséklet-emelkedés elhanyagolható. A hosszabb ideig tartó, folyamatos, intenzív ultrahangos kezelés azonban a folyadék teljes térfogatának fokozatos hőmérséklet-emelkedését okozhatja. Ez a hőmérséklet-emelkedés számos kémiai reakciót elősegít, és gyakran előnyösnek tekintik. A különböző kémiai reakcióknak azonban eltérő optimális reakció-hőmérsékletük van. Hőérzékeny anyagok kezelésekor hőmérséklet-szabályozásra lehet szükség. A szonokémiai folyamatok ideális hőmérsékleti körülményeinek biztosításához a Hielscher Ultrasonics különféle kifinomult megoldásokat kínál a pontos hőmérséklet-szabályozásra, például hűtőköpennyel ellátott szonokémiai reaktorokat és átfolyó cellákat.
Szonokémiai átfolyó celláink és reaktoraink hűtőköpennyel is elérhetők, amely elősegíti a hatékony hőelvezetést. A folyamatos hőmérséklet-ellenőrzéshez a Hielscher ultrahangos készülékek csatlakoztatható hőmérséklet-érzékelővel vannak felszerelve, amely a folyadékba helyezhető a teljes folyadéktérfogat hőmérsékletének folyamatos méréséhez. A kifinomult szoftver lehetővé teszi egy hőmérséklet-tartomány beállítását. A hőmérsékleti határérték túllépésekor az ultrahangos készülék automatikusan szünetelteti a működését, amíg a folyadék hőmérséklete egy meghatározott beállított értékre nem csökken, majd automatikusan újraindítja az ultrahangos kezelést. Minden hőmérsékletmérés és más fontos ultrahangos folyamatadat automatikusan rögzítésre kerül egy beépített SD-kártyán, és a folyamatszabályozáshoz könnyen áttekinthető.
A hőmérséklet a szonokémiai folyamatok meghatározó paramétere. A Hielscher kifinomult technológiája segít abban, hogy szonokémiai alkalmazásának hőmérsékletét az ideális tartományban tartsa.
- nagy hatékonyság
- legkorszerűbb technológia
- egyszerű és biztonságos kezelés
- megbízhatóság és strapabírás
- szakaszos és folyamatos átfolyású üzem
- bármilyen térfogathoz
- intelligens szoftver
- intelligens funkciók (pl. adatnaplózás)
- CIP (helyben tisztítás)
Szonokémiai reaktor: Az intenzív ultrahangos kezelés és az ebből eredő kavitáció elindítja és intenzívebbé teszi a kémiai reakciókat, és akár a reakcióutakat is megváltoztathatja.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Szakaszosan kezelt térfogat | 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 | készülékcsoport: UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési, diszpergálási, emulgeálási és extrakciós alkalmazásokhoz laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari léptékben.
Példák ultrahanggal javított kémiai reakciók és hagyományos reakciók összehasonlítására
Az alábbi táblázat több gyakori kémiai reakcióról ad áttekintést. Minden reakciótípus esetében összehasonlítja a hagyományosan végrehajtott és az ultrahanggal intenzívebbé tett reakciót a hozam és az átalakulás sebessége szempontjából.
| Reakció | Reakcióidő – hagyományos | Reakcióidő – ultrahangos | Hozam – hagyományos (%) | Hozam – ultrahangos (%) |
|---|---|---|---|---|
| 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 láncú 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 permanganátos oxidációja | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Kalkonok szintézise Claisen–Schmidt-kondenzációval | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| 2-jód-nitrobenzol Ullmann-kapcsolása | 2 h | 2h | kevesebb mint 1,5% | 70,4% |
| Reformatsky-reakció | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(vö. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, első kiadás. Megjelent 2019-ben a Wiley kiadásában)
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.