A sonochemistry a kémia azon területe, ahol nagy intenzitású ultrahangot használnak kémiai reakciók (szintézis, katalízis, lebomlás, polimerizáció, hidrolízis stb.) indukálására, felgyorsítására és módosítására. Az ultrahangosan generált kavitációt egyedülálló energiadús körülmények jellemzik, amelyek elősegítik és fokozzák a kémiai reakciókat. A gyorsabb reakcióarányok, a magasabb hozamok és a zöld, enyhébb reagensek használata a szonokémiát nagyon előnyös eszközzé teszi a jobb kémiai reakciók elérése érdekében.

Sonochemistry

A szonokémia az a kutatási és feldolgozási terület, ahol a molekulák kémiai reakción mennek keresztül a nagy intenzitású ultrahangos kezelés (pl. 20 kHz) alkalmazása miatt. A szonokémiai reakciókért felelős jelenség az akusztikus kavitáció. Akusztikus vagy ultrahangos kavitáció akkor fordul elő, ha erős ultrahanghullámok kapcsolódnak folyadékhoz vagy hígtrágya. A folyadékban lévő ultrahanghullámok által okozott váltakozó nagynyomású / alacsony nyomású ciklusok miatt vákuumbuborékok (kavitációs üregek) keletkeznek, amelyek több nyomáscikluson keresztül nőnek. Amikor a kavitációs vákuumbuborék elér egy bizonyos méretet, ahol nem tud több energiát elnyelni, a vákuumbuborék hevesen összeomlik, és egy erősen energiadús forró pontot hoz létre. Ezt a helyileg előforduló forró pontot nagyon magas hőmérséklet, nyomás és rendkívül gyors folyékony fúvókák mikroárama jellemzi.

Akusztikus kavitáció és a nagy intenzitású ultrahangos kezelés hatásai

Az akusztikus kavitáció, amelyet gyakran ultrahangos kavitációnak is neveznek, két formát különböztet meg, stabil és átmeneti kavitáció. A stabil kavitáció során a kavitációs buborék sokszor oszcillál egyensúlyi sugara körül, míg az átmeneti kavitáció során, amelyben egy rövid életű buborék drámai térfogatváltozáson megy keresztül néhány akusztikus ciklusban, és erőszakos összeomlással végződik (Suslick 1988). Stabil és átmeneti kavitáció előfordulhat egyidejűleg az oldatban, és a stabil kavitáción átesett buborék átmeneti üreggé válhat. Az átmeneti kavitációra és a nagy intenzitású szonikációra jellemző buborékrobbanás különböző fizikai feltételeket teremt, beleértve a nagyon magas, 5000–25 000 K hőmérsékletet, az akár több 1000 bar nyomású nyomást és az akár 1000 m/ s sebességgel rendelkező folyékony áramokat. Mivel a kavitációs buborékok összeomlása/berobbanása kevesebb, mint egy nanoszekundum alatt történik, nagyon magas, 10-et meghaladó fűtési és hűtési sebesség¹¹ K/s figyelhető meg. Az ilyen magas fűtési sebességek és nyomáskülönbségek reakciókat indíthatnak el és gyorsíthatnak fel. Ami a előforduló folyadékáramokat illeti, ezek a nagy sebességű mikrosugarak különösen nagy előnyöket mutatnak a heterogén szilárd-folyékony iszapok tekintetében. A folyékony fúvókák az összeomló buborék teljes hőmérsékletével és nyomásával ütköznek a felszínen, és eróziót okoznak a két rész ütközése, valamint a lokalizált olvadás révén. Következésképpen az oldatban jelentősen javult a tömegátvitel.

Ultrahangos kavitáció a leghatékonyabban generált folyadékok és oldószerek és alacsony gőznyomás. Ezért az alacsony gőznyomású közegek kedvezőek a szonokémiai alkalmazásokhoz.
Az ultrahangos kavitáció eredményeként a létrehozott intenzív erők a reakciók útvonalait hatékonyabb útvonalakra válthatják, így elkerülhető a teljesebb átalakítás és / vagy a nem kívánt melléktermékek előállítása.
A kavitációs buborékok összeomlása által létrehozott energiadús teret hot-spotnak nevezik. Az alacsony frekvenciájú, nagy teljesítményű ultrahang 20 kHz tartományban és a nagy amplitúdók létrehozásának képessége jól megalapozott az intenzív forró pontok és a kedvező szonokémiai körülmények előállításához.

Ultrahangos laboratóriumi berendezések, valamint az ipari ultrahangos reaktorok kereskedelmi szonokémiai folyamatok könnyen elérhető és bizonyított, mint megbízható, hatékony, és környezetbarát laboratóriumi, kísérleti és teljesen ipari méretekben. A szonokémiai reakciókat tételként (azaz nyitott edényként) vagy in-line eljárásként lehet végrehajtani zárt áramlásicellás reaktor segítségével.

Sono-szintézis

A sono-szintézis vagy sonokémiai szintézis az ultrahangosan generált kavitáció alkalmazása a kémiai reakciók kezdeményezése és előmozdítása érdekében. A nagy teljesítményű ultrahangos kezelés (pl. 20 kHz-en) erős hatást mutat a molekulákra és a kémiai kötésekre. Például az intenzív szonikációból eredő szonokémiai hatások molekulák felosztását, szabad gyökök létrehozását és/vagy kémiai útvonalak váltását eredményezhetik. A szonokémiai szintézist ezért intenzíven használják nanoszerkezetű anyagok széles körének előállítására vagy módosítására. Példák a szonoszintézissel előállított nanoanyagokra: nanorészecskék (NPs) (pl. arany NPs, ezüst NPs), pigmentek, maghéj nanorészecskék, nano-hidroxipatit, fém szerves vázak (MOF-ok), gyógyszerhatóanyagok (API-k), mikroszféra díszített nanorészecskék, nano-kompozitok sok más anyag között.
Példák: A zsírsav-metil-észterek ultrahangos átészterezése (biodízel) vagy a poliolok átészterezése ultrahanggal.

TEM kép (A) és szemcseméret-eloszlása (B) ezüst nanorészecskék (Ag-NPs), amelyeket szonokémiailag szintetizált optimális körülmények között.

Szintén széles körben alkalmazzák az ultrahangosan támogatott kristályosodást (szono-kristályosodás), ahol a teljesítmény-ultrahangot túltelített oldatok előállítására, kristályosodás / csapadék elindítására, valamint a kristály méretének és morfológiájának ultrahangos folyamatparamétereken keresztül történő szabályozására használják. Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a szono-kristályosodásról!

Sono-katalízis

A kémiai szuszpenzió vagy oldat ultrahangosítása jelentősen javíthatja a katalitikus reakciókat. A szonokémiai energia csökkenti a reakcióidőt, javítja a hő- és tömegátvitelt, ami később megnövekedett kémiai sebesség állandókat, hozamokat és szelektivitásokat eredményez.
Számos katalitikus folyamat létezik, amelyek drasztikusan profitálnak a teljesítmény ultrahang alkalmazásából és szonokémiai hatásaiból. Bármilyen heterogén fázisátviteli katalízis (PTC) reakció, amely két vagy több immiscible folyadékot vagy folyadék-szilárd összetételt foglal magában, az ultrahangos kezelés, a szonokémiai energia és a jobb tömegátvitel előnyeit élvezi.
Például, az összehasonlító elemzése csendes és ultrahangosan támogatott katalizált nedves peroxid oxidáció fenol vízben kiderült, hogy az ultrahangos csökkent az energia gátja a reakció, de nem volt hatással a reakció útvonal. A fenol oxidációjának aktiválási energiája RuI felett₃ katalizátor szonikálás közben megállapították, hogy 13 kJ mol^-1, ami négyszer kisebb volt a csendes oxidációs folyamathoz képest (57 kJ mol^-1). (Rokhina és mtsai, 2010)
A szonokémiai katalízist sikeresen használják vegyipari termékek gyártására, valamint mikro- és nanoszerkezetű szervetlen anyagok, például fémek, ötvözetek, fémvegyületek, nem fémanyagok és szervetlen kompozitok gyártására. Az ultrahangosan támogatott PTC gyakori példái a szabad zsírsavak metil-észterré (biodízelbe) történő transzesterifikációja, hidrolízis, növényi olajok elszappanosítása, sono-Fenton reakció (Fenton-szerű folyamatok), szonokatalitikus lebomlás stb.
Tudjon meg többet a sono-katalízisről és a speciális alkalmazásokról!
A szonikálás javítja a kattintási kémiát, például az azid-alkin-ciklonaddíciós reakciókat!

Egyéb sonokémiai alkalmazások

Sokoldalú használatuknak, megbízhatóságuknak és egyszerű működésüknek köszönhetően a sonokémiai rendszerek, mint például a UP400St vagy UIP2000hdT kémiai reakciók hatékony berendezéseként értékelik. Hielscher Ultrasonics szonokémiai eszközök könnyen használható tétel (nyitott főzőpohár) és a folyamatos inline sonication segítségével sonokémiai áramlási cella. A sonokémiát, beleértve a sono-szintézist, a sono-katalízist, a lebomlást vagy a polimerizációt széles körben használják a kémiában, a nanotechnológiában, az anyagtudományban, a gyógyszeriparban, a mikrobiológiában, valamint más iparágakban.

Nagy teljesítményű sonokémiai berendezések

Hielscher Ultrasonics az Ön felső szállítója az innovatív, state-of-the-art ultrasonicators, sonochemical flow cell, reaktorok és kiegészítők hatékony és megbízható szonokémiai reakciók. Minden Hielscher ultrahangos kizárólag tervezett, gyártott és tesztelt a Hielscher Ultrasonics székhelyén Teltow (Berlin közelében), Németországban. A hielscher ultrahangosok a legmagasabb műszaki szabványok és a kiemelkedő robusztusság és a 24/7/365-ös működés mellett könnyen és megbízhatóan működtethetők. A nagy hatékonyság, az intelligens szoftver, az intuitív menü, az automatikus adatprotokoll és a böngésző távirányító csak néhány olyan funkció, amely megkülönbözteti a Hielscher Ultrasonics-t más szonokémiai berendezések gyártóitól.

Pontosan állítható amplitúdók

Az amplitúdó a szonotróp (más néven ultrahangos szonda vagy kürt) elülső (csúcs) elmozdulása, és az ultrahangos kavitáció fő befolyásoló tényezője. A nagyobb amplitúdók intenzívebb kavitációt jelentenek. A kavitáció szükséges intenzitása nagymértékben függ a reakció típusától, az alkalmazott kémiai reagensoktól és az adott szonokémiai reakció célzott eredményeitől. Ez azt jelenti, hogy az amplitúdónak pontosan állíthatónak kell lennie, hogy az akusztikus kavitáció intenzitását az ideális szintre hangolja. Minden Hielscher ultrahangos hatékonyan és pontosan beállítható egy intelligens digitális vezérléssel az ideális amplitúdóhoz. A nyomásfokozó szarvak emellett mechanikusan is használhatók az amplitúdó csökkentésére vagy növelésére. Ultrahangos’ ipari ultrahangos processzorok szállít nagyon nagy amplitúdójú. Az akár 200 μm-es amplitúdók a hét minden szélességében könnyen működtethetők. Még nagyobb amplitúdójú, személyre szabott ultrahangos összehegeszthetősége állnak rendelkezésre.

Pontos hőmérséklet-szabályozás a szonokémiai reakciók során

A kavitációs forró pontban rendkívül magas, több ezer Celsius-fokos hőmérséklet figyelhető meg. Ezek a szélsőséges hőmérsékletek azonban helyileg a berobbanó kavitációs buborék percnyi belsejére és környezetére korlátozódnak. Az ömlesztett oldatban a hőmérséklet emelkedése az összeomlásból egy vagy néhány kavitációs buborék elhanyagolható. De a hosszabb ideig tartó folyamatos, intenzív ultrahangos kezelés az ömlesztett folyadék hőmérsékletének növekményes növekedését okozhatja. Ez a hőmérséklet-emelkedés számos kémiai reakcióhoz hozzájárul, és gyakran előnyösnek tekinthető. A különböző kémiai reakciók azonban eltérő optimális reakcióhőmérsékletet. Hőérzékeny anyagok kezelése esetén hőmérséklet-szabályozásra lehet szükség. Annak érdekében, hogy a szonokémiai folyamatok során ideális termikus körülményeket biztosítsunk, a Hielscher Ultrasonics különböző kifinomult megoldásokat kínál a szonokémiai folyamatok során a pontos hőmérséklet-szabályozáshoz, mint például a sonokémiai reaktorok és a hűtőköpenyekkel felszerelt áramlási cellák.
Szonokémiai áramlási celláink és reaktoraink hűtőköpenyekkel állnak rendelkezésre, amelyek támogatják a hatékony hőelvezetést. A folyamatos hőmérséklet-ellenőrzéshez a Hielscher ultrahangos mérőműszerek csatlakoztatható hőmérséklet-érzékelővel vannak ellátva, amely behelyezhető a folyadékba az ömlesztett hőmérséklet állandó mérésére. A kifinomult szoftver lehetővé teszi a hőmérséklet-tartomány beállítását. A hőmérsékleti határérték túllépése után az ultrahangosító automatikusan szünetel, amíg a folyadék hőmérséklete egy bizonyos meghatározott pontra le nem csökken, és automatikusan újra szonikálni kezd. Minden hőmérsékletmérés, valamint más fontos ultrahangos folyamatadatok automatikusan rögzítésre kerülnek egy beépített SD kártyán, és könnyen felülvizsgálhatók a folyamatszabályozáshoz.
A hőmérséklet a szonokémiai folyamatok kulcsfontosságú paramétere. A Hielscher kidolgozott technológiája segít abban, hogy szonokémiai alkalmazásának hőmérséklete az ideális hőmérséklet-tartományban maradjon.

Az alábbi táblázat az ultrahangos készülékek hozzávetőleges feldolgozási kapacitását jelzi: