Sonokémiai és szonokémiai reaktorok
A sonokémia a kémia területe, ahol nagy intenzitású ultrahangot használnak kémiai reakciók (szintézis, katalízis, lebomlás, polimerizáció, hidrolízis stb.) kiváltására, felgyorsítására és módosítására. Az ultrahanggal generált kavitációt egyedülálló energia-sűrű körülmények jellemzik, amelyek elősegítik és fokozzák a kémiai reakciókat. A gyorsabb reakciósebesség, a magasabb hozamok és a zöld, enyhébb reagensek használata a sonochemistry-t nagyon előnyös eszközzé teszi a jobb kémiai reakciók elérése érdekében.
Sonokémia
A sonokémia az a kutatási és feldolgozási terület, amelyben 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, amikor az erős ultrahanghullámok folyadékba vagy szuszpenzióba kapcsolódnak. A folyadékban lévő ultrahangos hullámok által okozott váltakozó nagynyomású? alacsony nyomású ciklusok miatt vákuumbuborékok (kavitációs üregek) keletkeznek, amelyek több nyomásciklus alatt nőnek. Amikor a kavitációs vákuumbuborék elér egy bizonyos méretet, ahol nem képes több energiát elnyelni, a vákuumbuborék hevesen összeomlik, és rendkívül energiasűrű forró pontot hoz létre. Ezt a helyileg előforduló forró pontot nagyon magas hőmérséklet, nyomás és rendkívül gyors folyadéksugarak mikroáramlása jellemzi.
A rozsdamentes acélból készült zárt tételű reaktor fel van szerelve a ultrahangos UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akusztikus kavitáció és nagy intenzitású ultrahangos hatások
Az akusztikus kavitáció, amelyet gyakran ultrahangos kavitációnak is neveznek, két formára osztható: 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 néhány akusztikus ciklusban drámai térfogatváltozásokon megy keresztül, és heves összeomlással végződik (Suslick 1988). Stabil és átmeneti kavitáció fordulhat elő egyidejűleg az oldatban, és a stabil kavitáción áteső buborék átmeneti üreggé válhat. A buborék implózió, amely jellemző az átmeneti kavitációra és a nagy intenzitású szonikációra, különböző fizikai feltételeket teremt, beleértve a nagyon magas 5000–25 000 K hőmérsékletet, akár több 1000 bar nyomást és akár 1000 m? s sebességű folyadékáramokat. Mivel a kavitációs buborékok összeomlása? összeomlása kevesebb, mint egy nanoszekundum alatt következik be, a nagyon magas fűtési és hűtési sebesség meghaladja a 10-et11 K/s figyelhető meg. Az ilyen magas fűtési sebesség és nyomáskülönbség reakciókat indíthat el és gyorsíthat fel. Ami az előforduló folyadékáramokat illeti, ezek a nagy sebességű mikrofúvókák különösen nagy előnyökkel járnak heterogén szilárd-folyékony iszapok esetében. A folyadéksugarak az összeomló buborék teljes hőmérsékletével és nyomásával ütköznek a felületre, és eróziót okoznak a részecskék közötti ütközés, valamint a lokalizált olvadás révén. Következésképpen jelentősen javult a tömegátadás az oldatban.
Az ultrahangos kavitáció a leghatékonyabban folyadékokban és oldószerekben keletkezik alacsony gőznyomással. 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 energia-sűrű teret forró pontnak nevezik. Az alacsony frekvenciájú, nagy teljesítményű ultrahang a 20kHz tartományban és a nagy amplitúdók létrehozásának képessége jól megalapozott az intenzív forró pontok és a kedvező szonokémiai feltételek létrehozásához.
Ultrahangos laboratóriumi berendezések, valamint ipari ultrahangos reaktorok kereskedelmi szonokémiai folyamatokhoz könnyen elérhetők és megbízhatóak, hatékonyak és környezetbarátak laboratóriumi, kísérleti és teljesen ipari méretekben. A szonokémiai reakciók történhetnek kötegelt (azaz nyitott edény) vagy in-line folyamat formájában zárt áramlású cellás reaktor alkalmazásával.
Sono-szintézis
A sono-szintézis vagy a szonokémiai szintézis az ultrahanggal generált kavitáció alkalmazása a kémiai reakciók kezdeményezése és előmozdítása érdekében. Nagy teljesítményű ultrahangos kezelés (pl. 20 kHz-en) erős hatást gyakorol 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 skálájának előállítására vagy módosítására. A szonoszintézissel előállított nanoanyagok példái a nanorészecskék (NP-k) (pl. Arany NP-k, ezüst NP-k), pigmentek, maghéj nano-részecskék, nano-hidroxiapatit, fém szerves keretek (MOF-ok), gyógyszerhatóanyagok (API-k), mikrogömb díszítésű nanorészecskék, nano-kompozitok sok más anyag mellett.
Példák: Zsírsav-metil-észterek (biodízel) ultrahangos átészterezése vagy a poliolok átészterezése ultrahanggal.
TEM-kép (A) és szemcseméret-eloszlása (B) ezüst nanorészecskékről (Ag-NPs), amelyeket optimális körülmények között szonokémiailag szintetizáltak.
Szintén széles körben alkalmazzák az ultrahanggal támogatott kristályosítást (sono-kristályosítás), ahol a teljesítmény-ultrahangot túltelített oldatok előállítására, kristályosodás? csapadék kezdeményezésére, valamint a kristályméret és morfológia ultrahangos folyamatparaméterekkel történő szabályozására használják. Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a sono-kristályosításról!
Sono-katalízis
A kémiai szuszpenzió vagy oldat ultrahangos kezelése jelentősen javíthatja a katalitikus reakciókat. A szonokémiai energia csökkenti a reakcióidőt, javítja a hő- és tömegátadást, ami ezt követően megnövekedett kémiai sebességi állandókat, hozamokat és szelektivitást eredményez.
Számos katalitikus folyamat létezik, amelyek drasztikusan előnyösek a teljesítmény ultrahang alkalmazásából és szonokémiai hatásaiból. Bármely heterogén fázistranszfer katalízis (PTC) reakció, amely két vagy több nem elegyedő folyadékot vagy folyadék-szilárd készítményt tartalmaz, előnyös az ultrahangos kezelés, a szonokémiai energia és a jobb tömegátadás.
Például a fenol csendes és ultrahanggal segített katalitikus nedves peroxid oxidációjának összehasonlító elemzése vízben azt mutatta, hogy az szonikálás csökkentette a reakció energiagátját, de nem befolyásolta a reakcióutat. A fenol RuI feletti oxidációjának aktiválási energiája3 katalizátor az ultrahangos kezelés során 13 kJ mol volt-1, amely négyszer kisebb volt a csendes oxidációs folyamathoz képest (57 kJ mol-1). (Rokhina és mtsai, 2010)
A szonokémiai katalízist sikeresen használják vegyipari termékek gyártásához, valamint mikron- és nanoszerkezetű szervetlen anyagok, például fémek, ötvözetek, fémvegyületek, nemfémes anyagok és szervetlen kompozitok gyártásához. Az ultrahanggal segített PTC gyakori példái a szabad zsírsavak metil-észterré (biodízel) történő átészterezése, hidrolízis, növényi olajok szappanosítása, sono-Fenton reakció (Fenton-szerű folyamatok), szonotalitikus lebomlás stb.
További információ a sono-katalízisről és a speciális alkalmazásokról!
A szonikálás javítja a kattintási kémiát, például az azid-alkin-cikloaddíciós reakciókat!
Egyéb szonokémiai alkalmazások
Sokoldalú felhasználásuk, megbízhatóságuk és egyszerű működésük miatt a szonokémiai rendszerek, mint például a UP400ST vagy UIP2000hdT a kémiai reakciók hatékony berendezéseként értékelik. Hielscher Ultrasonics szonokémiai eszközök könnyen használhatók kötegelt (nyitott főzőpohár) és folyamatos inline szonikálás segítségével szonokémiai áramlási cella. A sonokémia, beleértve a sono-szintézist, a sono-katalízist, a lebomlást vagy a polimerizációt, széles körben használatos a kémia, a nanotechnológia, az anyagtudomány, a gyógyszeripar, a mikrobiológia és más iparágakban.
ipari ultrahangos készülék UIP2000hdT (2kW) Sonokémiai inline reaktorral.
Nagy teljesítményű szonokémiai berendezések
Hielscher Ultrasonics az Ön legjobb szállítója innovatív, korszerű ultrahangos készülékek, szonokémiai áramlási cella, reaktorok és tartozékok a hatékony és megbízható szonokémiai reakciók. Minden Hielscher ultrasonicators kizárólag tervezett, gyártott és tesztelt a Hielscher Ultrasonics székhelye Teltow (Berlin közelében), Németország. A legmagasabb műszaki szabványok és kiemelkedő robusztusság és 24/7/365 működés mellett a rendkívül hatékony működés, a Hielscher ultrahangos készülékek könnyen és megbízhatóan működtethetők. A nagy hatékonyság, az intelligens szoftver, az intuitív menü, az automatikus adatprotokoll és a böngésző távirányítója csak néhány olyan funkció, amely megkülönbözteti a Hielscher Ultrasonics-t más szonokémiai berendezések gyártóitól.
Pontosan állítható amplitúdók
Az amplitúdó a sonotrode (más néven ultrahangos szonda vagy kürt) elülső részén (csúcsán) lévő elmozdulás, és az ultrahangos kavitáció fő befolyásoló tényezője. A nagyobb amplitúdók intenzívebb kavitációt jelentenek. A kavitáció szükséges intenzitása erősen függ a reakció típusától, az alkalmazott kémiai reagensektől és a specifikus szonokémiai reakció célzott eredményeitől. Ez azt jelenti, hogy az amplitúdónak pontosan állíthatónak kell lennie annak érdekében, hogy az akusztikus kavitáció intenzitását az ideális szintre hangolja. Minden Hielscher ultrasonicators megbízhatóan és pontosan beállítható egy intelligens digitális vezérléssel az ideális amplitúdóhoz. A booster szarvak emellett az amplitúdó mechanikus csökkentésére vagy növelésére is használhatók. ultrahang’ Az ipari ultrahangos processzorok nagyon nagy amplitúdókat tudnak biztosítani. Akár 200 μm-es amplitúdók is könnyedén működtethetők folyamatosan 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdók esetén testreszabott ultrahangos sonotrodes áll rendelkezésre.
Precíz hőmérséklet-szabályozás szonokémiai reakciók során
In the cavitation hot-spot, extremely high temperatures of of many thousands of degrees Celsius can be observed. However, these extreme temperatures are limited locally to the minute interior and surrounding of the imploding cavitation bubble. In the bulk solution, the temperature rise from the implosion a single or few cavitation bubbles is negligible. But continuous, intense sonication for longer periods can cause an incremental increase of the bulk liquid’s temperature. This increase in temperature contributes to many chemical reactions and is often considered as beneficial. However, different chemical reactions have different optimum reaction temperatures. When heat-sensitive materials are treated, temperature control may be necessary. In order to allow for ideal thermal conditions during sonochemical processes, Hielscher Ultrasonics offers various sophisticated solutions for precise temperature control during sonochemical processes, such as sonochemical reactors and flow cells equipped with cooling jackets.
Szonokémiai áramlási celláink és reaktoraink hűtőköpenyekkel kaphatók, amelyek támogatják a hatékony hőelvezetést. A folyamatos hőmérséklet-ellenőrzéshez a Hielscher ultrasonicators dugaszolható hőmérséklet-érzékelővel van felszerelve, amely behelyezhető a folyadékba az ömlesztett hőmérséklet állandó mérésére. A kifinomult szoftver lehetővé teszi a hőmérséklet-tartomány beállítását. A hőmérsékleti határérték túllépésekor az ultrahangos készülék automatikusan szünetel, amíg a folyadék hőmérséklete egy bizonyos beállított pontra 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 folyamatvezérléshez.
Temperature is a crucial parameter of sonochemical processes. Hielscher’s elaborated technology helps you to keep the temperature of your sonochemical application in the ideal temperature range.
- nagy hatékonyság
- A legkorszerűbb technológia
- könnyen és biztonságosan kezelhető
- megbízhatóság & Erőteljesség
- halom & Inline
- bármely kötethez
- intelligens szoftver
- intelligens funkciók (pl. adatprotokoll)
- CIP (helyben tisztítható)
Sonokémiai reaktor: Az intenzív szonikálás és az ebből eredő kavitáció kémiai reakciókat indít el és fokoz, és még az útvonalakat is megváltoztathatja.
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.
Példák ultrahanggal javított kémiai reakcióra vs hagyományos reakciók
Az alábbi táblázat áttekintést nyújt számos gyakori kémiai reakcióról. Minden reakciótípus esetében a hagyományosan futó reakciót és az ultrahanggal fokozott reakciót összehasonlítjuk a hozam és az átalakítási sebesség tekintetében.
| 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% |
(vö. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, Első kiadás. Közzétette: Wiley, 2019)
Irodalom? 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.
Hielscher Ultrasonics gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz ipari méret.