Սոնոքիմիական ռեակցիաներ և սինթեզ
Սոնոքիմիան ուլտրաձայնի կիրառությունն է քիմիական ռեակցիաներում և գործընթացներում։ Հեղուկներում սոնոքիմիական ազդեցություններ առաջացնող մեխանիզմը ակուստիկ կավիտացիայի երևույթն է։
Hielscher-ի լաբորատոր և արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերն օգտագործվում են սոնոքիմիական գործընթացների լայն շրջանակում։ Ուլտրաձայնային կավիտացիան ինտենսիվացնում և արագացնում է այնպիսի քիմիական ռեակցիաներ, ինչպիսիք են սինթեզը և կատալիզը։
Սոնոքիմիական ռեակցիաներ
Քիմիական ռեակցիաներում և գործընթացներում կարելի է դիտարկել հետևյալ սոնոքիմիական ազդեցությունները.
- ռեակցիայի արագության մեծացում
- ռեակցիայի արտադրանքի քանակի ավելացում
- էներգիայի ավելի արդյունավետ օգտագործում
- ռեակցիայի ուղու փոփոխման սոնոքիմիական մեթոդներ
- միջֆազային փոխանցման կատալիզատորների արդյունավետության բարձրացում
- միջֆազային փոխանցման կատալիզատորների օգտագործումից խուսափում
- չմաքրված կամ տեխնիկական մաքրության ռեագենտների օգտագործում
- մետաղների և պինդ նյութերի ակտիվացում
- ռեագենտների կամ կատալիզատորների ռեակցիոնունակության բարձրացում (սեղմեք այստեղ՝ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ կատալիզի մասին ավելին կարդալու համար)
- մասնիկների սինթեզի բարելավում
- նանոմասնիկների պատում
7 ուլտրաձայնային հոմոգենիզատոր՝ UIP1000hdT մոդելի (7x 1kW ուլտրաձայնային հզորություն), տեղադրված են որպես սարքախումբ՝ արդյունաբերական մասշտաբով սոնոքիմիական ռեակցիաներ իրականացնելու համար։
Ուլտրաձայնով ինտենսիվացված քիմիական ռեակցիաների առավելությունները
Ուլտրաձայնով խթանվող քիմիական ռեակցիաները գործընթացների ինտենսիվացման հաստատված տեխնոլոգիա են քիմիական սինթեզի և մշակման ոլորտում։ Օգտագործելով ուլտրաձայնային ալիքների հզորությունը՝ այս ռեակցիաները բազմաթիվ առավելություններ են ապահովում ավանդական մեթոդների համեմատ՝ բարելավելով քիմիական կատալիզը և սինթեզը։ Փոխարկման գերարագ ընթացքը, գերազանց ելքերը, բարձր ընտրողականությունը, էներգաարդյունավետության բարելավումը և շրջակա միջավայրի վրա ազդեցության նվազեցումը սոնոքիմիական ռեակցիաների հիմնական առավելություններն են։
Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս ուլտրաձայնով խթանվող ռեակցիաների որոշ ակնառու առավելություններն ավանդական քիմիական ռեակցիաների համեմատ.
| Ռեակցիա | Ռեակցիայի տևողությունը՝ ավանդական մեթոդով |
Ռեակցիայի տևողությունը՝ ուլտրաձայնով |
Ելքը՝ ավանդական մեթոդով (%) |
Ելքը՝ ուլտրաձայնով (%) |
|---|---|---|---|---|
| Դիլս–Ալդերի ցիկլացում | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Ինդանի օքսիդացում՝ ստանալով indane-1-one | 3 h | 3 h | 27%-ից պակաս | 73% |
| Մեթօքսիամինոսիլանի վերականգնում | ռեակցիա չի ընթանում | 3 h | 0% | 100% |
| Երկարաշղթա չհագեցած ճարպաթթուների էսթերների էպօքսիդացում | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Արիլալկանների օքսիդացում | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Նիտրոալկանների Միխայելի միացում միատեղակալված α,β-չհագեցած էսթերներին | 2 օր | 2 h | 85% | 90% |
| 2-octanol միացության օքսիդացում պերմանգանատով | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Խալկոնների սինթեզ Կլայզեն–Շմիդտի կոնդենսացմամբ | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| 2-iodonitrobenzene միացության Ուլմանի զուգակցում | 2 h | 2h | 1,5%-ից պակաս | 70,4% |
| Ռեֆորմատսկու ռեակցիա | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ուլտրաձայնային կավիտացիան հեղուկներում
Կավիտացիան հեղուկում պղպջակների առաջացումն է, աճը և դեպի ներս ուղղված փլուզումը։ Կավիտացիոն փլուզումն առաջացնում է ինտենսիվ տեղային տաքացում (~5000 K), բարձր ճնշումներ (~1000 atm), տաքացման և սառեցման հսկայական արագություններ (>10⁹ K/sec) և հեղուկի շիթային հոսքեր (~400 km/h)։ (Suslick 1998)
Կավիտացիա՝ հետևյալ սարքի կիրառմամբ՝ UIP1000hd:
Կավիտացիոն պղպջակները վակուումային պղպջակներ են։ Վակուումն առաջանում է մի կողմից արագ շարժվող մակերևույթի, իսկ մյուս կողմից՝ իներցիա ունեցող հեղուկի ազդեցությամբ։ Արդյունքում առաջացող ճնշման տարբերությունները ծառայում են հեղուկի ներսում կոհեզիայի և ադհեզիայի ուժերը հաղթահարելուն։
Կավիտացիա կարելի է առաջացնել տարբեր եղանակներով, օրինակ՝ Վենտուրիի վարդակներով, բարձր ճնշման վարդակներով, մեծ արագությամբ պտույտով կամ ուլտրաձայնային փոխակերպիչներով։ Այս բոլոր համակարգերում մուտքային էներգիան փոխակերպվում է շփման, տուրբուլենտության, ալիքների և կավիտացիայի։ Մուտքային էներգիայի՝ կավիտացիայի փոխակերպվող բաժինը կախված է մի քանի գործոններից, որոնք նկարագրում են հեղուկում կավիտացիա առաջացնող սարքավորման շարժումը։
Արագացման ինտենսիվությունն էներգիան կավիտացիայի արդյունավետ փոխակերպելու վրա ազդող ամենակարևոր գործոններից մեկն է։ Ավելի մեծ արագացումն առաջացնում է ճնշման ավելի մեծ տարբերություններ։ Սա իր հերթին մեծացնում է վակուումային պղպջակների առաջացման հավանականությունը՝ հեղուկով տարածվող ալիքների առաջացման փոխարեն։ Այսպիսով, որքան մեծ է արագացումը, այնքան մեծ է էներգիայի՝ կավիտացիայի փոխակերպվող բաժինը։ Ուլտրաձայնային փոխակերպիչի դեպքում արագացման ինտենսիվությունը նկարագրվում է տատանման ամպլիտուդով։
Ավելի մեծ ամպլիտուդները հանգեցնում են կավիտացիայի ավելի արդյունավետ առաջացման։ Hielscher Ultrasonics-ի արդյունաբերական սարքերը կարող են ապահովել մինչև 115 µm ամպլիտուդներ։ Այս մեծ ամպլիտուդները թույլ են տալիս ապահովել հզորության փոխանցման բարձր գործակից, ինչն իր հերթին հնարավորություն է տալիս ստանալ մինչև 100 W/cm³ հզորության բարձր խտություններ։
Բացի ինտենսիվությունից, հեղուկը պետք է արագացվի այնպես, որ տուրբուլենտության, շփման և ալիքների առաջացման հետևանքով կորուստները լինեն նվազագույն։ Դրա համար շարժման օպտիմալ ուղղությունը միակողմանի է։
16 000 վատտ հզորությամբ ուլտրաձայնային ռեակտոր՝ սոնոքիմիապես ուժեղացված հոսքային տրանսէսթերիֆիկացման համար։
- ակտիվացված մետաղների ստացումը՝ մետաղների աղերի վերականգնմամբ
- ակտիվացված մետաղների ստացումը՝ ուլտրաձայնային մշակմամբ
- մասնիկների սոնոքիմիական սինթեզը՝ մետաղների (Fe, Cr, Mn, Co) օքսիդների նստեցմամբ, օրինակ՝ որպես կատալիզատորներ օգտագործելու համար
- կրիչների ներծծումը մետաղներով կամ մետաղների հալոգենիդներով
- ակտիվացված մետաղների լուծույթների պատրաստումը
- մետաղների մասնակցությամբ ռեակցիաները՝ տեղում առաջացող տարրօրգանական մասնիկների միջոցով
- ոչ մետաղական պինդ նյութերի մասնակցությամբ ռեակցիաները
- մետաղների, համաձուլվածքների, zeolithes և այլ պինդ նյութերի բյուրեղացումն ու նստեցումը
- մակերևույթի մորֆոլոգիայի և մասնիկների չափի փոփոխումը՝ մեծ արագությամբ միջմասնիկային բախումների միջոցով
- ամորֆ նանոկառուցվածքային նյութերի ձևավորումը, ներառյալ մեծ մակերես ունեցող անցումային մետաղները, համաձուլվածքները, կարբիդները, օքսիդները և կոլոիդները
- բյուրեղների ագլոմերացումը
- պասիվացնող օքսիդային ծածկույթի հարթեցումն ու հեռացումը
- փոքր մասնիկների միկրոմանիպուլյացիան (ֆրակցիոնացումը)
- պինդ նյութերի դիսպերսումը
- կոլոիդների պատրաստումը (Ag, Au, Q չափի CdS)
- հյուր մոլեկուլների ինտերկալացումը հյուրընկալող անօրգանական շերտավոր պինդ նյութերի մեջ
- պոլիմերների սոնոքիմիան
- պոլիմերների քայքայումն ու փոփոխումը
- պոլիմերների սինթեզը
- ջրում օրգանական աղտոտիչների սոնոլիզը
Սոնոքիմիական սարքավորումներ
Նշված սոնոքիմիական գործընթացների մեծ մասը կարելի է վերազինել՝ հոսքային ռեժիմով աշխատելու համար։ Մենք սիրով կօգնենք ձեզ ընտրել ձեր մշակման կարիքներին համապատասխան սոնոքիմիական սարքավորումներ։ Հետազոտությունների և գործընթացների փորձարկման համար խորհուրդ ենք տալիս մեր լաբորատոր սարքերը կամ UIP1000hdT հավաքածուն։
Անհրաժեշտության դեպքում հասանելի են FM և ATEX հավաստագրում ունեցող ուլտրաձայնային սարքեր և ռեակտորներ (օրինակ՝ UIP1000-Exd)՝ վտանգավոր միջավայրերում դյուրավառ քիմիական նյութերի և արտադրանքի բաղադրությունների ուլտրաձայնային մշակման համար։
Ուլտրաձայնային կավիտացիան փոխում է օղակի բացման ռեակցիաները
Ուլտրաձայնային մշակումը ջերմության, ճնշման, լույսի կամ էլեկտրականության այլընտրանքային մեխանիզմ է՝ քիմիական ռեակցիաներ հարուցելու համար։ Ջեֆրի Ս. Մուրը, Չարլզ Ռ. Հիքենբոթը և նրանց թիմը՝ Ուրբանա-Շամպեյնի Իլինոյսի համալսարանի քիմիայի ֆակուլտետում, օգտագործեցին ուլտրաձայնային հզորությունը՝ օղակի բացման ռեակցիաները հարուցելու և կառավարելու համար։ Ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում քիմիական ռեակցիաների արդյունքում առաջացան օրբիտալային համաչափության կանոններով կանխատեսվածներից տարբերվող արգասիքներ (Nature 2007, 446, 423)։ Խումբը մեխանիկական ազդեցության նկատմամբ զգայուն 1,2-disubstituted benzocyclobutene իզոմերները միացրեց պոլիէթիլենգլիկոլի երկու շղթաների, կիրառեց ուլտրաձայնային էներգիա և լուծույթների ամբողջ ծավալը վերլուծեց C13 միջուկային մագնիսական ռեզոնանսի սպեկտրոսկոպիայի միջոցով։ Սպեկտրները ցույց տվեցին, որ և՛ ցիս, և՛ տրանս իզոմերները տալիս են օղակի բացմամբ ստացվող նույն արգասիքը, որն ակնկալվում էր տրանս իզոմերից։ Մինչ ջերմային էներգիան առաջացնում է ռեագենտների պատահական բրոունյան շարժում, ուլտրաձայնային մշակման մեխանիկական էներգիան ուղղություն է հաղորդում ատոմների շարժումներին։ Հետևաբար, կավիտացիոն ազդեցությունները արդյունավետորեն ուղղորդում են էներգիան՝ դեֆորմացնելով մոլեկուլը և վերաձևավորելով պոտենցիալ էներգիայի մակերևույթը։
Զոնդային ուլտրաձայնային սարքերը, ինչպիսին է UP400St-ը , ինտենսիվացնում են նանոմասնիկների սինթեզը։ Սոնոքիմիական ուղին պարզ է, արդյունավետ, արագ և թույլ է տալիս ոչ թունավոր քիմիական նյութերով աշխատել մեղմ պայմաններում։
Բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքեր սոնոքիմիայի համար
Hielscher Ultrasonics-ը մատակարարում է ուլտրաձայնային պրոցեսորներ լաբորատորիաների և արդյունաբերության համար։ Hielscher-ի բոլոր ուլտրաձայնային սարքերը շատ հզոր և ամուր սարքավորումներ են՝ նախատեսված լրիվ բեռնվածությամբ անընդհատ 24/7 աշխատանքի համար։ Թվային կառավարումը, ծրագրավորվող կարգավորումները, ջերմաստիճանի վերահսկումը, տվյալների ավտոմատ գրանցումը և զննարկչով հեռակառավարումը Hielscher-ի ուլտրաձայնային սարքերի հնարավորություններից ընդամենը մի քանիսն են։ Hielscher Ultrasonics-ի սարքավորումները նախագծված են բարձր արտադրողականության և հարմարավետ շահագործման համար, իսկ օգտվողները գնահատում են դրանց անվտանգ և հեշտ օգտագործումը։ Hielscher-ի արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորներն ապահովում են մինչև 200µm ամպլիտուդներ և իդեալական են ծանր աշխատանքային պայմաններում կիրառությունների համար։ Նույնիսկ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման կարողության մասին․
| Խմբաքանակի ծավալը | Հոսքի ծավալային արագությունը | Առաջարկվող սարքերը |
|---|---|---|
| 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. | ավելի մեծ | համախումբ՝ կազմված UIP16000 սարքերից |
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Hielscher Ultrasonics-ը արտադրում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբներով խառնման, դիսպերսման, էմուլգացման և էքստրակցիայի կիրառությունների համար։
Գրականություն / Հղումներ
- 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.
Hielscher Ultrasonics-ը արտադրում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր չափերից մինչև արդյունաբերական չափեր։