Reaksi dan Sintesis Sonokimia
Sonokimia adalah penerapan ultrasonik pada reaksi dan proses kimia. Mekanisme yang menyebabkan efek sonokimia dalam cairan adalah fenomena kavitasi akustik.
Perangkat ultrasonik laboratorium dan industri Hielscher digunakan dalam berbagai proses sonokimia. Kavitasi ultrasonik mengintensifkan dan mempercepat reaksi kimia seperti sintesis dan katalisis.
Reaksi Sonokimia
Efek sonokimia berikut dapat diamati dalam reaksi dan proses kimia:
- peningkatan kecepatan reaksi
- peningkatan hasil reaksi
- penggunaan energi yang lebih efisien
- metode sonokimia untuk mengalihkan jalur reaksi
- peningkatan kinerja katalis transfer fase
- penghindaran penggunaan katalis transfer fase
- penggunaan reagen mentah atau kelas teknis
- aktivasi logam dan padatan
- peningkatan reaktivitas reagen atau katalis (klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang katalisis berbantuan ultrasonik)
- perbaikan sintesis partikel
- pelapisan nanopartikel
7 homogenizer ultrasonik dengan model UIP1000hdT (daya ultrasonik 7x 1kW) dipasang sebagai klaster untuk reaksi sonokimia pada skala industri.
Keunggulan Reaksi Kimia yang Diintensifkan secara Ultrasonik
Reaksi kimia yang ditingkatkan secara ultrasonik merupakan teknik intensifikasi proses yang telah mapan dalam bidang sintesis dan pemrosesan kimia. Dengan memanfaatkan daya gelombang ultrasonik, reaksi ini menawarkan berbagai keunggulan dibandingkan metode konvensional, sehingga meningkatkan katalisis dan sintesis kimia. Laju konversi yang sangat cepat, rendemen yang sangat baik, selektivitas yang lebih tinggi, efisiensi energi yang lebih baik, dan dampak lingkungan yang lebih rendah merupakan keunggulan utama reaksi sonokimia.
Tabel di bawah menunjukkan beberapa keunggulan utama reaksi yang ditingkatkan secara ultrasonik dibandingkan reaksi kimia konvensional:
| Reaksi | Waktu Reaksi Konvensional |
Waktu Reaksi Ultrasonik |
Rendemen Konvensional (%) |
Rendemen Ultrasonik (%) |
|---|---|---|---|---|
| Siklisasi Diels-Alder | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oksidasi indana menjadi indan-1-on | 3 h | 3 h | kurang dari 27% | 73% |
| Reduksi metoksiaminosilana | tidak terjadi reaksi | 3 h | 0% | 100% |
| Epoksidasi ester lemak tak jenuh rantai panjang | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oksidasi arilalkana | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Adisi Michael nitroalkana pada ester α,β-tak jenuh tersubstitusi tunggal | 2 hari | 2 h | 85% | 90% |
| Oksidasi 2-oktanol dengan permanganat | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Sintesis kalkon melalui kondensasi Claisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Penggandengan Ullmann pada 2-iodonitrobenzena | 2 h | 2h | kurang dari 1,5% | 70,4% |
| Reaksi Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Kavitasi Ultrasonik dalam Cairan
Kavitasi adalah pembentukan, pertumbuhan, dan keruntuhan implosif gelembung dalam cairan. Keruntuhan kavitasi menghasilkan pemanasan lokal yang intens (~5000 K), tekanan tinggi (~1000 atm), serta laju pemanasan dan pendinginan yang sangat tinggi (>10⁹ K/sec) dan semburan cairan (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitasi menggunakan UIP1000hd:
Gelembung kavitasi adalah gelembung vakum. Vakum terbentuk oleh permukaan yang bergerak cepat di satu sisi dan cairan yang bersifat inersial di sisi lainnya. Perbedaan tekanan yang dihasilkan berfungsi mengatasi gaya kohesi dan adhesi di dalam cairan.
Kavitasi dapat dihasilkan dengan berbagai cara, seperti nosel Venturi, nosel bertekanan tinggi, rotasi berkecepatan tinggi, atau transduser ultrasonik. Dalam semua sistem tersebut, energi masukan diubah menjadi gesekan, turbulensi, gelombang, dan kavitasi. Fraksi energi masukan yang diubah menjadi kavitasi bergantung pada beberapa faktor yang menggambarkan pergerakan peralatan penghasil kavitasi di dalam cairan.
Intensitas percepatan merupakan salah satu faktor terpenting yang memengaruhi efisiensi perubahan energi menjadi kavitasi. Percepatan yang lebih tinggi menciptakan perbedaan tekanan yang lebih tinggi. Hal ini pada gilirannya meningkatkan kemungkinan terbentuknya gelembung vakum alih-alih gelombang yang merambat melalui cairan. Dengan demikian, semakin tinggi percepatan, semakin besar fraksi energi yang diubah menjadi kavitasi. Pada transduser ultrasonik, intensitas percepatan digambarkan oleh amplitudo osilasi.
Amplitudo yang lebih tinggi menghasilkan pembentukan kavitasi yang lebih efektif. Perangkat industri Hielscher Ultrasonics dapat menghasilkan amplitudo hingga 115 µm. Amplitudo tinggi ini memungkinkan rasio transmisi daya yang tinggi, yang pada gilirannya memungkinkan terciptanya densitas daya tinggi hingga 100 W/cm³.
Selain intensitasnya, cairan harus dipercepat dengan cara yang meminimalkan kehilangan energi akibat turbulensi, gesekan, dan pembentukan gelombang. Untuk itu, cara optimal adalah pergerakan satu arah.
Reaktor ultrasonik berdaya 16.000 watt untuk transesterifikasi inline yang ditingkatkan secara sonokimia.
- pembuatan logam teraktivasi melalui reduksi garam logam
- pembentukan logam teraktivasi melalui sonikasi
- sintesis sonokimia partikel melalui pengendapan oksida logam (Fe, Cr, Mn, Co), misalnya untuk digunakan sebagai katalis
- impregnasi logam atau halida logam pada penyangga
- pembuatan larutan logam teraktivasi
- reaksi yang melibatkan logam melalui spesies organoelemen yang dihasilkan secara in situ
- reaksi yang melibatkan padatan nonlogam
- kristalisasi dan pengendapan logam, paduan, zeolit, dan padatan lainnya
- modifikasi morfologi permukaan dan ukuran partikel melalui tumbukan antarpartikel berkecepatan tinggi
- pembentukan material amorf berstruktur nano, termasuk logam transisi dengan luas permukaan tinggi, paduan, karbida, oksida, dan koloid
- aglomerasi kristal
- penghalusan dan penghilangan lapisan oksida yang menyebabkan pasivasi
- mikromanipulasi (fraksinasi) partikel kecil
- dispersi padatan
- pembuatan koloid (Ag, Au, CdS berukuran Q)
- interkalasi molekul tamu ke dalam padatan anorganik berlapis sebagai inang
- sonokimia polimer
- degradasi dan modifikasi polimer
- sintesis polimer
- sonolisis polutan organik dalam air
Peralatan Sonokimia
Sebagian besar proses sonokimia yang disebutkan dapat dimodifikasi agar beroperasi secara inline. Kami dengan senang hati membantu Anda memilih peralatan sonokimia untuk kebutuhan pemrosesan Anda. Untuk penelitian dan pengujian proses, kami merekomendasikan perangkat laboratorium kami atau set UIP1000hdT.
Jika diperlukan, perangkat dan reaktor ultrasonik bersertifikasi FM dan ATEX (misalnya UIP1000-Exd) tersedia untuk sonikasi bahan kimia dan formulasi produk yang mudah terbakar di lingkungan berbahaya.
Kavitasi Ultrasonik Mengubah Reaksi Pembukaan Cincin
Ultrasonikasi merupakan mekanisme alternatif bagi panas, tekanan, cahaya, atau listrik untuk memulai reaksi kimia. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth, dan tim mereka di Fakultas Kimia University of Illinois at Urbana-Champaign menggunakan daya ultrasonik untuk memicu dan memanipulasi reaksi pembukaan cincin. Di bawah sonikasi, reaksi kimia menghasilkan produk yang berbeda dari yang diprediksi oleh aturan simetri orbital (Nature 2007, 446, 423). Kelompok tersebut menghubungkan isomer benzosiklobutena 1,2-disubstitusi yang peka secara mekanis dengan dua rantai polietilena glikol, menerapkan energi ultrasonik, dan menganalisis larutan secara keseluruhan menggunakan spektroskopi resonansi magnetik inti C13 . Spektrum menunjukkan bahwa isomer cis maupun trans menghasilkan produk pembukaan cincin yang sama, yaitu produk yang diharapkan dari isomer trans. Sementara energi termal menyebabkan gerak Brown acak pada reaktan, energi mekanis ultrasonikasi memberikan arah pada gerakan atom. Oleh karena itu, efek kavitasi secara efisien mengarahkan energi dengan meregangkan molekul, sehingga membentuk ulang permukaan energi potensial.
Ultrasonikator tipe probe seperti UP400St mengintensifkan sintesis nanopartikel. Jalur sonokimia ini sederhana, efektif, cepat, dan bekerja dengan bahan kimia nontoksik dalam kondisi ringan.
Ultrasonikator Berkinerja Tinggi untuk Sonokimia
Hielscher Ultrasonics memasok prosesor ultrasonik untuk laboratorium dan industri. Semua ultrasonikator Hielscher merupakan mesin ultrasonik yang sangat bertenaga dan tangguh serta dibuat untuk pengoperasian kontinu 24/7 pada beban penuh. Kontrol digital, pengaturan yang dapat diprogram, pemantauan suhu, pencatatan data otomatis, dan kontrol jarak jauh melalui peramban hanyalah beberapa fitur ultrasonikator Hielscher. Pengguna menghargai penanganan peralatan Hielscher Ultrasonics yang aman dan mudah, yang dirancang untuk kinerja tinggi dan pengoperasian yang nyaman. Prosesor ultrasonik industri Hielscher menghasilkan amplitudo hingga 200µm dan ideal untuk aplikasi tugas berat. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang disesuaikan dengan kebutuhan.
Tabel di bawah memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10 hingga 200mL/min | UP100H |
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| tidak berlaku | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| tidak berlaku | lebih besar | klaster UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi, dan ekstraksi pada skala laboratorium, percontohan, dan industri.
Literatur / Referensi
- 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 memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi mulai dari skala laboratorium hingga industri.