Reaktor Sonokimia dan Sonokimia

Sonochemistry adalah bidang kimia di mana ultrasound intensitas tinggi digunakan untuk menginduksi, mempercepat dan memodifikasi reaksi kimia (sintesis, katalisis, degradasi, polimerisasi, hidrolisis dll.). Kavitasi ultrasonically dihasilkan ditandai dengan kondisi padat energi yang unik, yang mempromosikan dan mengintensifkan reaksi kimia. Tingkat reaksi yang lebih cepat, hasil yang lebih tinggi dan penggunaan reagen hijau yang lebih ringan mengubah sonokimia menjadi alat yang sangat menguntungkan untuk mendapatkan reaksi kimia yang lebih baik.

Sonochemistry

Sonochemistry adalah bidang penelitian dan pengolahan di mana molekul mengalami reaksi kimia karena penerapan ultrasonikasi intensitas tinggi (misalnya, 20 kHz). Fenomena yang bertanggung jawab atas reaksi sonokimia adalah kavitasi akustik. Kavitasi akustik atau ultrasonik terjadi ketika gelombang ultrasound yang kuat digabungkan menjadi cairan atau bubur. Karena siklus tekanan tinggi / tekanan rendah bergantian yang disebabkan oleh gelombang ultrasound daya dalam cairan, gelembung vakum (kekosongan kavitasi) dihasilkan, yang tumbuh selama beberapa siklus tekanan. Ketika gelembung vakum kavitasi mencapai ukuran tertentu di mana ia tidak dapat menyerap lebih banyak energi, gelembung vakum meledak dengan keras dan menciptakan titik panas yang sangat padat energi. Titik panas yang terjadi secara lokal ini ditandai dengan suhu yang sangat tinggi, tekanan dan streaming mikro jet cair yang sangat cepat.

Kavitasi Akustik dan Efek Ultrasonication Intensitas Tinggi

Kavitasi akustik, sering juga disebut kavitasi ultrasonik, dapat dibedakan menjadi dua bentuk, kavitasi stabil dan sementara. Selama kavitasi yang stabil, gelembung kavitasi berosilasi berkali-kali di sekitar radius keseimbangannya, sementara selama kavitasi sementara, di mana gelembung berumur pendek mengalami perubahan volume dramatis dalam beberapa siklus akustik dan berakhir dalam keruntuhan kekerasan (Suslick 1988). Kavitasi yang stabil dan sementara dapat terjadi secara bersamaan dalam larutan dan gelembung yang mengalami kavitasi yang stabil dapat menjadi rongga sementara. Ledakan gelembung, yang merupakan karakteristik untuk kavitasi sementara dan sonikasi intensitas tinggi, menciptakan berbagai kondisi fisik termasuk suhu yang sangat tinggi 5000-25.000 K, tekanan hingga beberapa bar 1000, dan aliran cair dengan kecepatan hingga 1000m / s. Karena runtuh / ledakan gelembung kavitasi terjadi dalam kurang dari nanodetik, tingkat pemanasan dan pendinginan yang sangat tinggi lebih dari 10¹¹ K/s dapat diamati. Tingkat pemanasan yang tinggi dan diferensial tekanan seperti itu dapat memulai dan mempercepat reaksi. Mengenai aliran cairan yang terjadi, mikrojet berkecepatan tinggi ini menunjukkan manfaat yang sangat tinggi dalam hal bubur padat-cair heterogen. Jet cair menghambat permukaan dengan suhu penuh dan tekanan gelembung runtuh dan menyebabkan erosi melalui tabrakan interpartikel serta pencairan lokal. Akibatnya, perpindahan massa yang meningkat secara signifikan dalam solusi diamati.

Kavitasi ultrasonik paling efektif dihasilkan dalam cairan dan pelarut kecerdasan tekanan uap rendah. Oleh karena itu, media dengan tekanan uap rendah menguntungkan untuk aplikasi sonochemical.
Sebagai hasil dari kavitasi ultrasonik, kekuatan intens yang diciptakan dapat beralih jalur reaksi ke rute yang lebih efisien, sehingga konversi yang lebih lengkap dan / atau produksi produk sampingan yang tidak diinginkan dihindari.
Ruang padat energi yang diciptakan oleh runtuhnya gelembung kavitasi disebut hot-spot. Ultrasound frekuensi rendah dan berdaya tinggi dalam kisaran 20kHz dan kemampuan untuk menciptakan amplitudo tinggi mapan untuk generasi titik panas yang intens dan kondisi sonochemical yang menguntungkan.

Peralatan laboratorium ultrasonik serta reaktor ultrasonik industri untuk proses sonokimia komersial tersedia dan terbukti dapat diandalkan, efisien, dan ramah lingkungan pada laboratorium, percontohan dan skala industri penuh. Reaksi sonochemical dapat dilakukan sebagai batch (yaitu, kapal terbuka) atau proses in-line menggunakan reaktor sel aliran tertutup.

sono-sintesis

Sono-sintesis atau sintesis sonokimia adalah aplikasi kavitasi ultrasonically yang dihasilkan untuk memulai dan mempromosikan reaksi kimia. Ultrasonication berdaya tinggi (misalnya, pada 20 kHz) menunjukkan efek yang kuat pada molekul dan ikatan kimia. Misalnya, efek sonokimia yang dihasilkan dari sonikasi intens dapat mengakibatkan pemisahan molekul, menciptakan radikal bebas, dan / atau beralih jalur kimia. Oleh karena itu sintesis sonochemical secara intens digunakan untuk fabrikasi atau modifikasi berbagai bahan nano-terstruktur. Contoh untuk nanomaterial yang diproduksi melalui sono-synthesis adalah nanopartikel (NPs) (misalnya, NPs emas, NPs perak), pigmen, partikel nano inti-shell, nano-hidroksyapatit, kerangka kerja organik logam (MOF), bahan farmasi aktif (API), mikrosfer dihiasi nanopartikel, nano-komposit di antara banyak bahan lainnya.
Contoh: Transesterifikasi ultrasonik dari Fatty Acid Methyl Esters (biodiesel) atau transesterifikasi poliol menggunakan ultrasound.

Gambar TEM (A) dan distribusi ukuran partikelnya (B) nanopartikel perak (Ag-NPs), yang telah disintesis secara sonochemically dalam kondisi optimal.

Juga banyak diterapkan adalah kristalisasi ultrasonically dipromosikan (sono-kristalisasi), di mana power-ultrasound adalah digunakan untuk menghasilkan solusi tak jenuh, untuk memulai kristalisasi / curah hujan, dan mengontrol ukuran kristal dan morfologi melalui parameter proses ultrasonik. Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang kristalisasi sono!

Katalis Sono

Sonikasi suspensi kimia atau larutan dapat secara signifikan meningkatkan reaksi kataliptik. Energi sonokimia mengurangi waktu reaksi, meningkatkan panas dan perpindahan massa, yang kemudian menghasilkan peningkatan konstanta tingkat kimia, hasil, dan kesuslihan.
Ada banyak proses katarak, yang mendapat manfaat drastis dari penerapan ultrasound daya dan efek sonokimianya. Setiap reaksi katalisis transfer fase heterogen (PTC) yang melibatkan dua atau lebih cairan yang tidak dapat diimisikan atau komposisi padat cairan, manfaat dari sonikasi, energi sonokimia dan peningkatan perpindahan massa.
Misalnya, analisis komparatif oksidasi penyapam dan ultrasonically dibantu katalisistik peroksida fenol dalam air mengungkapkan bahwa sonikasi mengurangi penghalang energi reaksi, tetapi tidak berdampak pada jalur reaksi. Energi aktivasi untuk oksidasi fenol atas RuI₃ katalis selama sonikasi ditemukan 13 kJ mol^-1, yang empat kali lebih kecil dibandingkan dengan proses oksidasi diam (57 kJ mol^-1). (Rokhina dkk, 2010)
Katalisis sonochemical berhasil digunakan untuk fabrikasi produk kimia serta pembuatan bahan anorganik mikron dan nano terstruktur seperti logam, paduan, senyawa logam, bahan non-logam, dan komposit anorganik. Contoh umum ptc ultrasonically dibantu adalah transesterifikasi asam lemak bebas menjadi metil ester (biodiesel), hidrolisis, saponifikasi minyak nabati, reaksi sono-Fenton (proses seperti Fenton), degradasi sonocatalytic dll.
Baca lebih lanjut tentang sono-katalisis dan aplikasi tertentu!
Sonikasi meningkatkan kimia klik seperti reaksi sikloaddisi azida-alkyne!

Aplikasi Sonochemical Lainnya

Karena penggunaan, keandalan, dan pengoperasiannya yang serbaguna, sistem sonochemical seperti UP400St atau UIP2000hdT dihargai sebagai peralatan yang efisien untuk reaksi kimia. Hielscher Ultrasonics perangkat sonochemical dapat dengan mudah digunakan untuk batch (open beaker) dan sonikasi inline terus menerus menggunakan sel aliran sonochemical. Sonokimia termasuk sono-sintesis, sono-katalisis, degradasi, atau polimerisasi banyak digunakan dalam kimia, nanoteknologi, ilmu material, farmasi, mikrobiologi serta di industri lain.

Peralatan Sonokimia Berkinerja Tinggi

Hielscher Ultrasonics adalah pemasok utama anda dari inovatif, canggih ultrasonicators, sel aliran sonochemical, reaktor dan aksesoris untuk reaksi sonochemical efisien dan andal. Semua ultrasonicators Hielscher dirancang secara eksklusif, diproduksi dan diuji di kantor pusat Hielscher Ultrasonics di Teltow (dekat Berlin), Jerman. Selain standar teknis tertinggi dan ketahanan yang luar biasa dan operasi 24/7/365 untuk operasi yang sangat efisien, ultrasonicators Hielscher mudah dan dapat diandalkan untuk beroperasi. Efisiensi tinggi, perangkat lunak pintar, menu intuitif, protokol data otomatis dan remote control browser hanyalah beberapa fitur yang membedakan Hielscher Ultrasonics dari produsen peralatan sonochemical lainnya.

Amplitudo yang Dapat Disesuaikan Dengan Tepat

Amplitudo adalah perpindahan di bagian depan (ujung) sonotrode (juga dikenal sebagai probe ultrasonik atau tanduk) dan merupakan faktor mempengaruhi utama kavitasi ultrasonik. Amplitudo yang lebih tinggi berarti kavitasi yang lebih intens. Intensitas kavitasi yang diperlukan sangat tergantung pada jenis reaksi, reagen kimia yang digunakan dan hasil yang ditargetkan dari reaksi sonochemical tertentu. Ini berarti amplitudo harus dapat disesuaikan dengan tepat untuk menyetel intensitas kavitasi akustik ke tingkat yang ideal. Semua ultrasonicators Hielscher dapat diandalkan dan tepat disesuaikan melalui kontrol digital cerdas ke amplitudo ideal. Tanduk booster juga dapat digunakan untuk mengurangi atau meningkatkan amplitudo secara mekanis. Ultrasonics’ prosesor ultrasonik industri dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrodes ultrasonik yang disesuaikan tersedia.

Kontrol Suhu Yang Tepat Selama Reaksi Sonokimia

Di titik panas kavitasi, suhu yang sangat tinggi dari ribuan derajat Celcius dapat diamati. Namun, suhu ekstrem ini terbatas secara lokal untuk interior menit dan sekitar gelembung kavitasi yang meledak. Dalam larutan massal, kenaikan suhu dari ledakan satu atau beberapa gelembung kavitasi dapat diabaikan. Tetapi sonikasi yang terus menerus dan intens untuk periode yang lebih lama dapat menyebabkan peningkatan inkremental suhu cairan curah. Peningkatan suhu ini berkontribusi pada banyak reaksi kimia dan sering dianggap bermanfaat. Namun, reaksi kimia yang berbeda memiliki suhu reaksi optimal yang berbeda. Ketika bahan peka panas dirawat, kontrol suhu mungkin diperlukan. Untuk memungkinkan kondisi termal yang ideal selama proses sonochemical, Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai solusi canggih untuk kontrol suhu yang tepat selama proses sonochemical, seperti reaktor sonochemical dan sel aliran yang dilengkapi dengan jaket pendingin.
Sel aliran sonokimia dan reaktor kami tersedia dengan jaket pendingin, yang mendukung hilangnya panas yang efektif. Untuk pemantauan suhu terus menerus, ultrasonikator Hielscher dilengkapi dengan sensor suhu pluggable, yang dapat dimasukkan ke dalam cairan untuk mengukur suhu massal secara konstan. Perangkat lunak canggih memungkinkan pengaturan kisaran suhu. Ketika batas suhu terlampaui, ultrasonikator secara otomatis berhenti sampai suhu dalam cairan telah diturunkan ke titik set tertentu dan mulai secara otomatis sonikasi lagi. Semua pengukuran suhu serta data proses ultrasonik penting lainnya secara otomatis dicatat pada kartu SD bawaan dan dapat direvisi dengan mudah untuk kontrol proses.
Suhu adalah parameter penting dari proses sonochemical. Teknologi Hielscher yang diuraikan membantu Anda menjaga suhu aplikasi sonochemical Anda dalam kisaran suhu yang ideal.

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: