Reaktor Sonokimia dan Sonokimia
Sonokimia adalah bidang kimia di mana ultrasound intensitas tinggi digunakan untuk menginduksi, mempercepat, dan memodifikasi reaksi kimia (sintesis, katalisis, degradasi, polimerisasi, hidrolisis, dll.). Kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik ditandai dengan kondisi padat energi yang unik, yang mempromosikan dan mengintensifkan reaksi kimia. Laju 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
Sonokimia adalah bidang penelitian dan pemrosesan 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 yang bergantian yang disebabkan oleh gelombang ultrasound daya dalam cairan, gelembung vakum (rongga 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, tekanan, dan aliran mikro jet cair yang sangat cepat.

Reaktor batch tertutup yang terbuat dari baja tahan karat dilengkapi dengan ultrasonicator UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Kavitasi Akustik dan Efek Ultrasonikasi Intensitas Tinggi
Kavitasi akustik, sering juga disebut kavitasi ultrasonik, dapat dibedakan menjadi dua bentuk, kavitasi stabil dan transien. Selama kavitasi stabil, gelembung kavitasi berosilasi berkali-kali di sekitar radius kesetimbangannya, sedangkan selama kavitasi sementara, di mana gelembung berumur pendek mengalami perubahan volume dramatis dalam beberapa siklus akustik dan berakhir dengan keruntuhan yang hebat (Suslick 1988). Kavitasi stabil dan transien dapat terjadi secara bersamaan dalam larutan dan gelembung yang mengalami kavitasi stabil dapat menjadi rongga sementara. Ledakan gelembung, yang merupakan karakteristik untuk kavitasi transien dan sonikasi intensitas tinggi, menciptakan berbagai kondisi fisik termasuk suhu yang sangat tinggi 5000-25.000 K, tekanan hingga beberapa 1000 bar, dan aliran cairan dengan kecepatan hingga 1000m / s. Karena keruntuhan/ledakan gelembung kavitasi terjadi dalam waktu kurang dari satu nanodetik, laju pemanasan dan pendinginan yang sangat tinggi lebih dari 1011 K/s dapat diamati. Laju pemanasan dan perbedaan tekanan yang tinggi seperti itu dapat memulai dan mempercepat reaksi. Mengenai aliran cairan yang terjadi, microjet berkecepatan tinggi ini menunjukkan manfaat yang sangat tinggi dalam hal bubur padat-cair yang heterogen. Jet cairan menabrak permukaan dengan suhu dan tekanan penuh dari gelembung yang runtuh dan menyebabkan erosi melalui tabrakan antarpartikel serta peleburan lokal. Akibatnya, perpindahan massa yang meningkat secara signifikan dalam larutan diamati.
Kavitasi ultrasonik paling efektif dihasilkan dalam cairan dan pelarut dengan tekanan uap rendah. Oleh karena itu, media dengan tekanan uap rendah menguntungkan untuk aplikasi sonokimia.
Sebagai hasil dari kavitasi ultrasonik, gaya intens yang diciptakan dapat mengalihkan jalur reaksi ke rute yang lebih efisien, sehingga konversi yang lebih lengkap dan/atau produksi produk sampingan yang tidak diinginkan dapat dihindari.
Ruang padat energi yang diciptakan oleh runtuhnya gelembung kavitasi disebut hot-spot. Ultrasonografi frekuensi rendah, daya tinggi dalam kisaran 20kHz dan kemampuan untuk menciptakan amplitudo tinggi sudah mapan untuk menghasilkan titik panas yang intens dan kondisi sonokimia yang menguntungkan.
Peralatan laboratorium ultrasonik serta reaktor ultrasonik industri untuk proses sonokimia komersial sudah tersedia dan terbukti dapat diandalkan, efisien, dan ramah lingkungan pada lab, percontohan, dan skala industri penuh. Reaksi sonokimia dapat dilakukan sebagai batch (yaitu, bejana terbuka) atau proses in-line menggunakan reaktor sel aliran tertutup.
sono-sintesis
Sintesis sono atau sintesis sonokimia adalah penerapan kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik untuk memulai dan mempromosikan reaksi kimia. Ultrasonikasi daya tinggi (misalnya, pada 20 kHz) menunjukkan efek 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 sonokimia sangat digunakan untuk fabrikasi atau modifikasi berbagai bahan berstruktur nano. Contoh untuk bahan nano yang diproduksi melalui sono-sintesis adalah nanopartikel (NP) (misalnya, NP emas, NP perak), pigmen, partikel nano cangkang inti, nano-hidroksiapatit,, kerangka kerja organik logam (MOF), bahan farmasi aktif (API), nanopartikel yang dihiasi mikrosfer, nano-komposit di antara banyak bahan lainnya.
Contoh: Transesterifikasi ultrasonik Asam Lemak Metil Ester (biodiesel) atau Transesterifikasi poliol menggunakan ultrasound.

Gambar TEM (A) dan distribusi ukuran partikel (B) nanopartikel perak (Ag-NP), yang telah disintesis secara sonokimia dalam kondisi optimal.
Juga banyak diterapkan adalah kristalisasi yang dipromosikan secara ultrasonik (sono-kristalisasi), di mana power-ultrasound digunakan untuk menghasilkan larutan jenuh super, untuk memulai kristalisasi / presipitasi, dan mengontrol ukuran kristal dan morfologi melalui parameter proses ultrasonik. Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang kristalisasi sono!
Katalis Sono
Sonikasi suspensi atau larutan kimia dapat secara signifikan meningkatkan reaksi katalitik. Energi sonokimia mengurangi waktu reaksi, meningkatkan perpindahan panas dan massa, yang selanjutnya menghasilkan peningkatan konstanta laju kimia, hasil, dan selektivitas.
Ada banyak proses katalitik, yang mendapat manfaat secara drastis dari penerapan ultrasound daya dan efek sonokimianya. Setiap reaksi katalisis transfer fase heterogen (PTC) yang melibatkan dua atau lebih cairan yang tidak dapat bercampur atau komposisi cair-padat, mendapat manfaat dari sonikasi, energi sonokimia dan transfer massa yang ditingkatkan.
Misalnya, analisis komparatif oksidasi peroksida basah katalitik diam dan dibantu ultrasonik dari fenol dalam air mengungkapkan bahwa sonikasi mengurangi penghalang energi reaksi, tetapi tidak berdampak pada jalur reaksi. Energi aktivasi untuk oksidasi fenol di atas RuI3 katalis selama sonikasi ditemukan 13 kJ mol-1, yang empat kali lebih kecil dibandingkan dengan proses oksidasi senyap (57 kJ mol-1). (Rokhina dkk, 2010)
Katalisis sonokimia berhasil digunakan untuk fabrikasi produk kimia serta pembuatan bahan anorganik berstruktur mikron dan nano seperti logam, paduan, senyawa logam, bahan non-logam, dan komposit anorganik. Contoh umum PTC yang dibantu ultrasonik adalah transesterifikasi asam lemak bebas menjadi metil ester (biodiesel), hidrolisis, saponifikasi minyak nabati, reaksi sono-Fenton (proses seperti Fenton), degradasi sonokatalitik, dll.
Baca lebih lanjut tentang katalisis sono dan aplikasi khusus!
Sonikasi meningkatkan kimia klik seperti reaksi sikloadisi azida-alkuna!
Aplikasi Sonokimia Lainnya
Karena penggunaannya yang serbaguna, keandalan, dan pengoperasian yang sederhana, sistem sonokimia seperti UP400St atau UIP2000hdT dihargai sebagai peralatan yang efisien untuk reaksi kimia. Perangkat sonokimia Hielscher Ultrasonics dapat dengan mudah digunakan untuk batch (gelas kimia terbuka) dan sonikasi inline kontinu menggunakan sel aliran sonokimia. Sonokimia termasuk sono-sintesis, sono-katalisis, degradasi, atau polimerisasi banyak digunakan dalam kimia, nanoteknologi, ilmu material, farmasi, mikrobiologi serta di industri lainnya.

Ultrasonicator Industri UIP2000hdT (2kW) dengan reaktor inline sonochemical.
Peralatan Sonokimia Berkinerja Tinggi
Hielscher Ultrasonics adalah pemasok utama ultrasonicator yang inovatif dan canggih, sel aliran sonokimia, reaktor, dan aksesori untuk reaksi sonokimia yang efisien dan andal. Semua ultrasonicator Hielscher dirancang secara eksklusif, diproduksi dan diuji di kantor pusat Hielscher Ultrasonics di Teltow (dekat Berlin), Jerman. Selain standar teknis tertinggi dan kekokohan yang luar biasa dan operasi 24/7/365 untuk operasi yang sangat efisien, ultrasonicators Hielscher mudah dan dapat diandalkan untuk dioperasikan. Efisiensi tinggi, perangkat lunak pintar, menu intuitif, protokol data otomatis, dan remote control browser hanyalah beberapa fitur yang membedakan Hielscher Ultrasonics dari produsen peralatan sonokimia lainnya.
Amplitudo yang Dapat Disesuaikan Secara Tepat
Amplitudo adalah perpindahan di bagian depan (ujung) sonotrode (juga dikenal sebagai probe ultrasonik atau tanduk) dan merupakan faktor utama yang mempengaruhi 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 sonokimia tertentu. Ini berarti amplitudo harus dapat disesuaikan secara tepat untuk menyetel intensitas kavitasi akustik ke tingkat yang ideal. Semua ultrasonicator Hielscher dapat disesuaikan dengan andal dan tepat melalui kontrol digital cerdas ke amplitudo ideal. Klakson booster juga dapat digunakan untuk mengurangi atau meningkatkan amplitudo secara mekanis. Ultrasonik’ prosesor ultrasonik industri dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan terus menerus dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia.
Kontrol Suhu yang Tepat Selama Reaksi Sonokimia
Di titik panas kavitasi, suhu yang sangat tinggi ribuan derajat Celcius dapat diamati. Namun, suhu ekstrem ini terbatas secara lokal pada bagian dalam dan sekitarnya dari gelembung kavitasi yang meledak. Dalam larutan curah, kenaikan suhu dari ledakan satu atau beberapa gelembung kavitasi dapat diabaikan. Tetapi sonikasi yang terus menerus dan intens untuk waktu yang lebih lama dapat menyebabkan peningkatan suhu cairan curah secara bertahap. 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 yang sensitif terhadap panas dirawat, kontrol suhu mungkin diperlukan. Untuk memungkinkan kondisi termal yang ideal selama proses sonokimia, Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai solusi canggih untuk kontrol suhu yang tepat selama proses sonokimia, seperti reaktor sonokimia dan sel aliran yang dilengkapi dengan jaket pendingin.
Sel aliran dan reaktor sonokimia kami tersedia dengan jaket pendingin, yang mendukung pembuangan panas yang efektif. Untuk pemantauan suhu terus menerus, ultrasonicators Hielscher dilengkapi dengan sensor suhu yang dapat dicolokkan, yang dapat dimasukkan ke dalam cairan untuk pengukuran suhu curah yang konstan. Perangkat lunak canggih memungkinkan pengaturan kisaran suhu. Ketika batas suhu terlampaui, ultrasonicator secara otomatis berhenti sampai suhu dalam cairan turun ke titik setel tertentu dan mulai secara otomatis sonication lagi. Semua pengukuran suhu serta data proses ultrasonik penting lainnya secara otomatis direkam pada kartu SD bawaan dan dapat direvisi dengan mudah untuk kontrol proses.
Suhu adalah parameter penting dari proses sonokimia. Teknologi terperinci Hielscher membantu Anda menjaga suhu aplikasi sonokimia Anda dalam kisaran suhu yang ideal.
- efisiensi yang sangat tinggi
- Teknologi canggih
- Mudah dan aman dioperasikan
- handal & sangat kuat
- Batch & inline
- untuk volume apa pun
- Perangkat Lunak Cerdas
- Fitur pintar (misalnya, protokol data)
- CIP (bersihkan di tempat)

Reaktor sonokimia: Sonikasi intens dan kavitasi yang dihasilkan memulai dan mengintensifkan reaksi kimia dan bahkan dapat beralih jalur.
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
Batch Volume | Flow Rate | Direkomendasikan perangkat |
---|---|---|
1 hingga 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
10-2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 hingga 20L | 0.2 sampai 4L/min | UIP2000hdT |
10 sampai 100L | 2-10L/min | UIP4000hdT |
n.a. | 10 sampai 100L/menit | UIP16000 |
n.a. | kristal yang lebbig | cluster UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanya Kami!

Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi, dan ekstraksi pada skala laboratorium, percontohan, dan industri.
Contoh untuk Reaksi Kimia yang Ditingkatkan Secara Ultrasonik vs Reaksi Konvensional
Tabel di bawah ini memberikan gambaran umum tentang beberapa reaksi kimia umum. Untuk setiap jenis reaksi, reaksi yang dijalankan secara konvensional vs reaksi yang diintensifkan secara ultrasonik dibandingkan mengenai hasil dan kecepatan konversi.
reaksi | Waktu Reaksi – Konvensional | Waktu Reaksi – Ultrasonics | hasil – Konvensional (%) | hasil – Ultrasonik (%) |
---|---|---|---|---|
Siklisasi Diels-Alder | 35 jam | 3,5 jam | 77.9 | 97.3 |
Oksidasi indane menjadi indane-1-one | 3 jam | 3 jam | kurang dari 27% | 73% |
Pengurangan methoxyaminosilane | tidak ada reaksi | 3 jam | 0% | 100% |
Epoksidasi ester lemak tak jenuh rantai panjang | 2 jam | 15 menit | 48% | 92% |
Oksidasi arylalkana | 4 jam | 4 jam | 12% | 80% |
Michael penambahan nitroalkana ke ester tak jenuh α,β monosubstitusi | 2 hari | 2 jam | 85% | 90% |
Oksidasi permanganat 2-oktanol | 5 jam | 5 jam | 3% | 93% |
Sintesis kalkon dengan kondensasi CLaisen-Schmidt | 60 menit | 10 menit | 5% | 76% |
Kopling UIllmann dari 2-iodonitrobenzene | 2 jam | 2H | kurang cokelat 1.5% | 70.4% |
Reaksi Reformatsky | 12 jam | 30 menit | 50% | 98% |
(lih. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Dasar-dasar Intensifikasi Proses, Edisi Pertama. Diterbitkan 2019 oleh Wiley)
Literatur / Referensi
- 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 memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi dari laboratorium hingga ukuran industri.