Sonokimia dan Reaktor Sonokimia
Sonokimia adalah bidang kimia yang menggunakan ultrasonik berintensitas tinggi untuk menginduksi, mempercepat, dan memodifikasi reaksi kimia (sintesis, katalisis, degradasi, polimerisasi, hidrolisis, dll.). Kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik ditandai oleh kondisi unik dengan kepadatan energi tinggi, yang mendorong dan mengintensifkan reaksi kimia. Laju reaksi yang lebih cepat, rendemen yang lebih tinggi, serta penggunaan reagen yang ramah lingkungan dan lebih ringan menjadikan sonokimia sarana yang sangat menguntungkan untuk meningkatkan reaksi kimia.
Sonokimia
Sonokimia adalah bidang penelitian dan pemrosesan yang membuat molekul mengalami reaksi kimia melalui penerapan ultrasonikasi berintensitas tinggi (misalnya, 20 kHz). Fenomena yang menyebabkan reaksi sonokimia adalah kavitasi akustik. Kavitasi akustik atau ultrasonik terjadi ketika gelombang ultrasonik yang kuat dikopelkan ke dalam cairan atau suspensi padat-cair. Akibat siklus tekanan tinggi / tekanan rendah yang bergantian dan ditimbulkan oleh gelombang ultrasonik berdaya tinggi di dalam cairan, terbentuk gelembung vakum (rongga kavitasi), yang membesar selama beberapa siklus tekanan. Ketika gelembung vakum kavitasi mencapai ukuran tertentu sehingga tidak dapat lagi menyerap energi, gelembung vakum tersebut mengalami implosi hebat dan menciptakan titik panas dengan kepadatan energi yang sangat tinggi. Titik panas yang terjadi secara lokal ini ditandai oleh suhu dan tekanan yang sangat tinggi serta aliran mikro berupa semburan cairan yang sangat cepat.
Reaktor batch tertutup yang terbuat dari baja tahan karat ini dilengkapi dengan ultrasonikator UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Kavitasi Akustik dan Efek Ultrasonikasi Berintensitas Tinggi
Kavitasi akustik, yang juga sering disebut kavitasi ultrasonik, dapat dibedakan menjadi dua bentuk, yaitu kavitasi stabil dan transien. Selama kavitasi stabil, gelembung kavitasi berosilasi berkali-kali di sekitar radius kesetimbangannya, sedangkan selama kavitasi transien, gelembung berumur pendek mengalami perubahan volume yang drastis dalam beberapa siklus akustik dan berakhir dengan keruntuhan hebat (Suslick 1988). Kavitasi stabil dan transien dapat terjadi secara bersamaan dalam larutan, dan gelembung yang mengalami kavitasi stabil dapat berubah menjadi rongga transien. Implosi gelembung, yang merupakan ciri khas kavitasi transien dan sonikasi berintensitas tinggi, menciptakan berbagai kondisi fisik, termasuk suhu sangat tinggi sebesar 5000–25.000 K, tekanan hingga beberapa 1000 bar, dan aliran cairan dengan kecepatan hingga 1000m/s. Karena keruntuhan/implosi gelembung kavitasi terjadi dalam waktu kurang dari satu nanodetik, dapat diamati laju pemanasan dan pendinginan yang sangat tinggi, melebihi 1011 K/s. Laju pemanasan dan perbedaan tekanan yang begitu tinggi dapat memulai dan mempercepat reaksi. Mengenai aliran cairan yang terjadi, semburan mikro berkecepatan tinggi ini memberikan manfaat yang sangat besar pada suspensi padat–cair heterogen. Semburan cairan menghantam permukaan dengan seluruh suhu dan tekanan gelembung yang runtuh, serta menyebabkan erosi melalui tumbukan antarpartikel dan pelelehan lokal. Akibatnya, perpindahan massa dalam larutan meningkat secara signifikan.
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.
Akibat kavitasi ultrasonik, gaya kuat yang tercipta dapat mengalihkan jalur reaksi ke jalur yang lebih efisien, sehingga konversi yang lebih lengkap dan/atau produksi produk samping yang tidak diinginkan dapat dihindari.
Ruang dengan kepadatan energi tinggi yang tercipta akibat keruntuhan gelembung kavitasi disebut titik panas. Ultrasonik berfrekuensi rendah dan berdaya tinggi pada kisaran 20kHz serta kemampuan menghasilkan amplitudo tinggi telah terbukti efektif untuk menghasilkan titik panas yang intens dan kondisi sonokimia yang menguntungkan.
Peralatan laboratorium ultrasonik maupun reaktor ultrasonik industri untuk proses sonokimia komersial tersedia secara luas dan terbukti andal, efisien, serta ramah lingkungan pada skala laboratorium, percontohan, dan industri penuh. Reaksi sonokimia dapat dilakukan sebagai proses batch (yaitu, dalam bejana terbuka) atau proses inline menggunakan reaktor sel alir tertutup.
Sonosintesis
Sonosintesis atau sintesis sonokimia adalah penerapan kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik untuk memulai dan mendorong reaksi kimia. Ultrasonikasi berdaya tinggi (misalnya, pada 20 kHz) memberikan efek kuat pada molekul dan ikatan kimia. Misalnya, efek sonokimia yang dihasilkan dari sonikasi intens dapat memecah molekul, membentuk radikal bebas, dan/atau mengalihkan jalur kimia. Oleh karena itu, sintesis sonokimia digunakan secara intensif untuk pembuatan atau modifikasi berbagai bahan berstruktur nano. Contoh nanomaterial yang dihasilkan melalui sonosintesis adalah nanopartikel (NP) (misalnya, NP emas, NP perak), pigmen, nanopartikel inti-cangkang, nano-hidroksiapatit, kerangka logam-organik (MOF), bahan aktif farmasi (API), nanopartikel yang dihiasi mikrosfer, nanokomposit, serta banyak bahan lainnya.
Contoh: Transesterifikasi ultrasonik metil ester asam lemak (biodiesel) atau transesterifikasi poliol menggunakan ultrasonik.
Citra TEM (A) dan distribusi ukuran partikel (B) nanopartikel perak (Ag-NPs), yang telah disintesis secara sonokimia dalam kondisi optimum.
Kristalisasi yang didorong secara ultrasonik (sonokristalisasi) juga banyak diterapkan. Dalam proses ini, ultrasonik berdaya tinggi digunakan untuk menghasilkan larutan lewat jenuh, memulai kristalisasi / presipitasi, serta mengendalikan ukuran dan morfologi kristal melalui parameter proses ultrasonik. Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang sonokristalisasi!
Sonokatalisis
Sonikasi suspensi atau larutan kimia dapat meningkatkan reaksi katalitik secara signifikan. Energi sonokimia mengurangi waktu reaksi serta meningkatkan perpindahan panas dan massa, yang selanjutnya meningkatkan konstanta laju reaksi kimia, rendemen, dan selektivitas.
Banyak proses katalitik memperoleh manfaat besar dari penerapan ultrasonik berdaya tinggi dan efek sonokimianya. Setiap reaksi katalisis transfer fase (PTC) heterogen yang melibatkan dua atau lebih cairan yang tidak saling bercampur atau komposisi cair-padat memperoleh manfaat dari sonikasi, energi sonokimia, dan peningkatan perpindahan massa.
Misalnya, analisis perbandingan oksidasi fenol dalam air dengan peroksida basah secara katalitik tanpa sonikasi dan dengan bantuan ultrasonik menunjukkan bahwa sonikasi menurunkan penghalang energi reaksi, tetapi tidak memengaruhi jalur reaksi. Energi aktivasi untuk oksidasi fenol menggunakan katalis RuI3 selama sonikasi diketahui sebesar 13 kJ mol-1, yang empat kali lebih kecil dibandingkan dengan proses oksidasi tanpa sonikasi (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
Katalisis sonokimia berhasil digunakan untuk pembuatan produk kimia serta bahan anorganik berstruktur mikro dan nano, seperti logam, paduan, senyawa logam, bahan nonlogam, dan komposit anorganik. Contoh umum PTC berbantuan ultrasonik adalah transesterifikasi asam lemak bebas menjadi metil ester (biodiesel), hidrolisis, saponifikasi minyak nabati, reaksi sono-Fenton (proses menyerupai Fenton), degradasi sonokatalitik, dll.
Baca lebih lanjut tentang sonokatalisis dan aplikasi spesifiknya!
Sonikasi meningkatkan kimia klik seperti reaksi sikloadisi azida-alkuna!
Aplikasi Sonokimia Lainnya
Karena penggunaannya yang serbaguna, keandalan, dan pengoperasiannya 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 sonikasi batch (gelas beker terbuka) dan sonikasi inline kontinu menggunakan sel alir sonokimia. Sonokimia, termasuk sonosintesis, sonokatalisis, degradasi, atau polimerisasi, banyak digunakan dalam kimia, nanoteknologi, ilmu material, farmasi, mikrobiologi, serta industri lainnya.
Ultrasonikator industri UIP2000hdT (2kW) dengan reaktor sonokimia inline.
Peralatan Sonokimia Berkinerja Tinggi
Hielscher Ultrasonics adalah pemasok unggulan Anda untuk ultrasonikator inovatif dan mutakhir, sel alir sonokimia, reaktor, serta aksesori untuk reaksi sonokimia yang efisien dan andal. Semua ultrasonikator Hielscher dirancang, diproduksi, dan diuji secara eksklusif di kantor pusat Hielscher Ultrasonics di Teltow (dekat Berlin), Jerman. Selain memiliki standar teknis tertinggi, ketangguhan luar biasa, dan kemampuan operasi 24/7/365 untuk pengoperasian yang sangat efisien, ultrasonikator Hielscher mudah dan andal dioperasikan. Efisiensi tinggi, perangkat lunak cerdas, menu intuitif, pencatatan data otomatis, serta kendali jarak jauh melalui peramban hanyalah beberapa fitur yang membedakan Hielscher Ultrasonics dari produsen peralatan sonokimia lainnya.
Amplitudo yang Dapat Diatur Secara Presisi
Amplitudo adalah simpangan pada bagian depan (ujung) sonotrode (juga dikenal sebagai probe atau horn ultrasonik) dan merupakan faktor utama yang memengaruhi kavitasi ultrasonik. Amplitudo yang lebih tinggi berarti kavitasi yang lebih intens. Intensitas kavitasi yang dibutuhkan sangat bergantung pada jenis reaksi, reagen kimia yang digunakan, dan hasil yang ditargetkan dari reaksi sonokimia tertentu. Artinya, amplitudo harus dapat diatur secara presisi untuk menyesuaikan intensitas kavitasi akustik ke tingkat ideal. Semua ultrasonikator Hielscher dapat diatur secara andal dan presisi ke amplitudo ideal melalui kendali digital cerdas. Horn penguat juga dapat digunakan untuk menurunkan atau meningkatkan amplitudo secara mekanis. Prosesor ultrasonik industri Ultrasonics dapat menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dijalankan secara kontinu dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang dibuat khusus.
Pengendalian Suhu yang Presisi Selama Reaksi Sonokimia
Pada titik panas kavitasi, dapat diamati suhu yang sangat tinggi hingga ribuan derajat Celsius. Namun, suhu ekstrem ini terbatas secara lokal pada bagian dalam yang sangat kecil dan area sekitar gelembung kavitasi yang mengalami implosi. Dalam keseluruhan larutan, kenaikan suhu akibat implosi satu atau beberapa gelembung kavitasi dapat diabaikan. Namun, sonikasi intens yang kontinu selama periode yang lebih lama dapat menyebabkan kenaikan suhu keseluruhan cairan secara bertahap. Kenaikan suhu ini berkontribusi pada banyak reaksi kimia dan sering dianggap menguntungkan. Namun, reaksi kimia yang berbeda memiliki suhu reaksi optimum yang berbeda. Ketika bahan yang peka terhadap panas diproses, pengendalian suhu mungkin diperlukan. Untuk memungkinkan kondisi termal ideal selama proses sonokimia, Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai solusi canggih untuk pengendalian suhu yang presisi selama proses sonokimia, seperti reaktor sonokimia dan sel alir yang dilengkapi jaket pendingin.
Sel alir dan reaktor sonokimia kami tersedia dengan jaket pendingin, yang mendukung pelepasan panas secara efektif. Untuk pemantauan suhu secara kontinu, ultrasonikator Hielscher dilengkapi dengan sensor suhu yang dapat dihubungkan dan dimasukkan ke dalam cairan untuk mengukur suhu keseluruhan cairan secara terus-menerus. Perangkat lunak canggih memungkinkan pengaturan rentang suhu. Ketika batas suhu terlampaui, ultrasonikator secara otomatis berhenti sementara hingga suhu cairan turun ke titik pengaturan tertentu, lalu secara otomatis memulai sonikasi kembali. Semua pengukuran suhu serta data proses ultrasonik penting lainnya dicatat secara otomatis pada kartu SD bawaan dan dapat ditinjau dengan mudah untuk pengendalian proses.
Suhu merupakan parameter penting dalam proses sonokimia. Teknologi canggih Hielscher membantu Anda mempertahankan suhu aplikasi sonokimia Anda dalam rentang suhu ideal.
- efisiensi tinggi
- teknologi mutakhir
- mudah dan aman dioperasikan
- keandalan & ketangguhan
- batch & inline
- untuk volume berapa pun
- perangkat lunak cerdas
- fitur cerdas (misalnya, pencatatan data)
- CIP (pembersihan di tempat)
Reaktor sonokimia: Sonikasi intens dan kavitasi yang dihasilkannya memulai dan mengintensifkan reaksi kimia, bahkan dapat mengalihkan jalur reaksi.
Tabel di bawah ini 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 |
| n.a. | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lebih besar | gabungan beberapa unit 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.
Contoh Reaksi Kimia yang Ditingkatkan Secara Ultrasonik dibandingkan dengan Reaksi Konvensional
Tabel di bawah ini memberikan gambaran umum beberapa reaksi kimia yang umum. Untuk setiap jenis reaksi, reaksi yang dijalankan secara konvensional dibandingkan dengan reaksi yang diintensifkan secara ultrasonik dari segi rendemen dan kecepatan konversi.
| 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 ada reaksi | 3 h | 0% | 100% |
| Epoksidasi ester lemak tak jenuh berantai panjang | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oksidasi arilalkana | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Adisi Michael nitroalkana pada ester α,β-tak jenuh monosubstitusi | 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 2-iodonitrobenzena | 2 h | 2h | kurang dari 1,5% | 70,4% |
| Reaksi Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(bandingkan dengan Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Diterbitkan pada 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 ukuran laboratorium hingga industri.