Reazioni e sintesi sonochimiche
La sonochimica è l’applicazione degli ultrasuoni alle reazioni e ai processi chimici. Il meccanismo che provoca gli effetti sonochimici nei liquidi è il fenomeno della cavitazione acustica.
I dispositivi a ultrasuoni Hielscher da laboratorio e industriali sono utilizzati in un’ampia gamma di processi sonochimici. La cavitazione ultrasonica intensifica e accelera reazioni chimiche quali la sintesi e la catalisi.
Reazioni sonochimiche
Nelle reazioni e nei processi chimici si possono osservare i seguenti effetti sonochimici:
- aumento della velocità di reazione
- aumento della produzione della reazione
- utilizzo più efficiente dell’energia
- metodi sonochimici per modificare il percorso di reazione
- miglioramento delle prestazioni dei catalizzatori a trasferimento di fase
- eliminazione della necessità di catalizzatori a trasferimento di fase
- utilizzo di reagenti grezzi o di grado tecnico
- attivazione di metalli e solidi
- aumento della reattività dei reagenti o dei catalizzatori (fai clic qui per saperne di più sulla catalisi assistita da ultrasuoni)
- miglioramento della sintesi di particelle
- rivestimento di nanoparticelle
7 omogeneizzatori a ultrasuoni del modello UIP1000hdT (7x 1kW di potenza ultrasonica) installati in un gruppo per reazioni sonochimiche su scala industriale.
Vantaggi delle reazioni chimiche intensificate dagli ultrasuoni
Le reazioni chimiche promosse dagli ultrasuoni rappresentano una tecnica consolidata di intensificazione dei processi nell’ambito della sintesi e del trattamento chimico. Sfruttando la potenza delle onde ultrasoniche, queste reazioni offrono numerosi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali, migliorando la catalisi e la sintesi chimica. Velocità di conversione estremamente elevate, rese eccellenti, maggiore selettività, migliore efficienza energetica e ridotto impatto ambientale sono i principali vantaggi delle reazioni sonochimiche.
La tabella seguente mostra alcuni importanti vantaggi delle reazioni promosse dagli ultrasuoni rispetto alle reazioni chimiche convenzionali:
| Reazione | Tempo di reazione Metodo convenzionale |
Tempo di reazione Ultrasuoni |
Resa Metodo convenzionale (%) |
Resa Ultrasuoni (%) |
|---|---|---|---|---|
| Ciclizzazione di Diels-Alder | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Ossidazione dell’indano a indan-1-one | 3 h | 3 h | meno del 27% | 73% |
| Riduzione del metossiamminosilano | nessuna reazione | 3 h | 0% | 100% |
| Epossidazione degli esteri di acidi grassi insaturi a catena lunga | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Ossidazione degli arilalcani | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Addizione di Michael di nitroalcani a esteri α,β-insaturi monosostituiti | 2 giorni | 2 h | 85% | 90% |
| Ossidazione del 2-ottanolo con permanganato | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Sintesi di calconi mediante condensazione di Claisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Accoppiamento di Ullmann del 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2h | meno dell’1,5% | 70,4% |
| Reazione di Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Cavitazione ultrasonica nei liquidi
La cavitazione consiste nella formazione, nella crescita e nel collasso implosivo di bolle in un liquido. Il collasso cavitazionale produce un intenso riscaldamento locale (~5000 K), pressioni elevate (~1000 atm), velocità estremamente elevate di riscaldamento e raffreddamento (>10⁹ K/sec) e getti di liquido (~400 km/h). (Suslick 1998)
Cavitazione mediante il UIP1000hd:
Le bolle di cavitazione sono bolle di vuoto. Il vuoto viene creato da una superficie in rapido movimento su un lato e da un liquido inerte sull’altro. Le differenze di pressione risultanti consentono di superare le forze di coesione e adesione all’interno del liquido.
La cavitazione può essere prodotta in diversi modi, ad esempio mediante ugelli Venturi, ugelli ad alta pressione, rotazione ad alta velocità o trasduttori a ultrasuoni. In tutti questi sistemi, l’energia in ingresso viene trasformata in attrito, turbolenza, onde e cavitazione. La frazione dell’energia in ingresso trasformata in cavitazione dipende da diversi fattori che descrivono il movimento dell’apparecchiatura che genera la cavitazione nel liquido.
L’intensità dell’accelerazione è uno dei fattori più importanti che influenzano la trasformazione efficiente dell’energia in cavitazione. Un’accelerazione maggiore crea differenze di pressione più elevate. Ciò aumenta a sua volta la probabilità di formazione di bolle di vuoto anziché di onde che si propagano attraverso il liquido. Pertanto, quanto maggiore è l’accelerazione, tanto maggiore è la frazione di energia trasformata in cavitazione. Nel caso di un trasduttore a ultrasuoni, l’intensità dell’accelerazione è descritta dall’ampiezza di oscillazione.
Ampiezze maggiori producono una cavitazione più efficace. I dispositivi industriali di Hielscher Ultrasonics possono generare ampiezze fino a 115 µm. Queste ampiezze elevate consentono un alto rapporto di trasmissione della potenza, che a sua volta permette di generare densità di potenza elevate, fino a 100 W/cm³.
Oltre all’intensità, il liquido dovrebbe essere accelerato in modo da ridurre al minimo le perdite dovute a turbolenza, attrito e generazione di onde. A tal fine, la soluzione ottimale è una direzione di movimento unilaterale.
Reattore a ultrasuoni da 16.000 watt per la transesterificazione in linea potenziata dalla sonochimica.
- preparazione di metalli attivati mediante riduzione di sali metallici
- generazione di metalli attivati mediante sonicazione
- sintesi sonochimica di particelle mediante precipitazione di ossidi metallici (Fe, Cr, Mn, Co), ad esempio per l’utilizzo come catalizzatori
- impregnazione di supporti con metalli o alogenuri metallici
- preparazione di soluzioni di metalli attivati
- reazioni che coinvolgono metalli mediante specie organoelementari generate in situ
- reazioni che coinvolgono solidi non metallici
- cristallizzazione e precipitazione di metalli, leghe, zeoliti e altri solidi
- modifica della morfologia superficiale e delle dimensioni delle particelle mediante collisioni tra particelle ad alta velocità
- formazione di materiali nanostrutturati amorfi, tra cui metalli di transizione ad alta area superficiale, leghe, carburi, ossidi e colloidi
- agglomerazione di cristalli
- levigatura e rimozione del rivestimento di ossido passivante
- micromanipolazione (frazionamento) di piccole particelle
- dispersione di solidi
- preparazione di colloidi (Ag, Au, CdS di dimensioni quantistiche)
- intercalazione di molecole ospiti in solidi inorganici stratificati ospitanti
- sonochimica dei polimeri
- degradazione e modifica dei polimeri
- sintesi di polimeri
- sonolisi di inquinanti organici nell’acqua
Apparecchiature sonochimiche
La maggior parte dei processi sonochimici menzionati può essere adattata per il funzionamento in linea. Saremo lieti di assisterti nella scelta delle apparecchiature sonochimiche adatte alle tue esigenze di trattamento. Per la ricerca e la sperimentazione dei processi consigliamo i nostri dispositivi da laboratorio o il set UIP1000hdT.
Se necessario, sono disponibili dispositivi e reattori a ultrasuoni certificati FM e ATEX (ad esempio UIP1000-Exd) per la sonicazione di sostanze chimiche infiammabili e formulazioni di prodotti in ambienti pericolosi.
La cavitazione ultrasonica modifica le reazioni di apertura dell’anello
La sonicazione è un meccanismo alternativo al calore, alla pressione, alla luce o all’elettricità per avviare reazioni chimiche. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth e il loro gruppo presso la Facoltà di Chimica dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign hanno utilizzato la potenza ultrasonica per innescare e manipolare reazioni di apertura dell’anello. Durante la sonicazione, le reazioni chimiche hanno generato prodotti diversi da quelli previsti dalle regole di simmetria orbitalica (Nature 2007, 446, 423). Il gruppo ha legato isomeri del benzociclobutene 1,2-disostituito, sensibili alle sollecitazioni meccaniche, a due catene di polietilenglicole, ha applicato energia ultrasonica e ha analizzato le soluzioni nel loro insieme mediante spettroscopia di risonanza magnetica nucleare del C13 . Gli spettri hanno mostrato che entrambi gli isomeri cis e trans forniscono lo stesso prodotto ad anello aperto, quello atteso dall’isomero trans. Mentre l’energia termica provoca un moto browniano casuale dei reagenti, l’energia meccanica della sonicazione imprime una direzione ai moti atomici. Pertanto, gli effetti cavitazionali dirigono efficacemente l’energia deformando la molecola e rimodellando la superficie di energia potenziale.
I sonicatori a sonda come il UP400St intensificano la sintesi di nanoparticelle. Il percorso sonochimico è semplice, efficace, rapido e utilizza sostanze chimiche non tossiche in condizioni blande.
Sonicatori ad alte prestazioni per la sonochimica
Hielscher Ultrasonics fornisce processori a ultrasuoni per il laboratorio e l’industria. Tutti i sonicatori Hielscher sono macchine a ultrasuoni molto potenti e robuste, costruite per il funzionamento continuo 24/7 a pieno carico. Controllo digitale, impostazioni programmabili, monitoraggio della temperatura, registrazione automatica dei dati e controllo remoto tramite browser sono solo alcune delle caratteristiche dei sonicatori Hielscher. Progettate per offrire prestazioni elevate e un funzionamento confortevole, le apparecchiature Hielscher Ultrasonics sono apprezzate dagli utenti per la sicurezza e la facilità d’uso. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher erogano ampiezze fino a 200µm e sono ideali per applicazioni gravose. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| da 1 a 500mL | da 10 a 200mL/min | UP100H |
| da 10 a 2000mL | da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| da 0,1 a 20L | da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| da 10 a 100L | da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superiore | gruppo di UIP16000 |
Contattaci! / Chiedici informazioni!
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Letteratura / Riferimenti
- 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 produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni dalla scala di laboratorio alla scala industriale.