Reazioni e sintesi soniche
La geochimica è l'applicazione degli ultrasuoni alle reazioni e ai processi chimici. Il meccanismo che causa gli effetti sono-chimici nei liquidi è il fenomeno della cavitazione acustica.
Gli apparecchi ad ultrasuoni da laboratorio e industriali Hielscher sono utilizzati in un'ampia gamma di processi chimici sonori. La cavitazione ultrasonica intensifica e accelera le reazioni chimiche come la sintesi e la catalisi.
Reazioni geochimiche
I seguenti effetti sono-chimici possono essere osservati nelle reazioni e nei processi chimici:
- aumento della velocità di reazione
- aumento della produzione di reazione
- uso più efficiente dell'energia
- metodi sono-chimici per la commutazione della via di reazione
- miglioramento delle prestazioni dei catalizzatori a trasferimento di fase
- evitare i catalizzatori a trasferimento di fase
- uso di reagenti grezzi o tecnici
- attivazione di metalli e solidi
- aumento della reattività dei reagenti o catalizzatori (clicca qui per saperne di più sulla catalisi ultrasonicamente assistita)
- miglioramento della sintesi delle particelle
- rivestimento di nanoparticelle
7 omogeneizzatori a ultrasuoni della modello UIP1000hdT (7x 1kW di potenza ultrasonica) installati come cluster per le reazioni soniche su scala industriale.
Vantaggi delle reazioni chimiche intensificate dagli ultrasuoni
Le reazioni chimiche promosse dagli ultrasuoni sono una tecnica consolidata di intensificazione dei processi nel campo della sintesi e del trattamento chimico. Sfruttando la potenza delle onde ultrasonore, queste reazioni offrono numerosi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali, migliorando la catalisi e la sintesi chimica. Tassi di conversione turbo-veloci, rendimenti eccellenti, maggiore selettività, migliore efficienza energetica e ridotto impatto ambientale sono i principali vantaggi delle reazioni stereo-chimiche.
La tabella mostra alcuni dei principali vantaggi della reazione promossa dagli ultrasuoni rispetto alle reazioni chimiche convenzionali:
| reazione | Tempo di reazione Convenzionale |
Tempo di reazione ultrasuoni |
resa Convenzionale (%) |
resa Ultrasuoni (%) |
|---|---|---|---|---|
| Ciclizzazione di Diels-Alder | 35 h | 3.5 h | 77.9 | 97.3 |
| Ossidazione dell'indano a indano-1-one | 3 h | 3 h | meno del 27% | 73% |
| Riduzione del metossiaminosilano | nessuna reazione | 3 h | 0% | 100% |
| Epossidazione degli esteri grassi insaturi a lunga catena | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Ossidazione degli arilalcani | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Addizione di Michael di nitroalcani a esteri monosostituiti α,β-insaturi | 2 giorni | 2 h | 85% | 90% |
| Ossidazione con permanganato del 2-ottanolo | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Sintesi di calconi per condensazione di CLaisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Accoppiamento UIllmann del 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2H | meno dell'1,5% | 70.4% |
| Reazione di Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Cavitazione ultrasonica nei liquidi
Cavitazione, cioè la formazione, la crescita e il collasso implosivo di bolle in un liquido. Il collasso cavitazionale produce un intenso riscaldamento locale (~5000 K), alte pressioni (~1000 atm), ed enormi velocità di riscaldamento e raffreddamento (>109 K/sec) e flussi a getto liquido (~400 km/h). (Suslick 1998)
Cavitazione con il UIP1000hd:
Le bolle di cavitazione sono bolle di vuoto. Il vuoto viene creato da una superficie in rapido movimento da un lato e da un liquido inerte dall'altro. Le differenze di pressione risultanti servono a superare le forze di coesione e di adesione all'interno del liquido.
La cavitazione può essere prodotta in diversi modi, come ugelli Venturi, ugelli ad alta pressione, rotazione ad alta velocità o trasduttori ad ultrasuoni. In tutti questi sistemi l'energia in ingresso si trasforma in attrito, turbolenze, onde e cavitazione. La frazione di energia in ingresso che viene trasformata in cavitazione dipende da diversi fattori che descrivono il movimento dell'impianto di generazione di cavitazione nel liquido.
L'intensità dell'accelerazione è uno dei fattori più importanti che influenzano l'efficiente trasformazione dell'energia in cavitazione. Un'accelerazione più elevata crea differenze di pressione più elevate. Questo a sua volta aumenta la probabilità della creazione di bolle di vuoto invece della creazione di onde che si propagano attraverso il liquido. Così, più alta è l'accelerazione, più alta è la frazione di energia che si trasforma in cavitazione. Nel caso di un trasduttore ad ultrasuoni, l'intensità dell'accelerazione è descritta dall'ampiezza dell'oscillazione.
Ampiezze più elevate si traducono in una più efficace creazione di cavitazione. I dispositivi industriali di Hielscher Ultrasonics possono creare ampiezze fino a 115 µm. Queste ampiezze elevate consentono un elevato rapporto di trasmissione di potenza che a sua volta permette di creare densità di potenza fino a 100 W/cm³.
Oltre all'intensità, il liquido deve essere accelerato in modo da creare perdite minime in termini di turbolenze, attrito e generazione di onde. Per questo, il modo ottimale è una direzione unilaterale di movimento.
Reattore a ultrasuoni da 16.000 watt per la transesterificazione in linea potenziata dal punto di vista sonochemico.
- preparazione di metalli attivati mediante riduzione dei sali metallici
- generazione di metalli attivati mediante sonicazione
- sintesi ecochimica di particelle per precipitazione di ossidi metallici (Fe, Cr, Mn, Mn, Co), ad esempio per l'uso come catalizzatori
- impregnazione di metalli o alogenuri metallici su supporti
- preparazione di soluzioni metalliche attivate
- reazioni che coinvolgono i metalli attraverso specie organolettiche generate in situ
- reazioni con solidi non metallici
- cristallizzazione e precipitazione di metalli, leghe, zeoliti e altri solidi
- modifica della morfologia superficiale e della dimensione delle particelle a causa di collisioni interparticelle ad alta velocità
- formazione di materiali nanostrutturati amorfi, compresi metalli di transizione ad alta superficie, 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, Q-sized CdS)
- intercalazione di molecole ospiti in solidi inorganici stratificati ospiti
- Sonochimica dei polimeri
- degradazione e modifica dei polimeri
- sintesi di polimeri
- sonolisi degli inquinanti organici presenti nell'acqua
Apparecchiature geochimiche
La maggior parte dei processi sono-chimici menzionati possono essere adattati per funzionare in linea. Saremo lieti di assistervi nella scelta dell'impianto sonorochimico per le vostre esigenze di lavorazione. Per la ricerca e per il collaudo dei processi raccomandiamo i nostri dispositivi di laboratorio o la Set UIP1000hdT.
Se necessario, dispositivi a ultrasuoni e reattori certificati FM e ATEX (ad es. UIP1000-Exd) sono disponibili per la sonicazione di sostanze chimiche infiammabili e formulazioni di prodotti in ambienti pericolosi.
La cavitazione ultrasonica cambia Reazioni di apertura ad anello
L'ultrasonicazione è un meccanismo alternativo al calore, alla pressione, alla luce o all'elettricità per avviare reazioni chimiche. Jeffrey S. MooreCharles R. Hickenboth, e la loro squadra al Facoltà di Chimica dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha usato la potenza degli ultrasuoni per innescare e manipolare le reazioni di apertura dell'anello. Sotto sonicazione, le reazioni chimiche hanno generato prodotti diversi da quelli previsti dalle regole di simmetria orbitale (Nature 2007, 446, 423). Il gruppo ha collegato meccanicamente sensibili 1,2 isomeri del benzociclobutene disostituito a due catene polietilenglicole, applicato energia ultrasonica, e ha analizzato le soluzioni di massa utilizzando C13 spettroscopia a risonanza magnetica nucleare. Gli spettri hanno dimostrato che sia gli isomeri cis che quelli trans forniscono lo stesso prodotto aperto ad anello, quello atteso dagli isomeri trans. Mentre l'energia termica provoca il moto browniano casuale dei reagenti, l'energia meccanica dell'ultrasonicazione fornisce una direzione ai movimenti atomici. Pertanto, gli effetti cavitazionali dirigono efficacemente l'energia filtrando la molecola, rimodellando la superficie di energia potenziale.
Gli ultrasuoni a sonda come il UP400St intensificare la sintesi di nanoparticelle. La via sonochemica è semplice, efficace, rapida e funziona con sostanze chimiche non tossiche e in condizioni miti.
Ultrasuonatori ad alte prestazioni per la sionochimica
Hielscher Ultrasonics fornisce processori a ultrasuoni per il laboratorio e l'industria. Tutti gli ultrasuonatori Hielscher sono macchine a ultrasuoni molto potenti e robuste, costruite per un funzionamento continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7, a pieno carico. Il controllo digitale, le impostazioni programmabili, il monitoraggio della temperatura, il protocollaggio automatico dei dati e il controllo remoto via browser sono solo alcune delle caratteristiche degli ultrasonori Hielscher. Progettati per garantire prestazioni elevate e un funzionamento confortevole, gli utenti apprezzano la sicurezza e la facilità di utilizzo delle apparecchiature Hielscher Ultrasonics. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher forniscono ampiezze fino a 200 µm e sono ideali per applicazioni pesanti. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.
Letteratura / Referenze
- 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 da laboratorio a dimensione industriale.