Reazioni e sintesi soniche
La sionochimica è l'applicazione degli ultrasuoni alle reazioni e ai processi chimici. Il meccanismo che provoca gli effetti sicochimici nei liquidi è il fenomeno della cavitazione acustica.
I dispositivi Hielscher a ultrasuoni per laboratorio e per l'industria sono utilizzati in un'ampia gamma di processi elettrochimici. La cavitazione ultrasonica intensifica e accelera le reazioni chimiche come la sintesi e la catalisi.
Reazioni stereo-chimiche
Nelle reazioni e nei processi chimici si possono osservare i seguenti effetti sonici:
- aumento della velocità di reazione
- aumento della produzione di reazione
- uso più efficiente dell'energia
- Metodi sicochimici per la commutazione del percorso 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 dei catalizzatori (clicca qui per saperne di più sulla catalisi assistita dagli ultrasuoni)
- 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 sicochimiche 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 metossiamminosilano | 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
La cavitazione, ovvero 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 l'utilizzo del UIP1000hd:
Le bolle di cavitazione sono bolle di vuoto. Il vuoto è creato da una superficie in rapido movimento da un lato e da un liquido inerte dall'altro. Le differenze di pressione che ne derivano servono a vincere 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 a ultrasuoni. In tutti questi sistemi l'energia in ingresso viene trasformata in attrito, turbolenze, onde e cavitazione. La frazione dell'energia in ingresso che viene 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. Questo a sua volta aumenta la probabilità che si creino bolle di vuoto anziché onde che si propagano attraverso il liquido. Pertanto, maggiore è l'accelerazione, maggiore è la frazione di energia che viene trasformata in cavitazione. Nel caso di un trasduttore a ultrasuoni, l'intensità dell'accelerazione è descritta dall'ampiezza dell'oscillazione.
Ampiezze maggiori determinano una creazione più efficace della cavitazione. I dispositivi industriali di Hielscher Ultrasonics possono creare ampiezze fino a 115 µm. Queste ampiezze elevate consentono un elevato rapporto di trasmissione della potenza, che a sua volta permette di creare densità di potenza elevate, 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. A tal fine, il modo ottimale è una direzione di movimento unilaterale.
Reattore a ultrasuoni da 16.000 watt per la transesterificazione in linea potenziata dal punto di vista sonochemico.
- preparazione di metalli attivati mediante riduzione di sali metallici
- generazione di metalli attivati mediante sonicazione
- sintesi sonochemica di particelle per precipitazione di ossidi di metalli (Fe, Cr, Mn, Co), ad esempio per l'uso come catalizzatori
- impregnazione di metalli o alogenuri metallici su supporti
- preparazione di soluzioni di metalli attivati
- reazioni che coinvolgono i metalli attraverso specie di organoelementi 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 interparticellari ad alta velocità
- formazione di materiali nanostrutturati amorfi, compresi metalli di transizione ad alta area superficiale, leghe, carburi, ossidi e colloidi
- agglomerato 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 Q)
- intercalazione di molecole ospiti in solidi stratificati inorganici ospiti
- la stereochimica dei polimeri
- degradazione e modifica dei polimeri
- sintesi di polimeri
- sonolisi degli inquinanti organici in acqua
attrezzature per la sonificazione
La maggior parte dei processi sicochimici citati può essere adattata per lavorare in linea. Saremo lieti di assistervi nella scelta dell'apparecchiatura sicochimica per le vostre esigenze di lavorazione. Per la ricerca e il collaudo dei processi consigliamo i nostri dispositivi da laboratorio o il Set UIP1000hdT.
Se necessario, dispositivi e reattori a ultrasuoni certificati FM e ATEX (ad es. UIP1000-Exd) sono disponibili per la sonicazione di prodotti chimici infiammabili e formulazioni di prodotti in ambienti pericolosi.
La cavitazione ultrasonica modifica le reazioni di apertura degli anelli
Gli ultrasuoni sono 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 team presso il Facoltà di Chimica presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha utilizzato la potenza degli ultrasuoni per innescare e manipolare le reazioni di apertura degli anelli. Con la sonicazione, le reazioni chimiche hanno generato prodotti diversi da quelli previsti dalle regole di simmetria orbitale (Nature 2007, 446, 423). Il gruppo ha collegato isomeri di benzociclobutene disostituiti meccanicamente sensibili a due catene di polietilenglicole, ha applicato l'energia degli ultrasuoni e ha analizzato le soluzioni sfuse usando il metodo del C13 spettroscopia di risonanza magnetica nucleare. Gli spettri hanno mostrato che entrambi gli isomeri cis e trans forniscono lo stesso prodotto ad anello, quello atteso dall'isomero trans. Mentre l'energia termica provoca il moto browniano casuale dei reagenti, l'energia meccanica degli ultrasuoni fornisce una direzione ai movimenti atomici. Pertanto, gli effetti cavitazionali dirigono efficacemente l'energia sforzando la molecola, rimodellando la superficie di energia potenziale.
Gli ultrasuoni a sonda come 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 somochimica
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 ultrasonori:
| 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 a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsione 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 da laboratorio a dimensioni industriali.