Sonochemistry e reattori sonochimici

La sonochimica è il campo della chimica in cui gli ultrasuoni ad alta intensità sono utilizzati per indurre, accelerare e modificare le reazioni chimiche (sintesi, catalisi, degradazione, polimerizzazione, idrolisi ecc.) La cavitazione generata dagli ultrasuoni è caratterizzata da condizioni uniche dense di energia, che promuovono e intensificano le reazioni chimiche. Tassi di reazione più veloci, rendimenti più elevati e l'uso di reagenti verdi e più blandi fanno della sonochimica uno strumento molto vantaggioso per ottenere reazioni chimiche migliori.

Sonochimica

La sonochimica è il campo di ricerca e trattamento in cui le molecole subiscono una reazione chimica a causa dell'applicazione di ultrasuoni ad alta intensità (per esempio, 20 kHz). Il fenomeno responsabile delle reazioni sonochemiche è la cavitazione acustica. La cavitazione acustica o ultrasonica si verifica quando potenti onde ultrasoniche sono accoppiate in un liquido o in un liquame. A causa dei cicli alternati di alta pressione e bassa pressione causati dalle onde ultrasonore di potenza nel liquido, si generano bolle di vuoto (vuoti cavitazionali) che crescono per diversi cicli di pressione. Quando la bolla di vuoto cavitazionale raggiunge una certa dimensione in cui non può assorbire più energia, la bolla di vuoto implode violentemente e crea un punto caldo ad alta densità energetica. Questo punto caldo che si verifica localmente è caratterizzato da temperature e pressioni molto elevate e da un micro-corrente di getti liquidi estremamente veloci.

Cavitazione acustica ed effetti dell'ultrasuoni ad alta intensità

La cavitazione acustica, spesso chiamata anche cavitazione ultrasonica, può essere distinta in due forme, la cavitazione stabile e quella transitoria. Durante la cavitazione stabile, la bolla di cavitazione oscilla molte volte intorno al suo raggio di equilibrio, mentre durante la cavitazione transitoria, in cui una bolla di breve durata subisce drammatici cambiamenti di volume in pochi cicli acustici e termina con un violento collasso (Suslick 1988). La cavitazione stabile e quella transitoria possono verificarsi simultaneamente nella soluzione e una bolla in cavitazione stabile può diventare una cavità transitoria. L'implosione della bolla, caratteristica della cavitazione transitoria e della sonicazione ad alta intensità, crea varie condizioni fisiche tra cui temperature molto elevate di 5000-25.000 K, pressioni fino a diversi 1000 bar, e flussi di liquido con velocità fino a 1000m/s. Poiché il collasso/implosione delle bolle di cavitazione avviene in meno di un nanosecondo, tassi di riscaldamento e raffreddamento molto elevati, superiori al 10¹¹ K/s può essere osservato. Questi alti tassi di riscaldamento e differenziali di pressione possono avviare e accelerare le reazioni. Per quanto riguarda i flussi liquidi che si verificano, questi microgetti ad alta velocità mostrano vantaggi particolarmente elevati quando si tratta di impasti solidi-liquidi eterogenei. I getti liquidi impattano sulla superficie con tutta la temperatura e la pressione della bolla che collassa e causano l'erosione tramite la collisione interparticellare e la fusione localizzata. Di conseguenza, si osserva un trasferimento di massa significativamente migliore nella soluzione.

La cavitazione ultrasonica è generata più efficacemente in liquidi e solventi con basse pressioni di vapore. Pertanto, i mezzi con basse pressioni di vapore sono favorevoli per le applicazioni sonochemiche.
Come risultato della cavitazione ultrasonica, le intense forze create possono cambiare i percorsi delle reazioni in percorsi più efficienti, in modo da evitare conversioni più complete e/o la produzione di sottoprodotti indesiderati.
Lo spazio denso di energia creato dal collasso delle bolle di cavitazione è chiamato hot-spot. Gli ultrasuoni a bassa frequenza e ad alta potenza nell'intervallo di 20kHz e la capacità di creare ampiezze elevate è ben stabilita per la generazione di hot-spot intensi e le condizioni sonochemical favorevoli.

Le attrezzature di laboratorio a ultrasuoni e i reattori a ultrasuoni industriali per i processi sonochimici commerciali sono facilmente disponibili e si sono dimostrati affidabili, efficienti e rispettosi dell'ambiente su scala di laboratorio, pilota e completamente industriale. Le reazioni sonochemiche possono essere eseguite come processo in batch (cioè a vaso aperto) o in linea utilizzando un reattore chiuso a celle di flusso.

Sintesi del suono

La sono-sintesi o sintesi sonochimica è l'applicazione della cavitazione generata dagli ultrasuoni per avviare e promuovere reazioni chimiche. L'ultrasuonazione ad alta potenza (per esempio, a 20 kHz) mostra forti effetti sulle molecole e sui legami chimici. Per esempio, gli effetti sonochimici risultanti dalla sonicazione intensa possono portare alla scissione delle molecole, alla creazione di radicali liberi, e/o alla commutazione dei percorsi chimici. La sintesi sonochemica è quindi intensamente utilizzata per la fabbricazione o la modifica di una vasta gamma di materiali nano-strutturati. Esempi di nanomateriali prodotti tramite sono-sintesi sono nanoparticelle (NPs) (ad esempio, NPs d'oro, NPs d'argento), pigmenti, nano-particelle core-shell, nano-idrossiapatite, quadri organici metallici (MOF), ingredienti farmaceutici attivi (API), nanoparticelle decorate con microsfere, nano-compositi tra molti altri materiali.
Esempi: Transesterificazione a ultrasuoni di esteri metilici di acidi grassi (biodiesel) o la transesterificazione dei polioli con gli ultrasuoni.

Immagine TEM (A) e distribuzione delle dimensioni delle particelle (B) di nanoparticelle d'argento (Ag-NPs), che sono state sintetizzate sonochimicamente in condizioni ottimali.

Anche ampiamente applicata è la cristallizzazione promossa dagli ultrasuoni (sono-cristallizzazione), dove la potenza degli ultrasuoni è usata per produrre soluzioni supersature, per avviare la cristallizzazione/precipitazione e controllare la dimensione e la morfologia dei cristalli attraverso i parametri del processo ultrasonico. Clicca qui per saperne di più sulla sono-cristallizzazione!

Sono-catalisi

La sonicazione di una sospensione chimica o di una soluzione può migliorare significativamente le reazioni catalitiche. L'energia sonica riduce il tempo di reazione, migliora il trasferimento di calore e di massa, il che si traduce in un aumento delle costanti di tasso chimico, delle rese e delle selettività.
Ci sono numerosi processi catalitici che beneficiano drasticamente dell'applicazione degli ultrasuoni di potenza e dei suoi effetti sonochimici. Qualsiasi reazione di catalisi eterogenea a trasferimento di fase (PTC) che coinvolge due o più liquidi immiscibili o una composizione liquido-solida, beneficia della sonicazione, dell'energia sonochimica e del migliore trasferimento di massa.
Per esempio, l'analisi comparativa dell'ossidazione catalitica silenziosa e assistita dagli ultrasuoni del perossido umido di fenolo in acqua ha rivelato che la sonicazione ha ridotto la barriera energetica della reazione, ma non ha avuto alcun impatto sulla via di reazione. L'energia di attivazione per l'ossidazione del fenolo su RuI₃ del catalizzatore durante la sonicazione è stato trovato essere 13 kJ mol^-1che era quattro volte inferiore rispetto al processo di ossidazione silenziosa (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
La catalisi sonochimica è utilizzata con successo per la fabbricazione di prodotti chimici e per la produzione di materiali inorganici micron- e nano-strutturati come metalli, leghe, composti metallici, materiali non metallici e compositi inorganici. Esempi comuni di PTC assistita dagli ultrasuoni sono la transesterificazione degli acidi grassi liberi in estere metilico (biodiesel), l'idrolisi, la saponificazione degli oli vegetali, la reazione sono-Fenton (processi simili a Fenton), la degradazione sonocatalitica ecc.
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La sonicazione migliora la chimica dei clic, come le reazioni di cicloaddizione azide-alchinica!

Altre applicazioni ecochimiche

Grazie al loro uso versatile, all'affidabilità e alla semplicità di funzionamento, i sistemi ecochimici come il UP400St o UIP2000hdT sono apprezzati come attrezzature efficienti per le reazioni chimiche. I dispositivi sonochimici Hielscher Ultrasonics possono essere facilmente utilizzati per la sonicazione batch (bicchiere aperto) e continua in linea utilizzando una cella di flusso sonochimica. La sonochimica che comprende la sono-sintesi, la sono-catalisi, la degradazione o la polimerizzazione sono ampiamente utilizzate in chimica, nanotecnologia, scienza dei materiali, farmaceutica, microbiologia e in altre industrie.

Attrezzatura ecochimica ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics è il vostro principale fornitore di ultrasuoni innovativi e all'avanguardia, celle a flusso sonico, reattori e accessori per reazioni sonochemiche efficienti e affidabili. Tutti gli ultrasuoni Hielscher sono progettati, prodotti e testati esclusivamente presso la sede centrale di Hielscher Ultrasonics a Teltow (vicino a Berlino), in Germania. Oltre ai più alti standard tecnici e all'eccezionale robustezza e al funzionamento 24/7/365 per un funzionamento altamente efficiente, gli ultrasuonatori Hielscher sono facili e affidabili da usare. Alta efficienza, software intelligente, menu intuitivo, protocollatura automatica dei dati e controllo remoto tramite browser sono solo alcune delle caratteristiche che distinguono Hielscher Ultrasonics dagli altri produttori di apparecchiature ecochimiche.

Ampiezze precisamente regolabili

L'ampiezza è lo spostamento nella parte anteriore (punta) del sonotrodo (noto anche come sonda ultrasonica o corno) ed è il principale fattore che influenza la cavitazione ultrasonica. Ampiezze più alte significano cavitazione più intensa. L'intensità richiesta della cavitazione dipende fortemente dal tipo di reazione, dai reagenti chimici usati e dai risultati mirati della specifica reazione sonochemica. Ciò significa che l'ampiezza deve essere regolabile con precisione per sintonizzare l'intensità della cavitazione acustica al livello ideale. Tutti gli ultrasuonatori Hielscher possono essere regolati in modo affidabile e preciso sull'ampiezza ideale tramite un controllo digitale intelligente. Per diminuire o aumentare meccanicamente l'ampiezza si possono utilizzare anche delle trombe booster. Ultrasuoni’ I processori industriali ad ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora più elevate, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati.

Controllo preciso della temperatura durante le reazioni ecochimiche

Nel punto caldo di cavitazione, si possono osservare temperature estremamente elevate di molte migliaia di gradi Celsius. Tuttavia, queste temperature estreme sono limitate localmente al minuscolo interno e ai dintorni della bolla di cavitazione che implode. Nella soluzione bulk, l'aumento di temperatura dall'implosione di una singola o poche bolle di cavitazione è trascurabile. Ma la sonicazione continua e intensa per periodi più lunghi può causare un aumento incrementale della temperatura del liquido sfuso. Questo aumento di temperatura contribuisce a molte reazioni chimiche ed è spesso considerato benefico. Tuttavia, diverse reazioni chimiche hanno diverse temperature di reazione ottimali. Quando si trattano materiali sensibili al calore, il controllo della temperatura può essere necessario. Per consentire condizioni termiche ideali durante i processi sonochimici, Hielscher Ultrasonics offre diverse soluzioni sofisticate per un controllo preciso della temperatura durante i processi sonochimici, come reattori sonochimici e celle di flusso dotate di camicie di raffreddamento.
Le nostre celle a flusso sonoro e i reattori sono disponibili con camicie di raffreddamento, che supportano un'efficace dissipazione del calore. Per il monitoraggio continuo della temperatura, gli ultrasuoni Hielscher sono dotati di un sensore di temperatura collegabile, che può essere inserito nel liquido per la misurazione costante della temperatura di massa. Un software sofisticato permette di impostare un intervallo di temperatura. Quando il limite di temperatura viene superato, l'ultrasuonatore si ferma automaticamente fino a quando la temperatura nel liquido si è abbassata ad un certo punto stabilito e ricomincia automaticamente a sonicare. Tutte le misurazioni della temperatura e altri importanti dati di processo ad ultrasuoni sono registrati automaticamente su una scheda SD integrata e possono essere rivisti facilmente per il controllo del processo.
La temperatura è un parametro cruciale dei processi sonochimici. La tecnologia elaborata da Hielscher vi aiuta a mantenere la temperatura della vostra applicazione sonochemica nell'intervallo di temperatura ideale.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni: