Sonochemica e reattori sonici
La sonochimica è il campo della chimica in cui gli ultrasuoni ad alta intensità vengono 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 ad alta densità energetica, che promuovono e intensificano le reazioni chimiche. Tassi di reazione più rapidi, rendimenti più elevati e l'uso di reagenti verdi e più blandi rendono la sicochimica uno strumento molto vantaggioso per ottenere reazioni chimiche migliori.
sicochimica
La sionochimica è il campo di ricerca e lavorazione in cui le molecole subiscono una reazione chimica grazie all'applicazione di ultrasuoni ad alta intensità (ad esempio, 20 kHz). Il fenomeno responsabile delle reazioni sicochimiche è la cavitazione acustica. La cavitazione acustica o ultrasonica si verifica quando potenti onde ultrasoniche vengono accoppiate a un liquido o a un impasto. A causa dell'alternanza di cicli di alta 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 dimensione tale da non poter più assorbire 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 microflussi di getti liquidi estremamente veloci.
Il reattore batch chiuso, realizzato in acciaio inossidabile, è dotato di ultrasonorizzatore UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Cavitazione acustica ed effetti dell'ultrasuonoterapia ad alta intensità
La cavitazione acustica, spesso chiamata anche cavitazione ultrasonica, può essere distinta in due forme: cavitazione stabile e transitoria. Durante la cavitazione stabile, la bolla di cavitazione oscilla molte volte intorno al suo raggio di equilibrio, mentre durante la cavitazione transitoria, una bolla di breve durata subisce drastici cambiamenti di volume in pochi cicli acustici e termina con un violento collasso (Suslick 1988). La cavitazione stabile e quella transitoria possono verificarsi contemporaneamente nella soluzione e una bolla in fase di cavitazione stabile può diventare una cavità transitoria. L'implosione delle bolle, caratteristica della cavitazione transitoria e della sonicazione ad alta intensità, crea diverse condizioni fisiche, tra cui temperature molto elevate di 5.000-25.000 K, pressioni fino a diversi 1.000 bar e flussi di liquido con velocità fino a 1.000 m/s. Poiché il collasso/implosione delle bolle di cavitazione si verifica in meno di un nanosecondo, velocità di riscaldamento e raffreddamento molto elevate, superiori al 1011 K/s. Velocità di riscaldamento e differenziali di pressione così elevati possono innescare e accelerare le reazioni. Per quanto riguarda i flussi di liquido che si verificano, questi microgetti ad alta velocità mostrano vantaggi particolarmente elevati quando si tratta di fanghi eterogenei solido-liquido. I getti di liquido impattano sulla superficie con l'intera temperatura e pressione della bolla in collasso e causano l'erosione attraverso la collisione interparticellare e la fusione localizzata. Di conseguenza, si osserva un trasferimento di massa significativamente migliore nella soluzione.
La cavitazione ultrasonica è generata in modo più efficace in liquidi e solventi con basse pressioni di vapore. Pertanto, i fluidi con basse pressioni di vapore sono favorevoli per le applicazioni di sonochemica.
Come risultato della cavitazione a ultrasuoni, le intense forze create possono cambiare i percorsi delle reazioni verso vie 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 20 kHz e la capacità di creare ampiezze elevate sono ben noti per la generazione di hot-spot intensi e le condizioni sicochimiche favorevoli.
Le apparecchiature da laboratorio a ultrasuoni e i reattori industriali a ultrasuoni per i processi chimico-sonici commerciali sono facilmente disponibili e si sono dimostrati affidabili, efficienti e rispettosi dell'ambiente su scala di laboratorio, pilota e completamente industriale. Le reazioni sionochimiche possono essere eseguite in batch (cioè a recipiente aperto) o in linea, utilizzando un reattore a cella di flusso chiusa.
Sono-Sintesi
La sono-sintesi o sintesi sicochimica è l'applicazione della cavitazione generata dagli ultrasuoni per avviare e promuovere reazioni chimiche. Gli ultrasuoni ad alta potenza (ad esempio, a 20 kHz) mostrano forti effetti sulle molecole e sui legami chimici. Ad esempio, gli effetti sicochimici derivanti da un'intensa sonicazione possono portare alla scissione di molecole, alla creazione di radicali liberi e/o alla commutazione di percorsi chimici. La sintesi sonica viene quindi utilizzata intensamente per la fabbricazione o la modifica di un'ampia gamma di materiali nano-strutturati. Esempi di nanomateriali prodotti tramite sintesi sonica sono le nanoparticelle (NPs) (ad esempio, NPs d'oro, NPs d'argento), i pigmenti, le nanoparticelle core-shell, nano-idrossiapatite, strutture organiche metalliche (MOF), ingredienti farmaceutici attivi (API), nanoparticelle decorate con microsfere, nano-compositi e 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 granulometrica (B) di nanoparticelle d'argento (Ag-NPs), sintetizzate per via sicochimica in condizioni ottimali.
Un'altra applicazione diffusa è la cristallizzazione promossa dagli ultrasuoni (sono-cristallizzazione), in cui gli ultrasuoni di potenza vengono utilizzati per produrre soluzioni supersature, avviare la cristallizzazione/precipitazione e controllare le dimensioni e la morfologia dei cristalli attraverso i parametri del processo ultrasonico. Cliccate qui per saperne di più sulla sono-cristallizzazione!
Sono-catalisi
La sonicazione di una sospensione o soluzione chimica può migliorare significativamente le reazioni catalitiche. L'energia sonica riduce il tempo di reazione, migliora il trasferimento di calore e di massa, con conseguente aumento delle costanti di velocità chimica, dei rendimenti e delle selettività.
Esistono numerosi processi catalitici che traggono un notevole beneficio dall'applicazione degli ultrasuoni di potenza e dai loro effetti sicochimici. Qualsiasi reazione eterogenea di catalisi a trasferimento di fase (PTC) che coinvolga due o più liquidi immiscibili o una composizione liquido-solido, trae vantaggio dalla sonicazione, dall'energia sicochimica e dal miglioramento del trasferimento di massa.
Ad esempio, l'analisi comparativa dell'ossidazione catalitica silenziosa e assistita da ultrasuoni del fenolo in acqua ha rivelato che la sonicazione ha ridotto la barriera energetica della reazione, ma non ha avuto alcun impatto sul percorso di reazione. L'energia di attivazione per l'ossidazione del fenolo su RuI3 del catalizzatore durante la sonicazione è stato trovato pari a 13 kJ mol-1, che è quattro volte inferiore rispetto al processo di ossidazione silenziosa (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
La catalisi sonica è utilizzata con successo per la fabbricazione di prodotti chimici e di materiali inorganici con struttura micrometrica e nanometrica, come metalli, leghe, composti metallici, materiali non metallici e compositi inorganici. Esempi comuni di PTC assistita da ultrasuoni sono la transesterificazione di acidi grassi liberi in estere metilico (biodiesel), l'idrolisi, la saponificazione di oli vegetali, la reazione sono-Fenton (processi simili a Fenton), la degradazione sonocatalitica ecc.
Per saperne di più sulla sono-catalisi e sulle applicazioni specifiche!
La sonicazione migliora la chimica dei click, come le reazioni di cicloaddizione azide-alchinica!
Altre applicazioni sonochemiche
Grazie alla loro versatilità d'uso, all'affidabilità e alla semplicità di funzionamento, i sistemi stereochimici come il UP400St o UIP2000hdT sono apprezzati come apparecchiature efficienti per le reazioni chimiche. I dispositivi hielscher per la sonicazione chimica possono essere facilmente utilizzati per la sonicazione in batch (becher aperto) e in linea continua, utilizzando una cella di flusso per la sonicazione chimica. La sonochimica, che comprende la sono-sintesi, la sono-catalisi, la degradazione o la polimerizzazione, è ampiamente utilizzata in chimica, nanotecnologia, scienza dei materiali, farmaceutica, microbiologia e in altri settori.
Ultrasuonatore industriale UIP2000hdT (2kW) con reattore in linea per la sonicazione.
Apparecchiature per la chimica del suono ad alte prestazioni
Hielscher Ultrasonics è il vostro miglior fornitore di ultrasuonatori innovativi e all'avanguardia, celle a flusso sonico, reattori e accessori per reazioni soniche 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 elevati standard tecnici, alla straordinaria robustezza e al funzionamento 24/7/365 per un'elevata efficienza, gli ultrasonori Hielscher sono facili e affidabili da utilizzare. L'elevata efficienza, il software intelligente, il menu intuitivo, il protocollaggio automatico dei dati e il controllo remoto via browser sono solo alcune delle caratteristiche che distinguono Hielscher Ultrasonics dagli altri produttori di apparecchiature per la chimica del suono.
Ampiezze regolabili con precisione
L'ampiezza è lo spostamento sulla parte anteriore (punta) del sonotrodo (noto anche come sonda o corno a ultrasuoni) ed è il principale fattore di influenza della cavitazione ultrasonica. Ampiezze maggiori significano una cavitazione più intensa. L'intensità di cavitazione richiesta dipende fortemente dal tipo di reazione, dai reagenti chimici utilizzati e dai risultati mirati della specifica reazione stereochimica. 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 tramite un controllo digitale intelligente per ottenere l'ampiezza ideale. Per diminuire o aumentare l'ampiezza in modo meccanico, è possibile utilizzare anche delle trombe di rinforzo. Ultrasuoni’ I processori industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
Controllo preciso della temperatura durante le reazioni stereo
Nel punto caldo della cavitazione si possono osservare temperature estremamente elevate, di molte migliaia di gradi Celsius. Tuttavia, queste temperature estreme sono limitate localmente all'interno e all'intorno della bolla di cavitazione che implode. Nella soluzione bulk, l'aumento di temperatura dovuto all'implosione di una singola o poche bolle di cavitazione è trascurabile. Tuttavia, una 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, reazioni chimiche diverse hanno temperature di reazione ottimali diverse. Quando si trattano materiali sensibili al calore, può essere necessario controllare la temperatura. Per garantire le condizioni termiche ideali durante i processi elettrochimici, Hielscher Ultrasonics offre diverse soluzioni sofisticate per un controllo preciso della temperatura durante i processi elettrochimici, come i reattori elettrochimici e le celle a flusso dotate di camicie di raffreddamento.
Le nostre celle a flusso e i nostri reattori sono disponibili con camicie di raffreddamento, che favoriscono un'efficace dissipazione del calore. Per il monitoraggio continuo della temperatura, gli ultrasonori Hielscher sono dotati di un sensore di temperatura collegabile, che può essere inserito nel liquido per misurare costantemente la temperatura di massa. Un software sofisticato consente di impostare un intervallo di temperatura. Quando il limite di temperatura viene superato, l'ultrasonorizzatore si ferma automaticamente fino a quando la temperatura del liquido si abbassa a un determinato punto stabilito e ricomincia a sonicare automaticamente. Tutte le misure di temperatura e altri importanti dati di processo a ultrasuoni vengono 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 elettrochimici. L'elaborata tecnologia di Hielscher vi aiuta a mantenere la temperatura della vostra applicazione sicochimica nell'intervallo di temperatura ideale.
- Alta efficienza
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- Facile e sicuro da usare
- affidabilità & robustezza
- lotto & in linea
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- software intelligente
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- CIP (clean-in-place)
Reattore sionochimico: L'intensa sonicazione e la conseguente cavitazione avviano e intensificano le reazioni chimiche e possono cambiare anche i percorsi.
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.
Esempi di reazioni chimiche migliorate con gli ultrasuoni rispetto alle reazioni convenzionali
La tabella seguente fornisce una panoramica di diverse reazioni chimiche comuni. Per ogni tipo di reazione, la reazione eseguita in modo convenzionale e quella intensificata con gli ultrasuoni sono confrontate per quanto riguarda la resa e la velocità di conversione.
| 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 di 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% |
(cfr. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, prima edizione. Pubblicato nel 2019 da Wiley)
Letteratura / Riferimenti
- 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 produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.