ソノケミカル反応と合成

ソノケミストリーとは、化学反応やプロセスに超音波を応用することである。液体中でソノケミスト効果を引き起こすメカニズムは、音響キャビテーション現象である。

Hielscher の超音波実験室および産業用装置は、幅広い超音波化学プロセスで使用されています。超音波キャビテーションは、合成や触媒反応などの化学反応を強化し、高速化します。

ソノケミカル反応

化学反応やプロセスでは、以下のような超音波化学的効果が観察される：

• 反応速度の向上
• 反応出力の増加
• より効率的なエネルギー使用
• 反応経路の切り替えのための超音波化学的方法
• 相間移動触媒の性能向上
• 相間移動触媒の回避
• 粗製または技術的な試薬の使用
• 金属と固体の活性化
• 試薬や触媒の反応性の向上 (超音波アシスト触媒について詳しくはこちらをクリック)
• 粒子合成の改善
• ナノ粒子コーティング

超音波による化学反応の利点

超音波で促進される化学反応は、化学合成や化学処理の分野で確立されたプロセス強化技術である。超音波の力を利用することで、これらの反応は従来の方法よりも多くの利点を提供し、化学触媒反応と合成を改善する。ターボ高速変換率、優れた収率、選択性の向上、エネルギー効率の改善、環境への影響の低減が、超音波化学反応の主な利点である。

表中の打撃は、従来の化学反応に対する超音波促進反応の顕著な利点を示している：

液体中の超音波キャビテーション

キャビテーションとは、液体中の気泡の形成、成長、崩壊のことである。キャビテーション崩壊は、激しい局所加熱（～5000K）、高圧（～1000気圧）、莫大な加熱・冷却速度(>109 K/sec）と液体ジェット気流（～400 km/h）。(サスリック 1998)

キャビテーション UIP1000hd:

キャビテーション気泡は真空の気泡である。真空は、一方が高速で移動する表面、もう一方が不活性な液体によって作られる。その結果生じる圧力差は、液体内の凝集力と付着力に打ち勝つ役割を果たす。

キャビテーションは、ベンチュリーノズル、高圧ノズル、高速回転、超音波振動子など、さまざまな方法で発生させることができる。これらすべてのシステムにおいて、入力エネルギーは摩擦、乱流、波、キャビテーションに変換されます。キャビテーションに変換される入力エネルギーの割合は、液体中のキャビテーション発生装置の動きを記述するいくつかの要因に依存します。

加速度の強さは、エネルギーの効率的なキャビテーションへの変換に影響する最も重要な要因の1つである。加速度が高ければ高い圧力差が生じます。その結果、液体中を伝播する波の発生ではなく、真空の気泡が発生する確率が高くなります。したがって、加速度が高いほど、キャビテーションに変換されるエネルギーの割合が高くなります。超音波トランスデューサーの場合、加速度の強さは振動の振幅によって表されます。

振幅が大きいほど、より効果的にキャビテーションを発生させることができます。Hielscher Ultrasonicsの産業用装置は、最大115 µmの振幅を発生させることができます。この高振幅は高い電力伝達率を可能にし、その結果、最大100W/cm³の高電力密度を実現します。

強度に加え、液体は乱流、摩擦、波の発生といった面で最小限の損失を生み出す方法で加速されなければならない。そのために最適な方法は、一方向の動きである。

• 金属塩の還元による活性金属の調製
• 超音波処理による活性金属の生成
• 金属（Fe、Cr、Mn、Co）酸化物の沈殿による粒子の超音波化学合成、例えば触媒としての使用
• 金属または金属ハロゲン化物の支持体への含浸
• 活性化金属溶液の調製
• その場で生成した有機元素種を介した金属が関与する反応
• 非金属固体を含む反応
• 金属、合金、ゼオライト、その他の固体の結晶化と沈殿
• 高速粒子間衝突による表面形態と粒子径の変化
  • 高表面積遷移金属、合金、炭化物、酸化物、コロイドを含むアモルファスナノ構造材料の形成
  • 結晶の凝集
  • 不動態化酸化皮膜の平滑化と除去
  • 微粒子のマイクロマニピュレーション（分画
• 固体の分散
• コロイド（Ag、Au、QサイズCdS）の調製
• ホスト無機層状固体へのゲスト分子のインターカレーション
• ポリマーの超音波化学
  • ポリマーの分解と改質
  • ポリマーの合成
• 水中の有機汚染物質の超音波分解

超音波化学装置

ご紹介したほとんどのソノケミカルプロセスは、インラインで動作するように改造することができます。お客様の処理ニーズに合ったソノケミカル装置の選択を喜んでお手伝いいたします。研究やプロセスのテストには、当社のラボ用装置または UIP1000hdTセット.

必要であれば、FMおよびATEX認証の超音波装置およびリアクター（例． UIP1000-Exd)は、危険な環境での可燃性化学物質や製品の超音波処理にご利用いただけます。

超音波キャビテーションが開環反応を変化させる

超音波は、熱、圧力、光、電気に代わる化学反応を起こすメカニズムである。 ジェフリー・S・ムーアのチャールズ・R・ヒッケンボスとそのチーム。 イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校 化学教員 は、超音波の力を使って開環反応を引き起こし、操作した。超音波照射により、化学反応は軌道対称性規則から予測されるものとは異なる生成物を生成した（Nature 2007, 446, 423）。研究グループは、機械的に敏感な1,2-二置換ベンゾシクロブテン異性体を2本のポリエチレングリコール鎖に連結し、超音波エネルギーを加え、バルク溶液をC¹³ 核磁気共鳴スペクトルを測定した。このスペクトルから、シス型とトランス型の異性体の両方が、トランス型異性体から予想される同じ開環生成物を提供することが示された。熱エネルギーが反応物のランダムなブラウン運動を引き起こすのに対し、超音波照射の力学的エネルギーは原子の運動に方向性を与える。したがって、キャビテーション効果は、分子をひずみ、ポテンシャルエネルギー表面を再形成することによって、エネルギーを効率的に方向づける。

ソノケミストリー用高性能超音波装置

Hielscher Ultrasonics社は、研究室および産業用の超音波処理装置を提供しています。Hielscher社の超音波処理装置はすべて、非常にパワフルで堅牢な超音波装置であり、24時間365日のフル負荷連続運転が可能なように設計されています。デジタル制御、プログラム可能な設定、温度監視、自動データプロトコール、リモートブラウザコントロールは、Hielscher超音波処理装置のほんの一部の機能です。高性能で快適な操作性を実現するために設計されたヒールシャー超音波装置の安全で簡単な取り扱いは、ユーザーから高く評価されています。Hielscher工業用超音波プロセッサは、最大200µmの振幅を提供し、ヘビーデューティーアプリケーションに最適です。さらに高い振幅を必要とする場合は、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご利用いただけます。
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：