ソノケミストリーとソノケミカル原子炉

ソノケミストリーは、高強度超音波が化学反応(合成、触媒、分解、重合、加水分解など)を誘導、加速、および修飾するために使用される化学分野です。超音波生成キャビテーションは、化学反応を促進し、激化させるユニークなエネルギー密度の高い条件によって特徴付けられる。より速い反応速度、より高い収率および緑で穏やかな試薬の使用は改善された化学反応を得るために非常に有利な用具にソノ化学を回す。

ソノケミストリー

ソノケミストリーは、高強度超音波(例えば、20kHz)の適用により分子が化学反応を起こす研究・処理分野です。音響化学反応を引き起こす現象は、音響キャビテーションである。音響または超音波キャビテーションは、強力な超音波が液体またはスラリーに結合されたときに発生します。液体中のパワー超音波によって引き起こされる高圧/低圧サイクルが交互に発生するため、いくつかの圧力サイクルにわたって成長する真空気泡(キャビテーションボイド)が発生します。キャビテーション真空気泡がより多くのエネルギーを吸収できない特定のサイズに達すると、真空バブルは激しく爆発し、エネルギー密度の高いホットスポットを作り出します。この局所的に発生するホットスポットは、非常に高速な液体ジェットの非常に高い温度、圧力およびマイクロストリーミングによって特徴付けられます。

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Sonochemical glass reactor at the ultrasonicator UIP1000hdT. Ultrasonic (acoustic) cavitation initiates, intensifies and accelerates chemical reactions

ソノケミカルリアクター:激しい超音波処理と結果として生じるキャビテーションは、化学反応を開始し、増強し、さらには経路を切り替えることができます。

音響キャビテーションと高強度超音波の影響

Acoustic cavitation as shown here at the Hielscher ultrasonicator UIP1500hdT is used to initiate and promote chemical reactions. Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1500hdT (1500W) ultrasonicator for sonochemical reactions.音響キャビテーションは、しばしば超音波キャビテーションとも呼ばれ、安定した過渡的キャビテーションの2つの形態に区別することができる。安定したキャビテーションの間、キャビテーションバブルは、その平衡半径の周りに何度も振動し、一時的なキャビテーション中に、短命の泡がいくつかの音響サイクルで劇的な体積変化を受け、激しい崩壊で終わる(Suslick 1988)。安定した過渡キャビテーションは溶液中で同時に起こり得るし、安定キャビテーションを受けている気泡は、一過性のキャビティになる可能性がある。過渡キャビテーションと高強度超音波処理に特徴的なバブル爆縮は、5000〜25,000 Kの非常に高温、最大1000バールの圧力、最大1000m/sの速度の液体流れなど、さまざまな物理的条件を作り出します。キャビテーション気泡の崩壊/崩壊はナノ秒未満で起こるので、10を超える非常に高い加熱および冷却率11歳 K/sを観察することができます。このような高い加熱速度と圧力差は、反応を開始し、加速することができます。発生する液体流れに関しては、これらの高速マイクロジェットは、異機種の固体液体スラリーに関しては特に高い利点を示しています。液体ジェットは、崩壊する気泡の全温度と圧力で表面に衝突し、粒子間衝突と局所的な融解を介して浸食を引き起こす。その結果、溶液中で有意に改善された物質移動が観察される。

このビデオは、ヒールシャー超音波式UP400S(400W)が水中で音響キャビテーションを発生させる様子を示しています。

UP400Sを使用して水中の超音波キャビテーション


超音波キャビテーションは、液体や溶媒で最も効果的に生成され、低い蒸気圧を機知します。したがって、蒸気圧が低い媒体は、ソノケミカルアプリケーションに適しています。
超音波キャビテーションの結果として、作成された強烈な力は、より完全な変換および/または不要な副産物の生産が回避されるように、より効率的なルートに反応の経路を切り替えることができます。
キャビテーション気泡の崩壊によって生み出されるエネルギー密度の高い空間をホット スポットと呼んでいます。20kHzの範囲で低周波、高出力超音波と高振幅を作成する能力は、強烈なホットスポットと有利なソノ化学的条件の生成のために十分に確立されています。

超音波実験装置だけでなく、商業用ソノケミカルプロセスのための産業用超音波反応器は、容易に入手可能であり、実験室、パイロット、完全工業規模で信頼性、効率的、環境に優しいとして証明されています。ソノ化学反応は、バッチ(すなわち、開放容器)または閉じたフローセル反応器を用いたインラインプロセスとして行うことができる。

Ultrasonicator UIP2000hdT with sonochemical inline reactor for highly efficient sonochemical applications such as sono-catalysis and sono-synthesis.

産業用超音波処理器 UIP2000hdT(2kWの) ソノケミカルインライン反応器付き。

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ソノ合成

ソノ合成またはソノ化学合成は、化学反応を開始し、促進するために超音波生成キャビテーションの適用です。高出力超音波(例えば、20 kHzで)は、分子および化学結合に強い効果を示す。例えば、強烈な超音波処理から生じるソノ化学的効果は、分子を分割し、フリーラジカルを作成し、および/または化学経路を切り替える可能性があります。従って、ソノケミカル合成は、ナノ構造材料の広い範囲の作製または改変のために強く使用される。ソノ合成を介して生成されるナノ材料の例としては、ナノ粒子(NPs)(例えば、金色のNP、銀色のNP)、顔料、コアシェルナノ粒子、及び ナノヒドロキシアパタイト金属有機フレームワーク(MOF)、有効な医薬成分(API)、微小球装飾ナノ粒子、ナノ複合体、他の多くの材料の中で。

Ultrasonically synthesised silver nano-particles are spherically shaped and show a uniform particle size.

最適条件下でソノ化学的に合成された銀ナノ粒子(Ag-NPs)のTEM像(A)およびその粒度分布(B)。

また、超音波促進結晶化(ソノ結晶化)も広く適用され、パワー超音波は過飽和溶液を生成するために使用され、結晶化/沈殿を開始し、超音波プロセスパラメータを介して結晶サイズおよび形態を制御する。 ソノ結晶化の詳細については、ここをクリックしてください!

ソノ触媒反応

化学懸濁液または溶液を超音波処理すると、触媒反応を大幅に改善することができます。このソノケミカルエネルギーは反応時間を短縮し、熱と物質移動を改善し、その後化学速度定数、収率、および選択性の増加をもたらします。
数多くの触媒プロセスがあり、電力超音波とその超音波効果の適用から劇的に利益を得る。2つ以上の非混和性液体または液体固体組成物を含む任意の不均一相転移触媒(PTC)反応は、超音波処理、超音波処理および改善された物質移動の恩恵を受ける。
例えば、水中のフェノールの無音及び超音波補助触媒性過酸化物酸化の比較分析は、超音波処理が反応のエネルギー障壁を減少させたが、反応経路に影響を与えがないことを明らかにした。RuI上のフェノールの酸化のための活性化エネルギー3 超音波処理中の触媒は13 kJモルであることが判明した-1は、サイレント酸化プロセス(57 kJ mol)と比較して4倍小さかった-1).(ロヒナら、2010)
化学製品の製造、金属、合金、金属化合物、非金属材料、無機複合材料などのミクロンおよびナノ構造無機材料の製造に使用されます。超音波補助PTCの一般的な例としては、遊離脂肪酸をメチルエステル(バイオディーゼル)にエステル交換し、加水分解、植物油の鹸化、ソノフェントン反応(フェントン様プロセス)、ソノカトー分解などがあります。
ソノ触媒と特定のアプリケーションについての詳細をお読みください!

その他のソノケミカルアプリケーション

多用途、信頼性、簡単な操作、ソノケミカルシステムなど UP400St または UIP2000hdT 化学反応のための効率的な装置として評価されています。ヒールシャー超音波ソノケミカルデバイスは、簡単にバッチ(オープンビーカー)と超音波処理を使用して連続インライン超音波処理に使用することができます。ソノ合成、ソノ触媒、分解、重合などのソノケミストリーは、化学、ナノテクノロジー、材料科学、医薬品、微生物学、その他の業界で広く使用されています。

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高性能ソノケミカル機器

Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.ヒールシャー超音波は、効率的かつ信頼性の高いソノ化学反応のための革新的な、最先端の超音波装置、ソノケミカルフローセル、反応器およびアクセサリーのトップサプライヤーです。すべてのヒールシャー超音波処理器は、テルトー(ベルリン近郊)のヒールシャー超音波本部で排他的に設計され、製造され、テストされています。高い技術基準と優れた堅牢性と非常に効率的な操作のための24/7/365操作に加えて、ヒールシャー超音波処理器は、操作が容易で信頼性の高いです。高効率、スマートソフトウェア、直感的なメニュー、自動データプロトコルとブラウザのリモートコントロールは、他のソノケミカル機器メーカーからヒールシャー超音波を区別するほんの数機能です。

正確に調節可能な振幅

振幅はソノトロード(超音波プローブまたはホーンとも呼ばれる)の前部(先端)での変位であり、超音波キャビテーションの主な影響因子です。振幅が高いほど、より強いキャビテーションを意味します。キャビテーションの必要な強度は、反応タイプ、使用される化学試薬、および特定のソノ化学反応の標的化結果に強く依存します。これは、音響キャビテーションの強度を理想的なレベルに調整するために、振幅を正確に調整可能にする必要があることを意味します。すべてのヒールシャー超音波処理器は、理想的な振幅にインテリジェントなデジタル制御を介して確実かつ正確に調整することができます。ブースターホーンは、機械的に振幅を減少または増加させるために追加的に使用することができます。超音波’ 産業用超音波プロセッサは非常に高い振幅を提供することができます。最大200μmの振幅は、24時間365日の操作で簡単に連続的に実行できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソトロードが利用可能です。

ソノ化学反応時の精密温度制御

Sonochemical setup consisting in the ultrasonicator UP400St with temperature sensor for sonochemical reactionsキャビテーションホットスポットでは、摂氏数千度の非常に高い温度が観察することができます。しかし、これらの極端な温度は、分の内部と崩壊キャビテーションバブルの周囲に局所的に制限されています。バルク溶液では、単一または少数のキャビテーション気泡の爆縮から温度上昇は無視できる。しかし、より長い期間の連続的な、激しい超音波処理は、バルク液体の温度の増分増加を引き起こす可能性があります。温度のこの上昇は、多くの化学反応に貢献し、多くの場合、有益と考えられています。しかし、化学反応が異なれば、最適な反応温度が異なります。熱に弱い材料を処理する場合は、温度制御が必要な場合があります。ソノケミカルプロセス中の理想的な熱条件を可能にするために、ヒールシャー超音波は、ソノケミカルリアクターや冷却ジャケットを装備したフローセルなどのソノケミカルプロセス中の正確な温度制御のための様々な洗練されたソリューションを提供しています。
当社のソノケミカルフローセルとリアクターは、効果的な放熱をサポートする冷却ジャケットで利用可能です。連続的な温度の監視のために、ヒールシャー超音波装置はバルク温度の一定した測定のために液体に挿入することができるプラグ可能な温度センサーが装備されている。洗練されたソフトウェアは温度範囲の設定を可能にする。温度制限を超えると、超音波器は自動的に液体内の温度が特定の設定点に下がるまで一時停止し、自動的に再び超音波処理を開始します。すべての温度測定だけでなく、他の重要な超音波プロセスデータは、自動的に内蔵のSDカードに記録され、プロセス制御のために簡単に変更することができます。
温度は、ソノケミカルプロセスの重要なパラメータです。ヒールシャーの精巧な技術は、あなたのソノケミカルアプリケーションの温度を理想的な温度範囲に保つのに役立ちます。

なぜヒールシャー超音波?

  • 高効率
  • 最先端の技術
  • 操作が容易で安全
  • 確実 & 丈夫
  • バッチ & 列をなして
  • 任意のボリュームに対して
  • インテリジェントソフトウェア
  • スマート機能(例えば、データプロトコル)
  • CIP(クリーンインプレイス)

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます:

バッチ容量 流量 推奨デバイス
500mLの1〜 200mL /分で10 UP100H
2000mlの10〜 20 400mLの/分 Uf200ःトンUP400St
00.1 20Lへ 04L /分の0.2 UIP2000hdT
100Lへ10 10L /分で2 UIP4000hdT
N.A。 10 100L /分 UIP16000
N.A。 大きな のクラスタ UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

ヒールシャー超音波は、ラボ、パイロット、工業規模でアプリケーション、分散、乳化および抽出を混合するための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。



文献 / 参考文献

  • 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.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

ヒールシャー超音波は、から高性能超音波ホモジナイザーを製造しています ラボ産業サイズ。