ソノケミストリーとソノケミカル・リアクター

ソノケミストリーは、化学反応（合成、触媒作用、分解、重合、加水分解など）を誘発、促進、修正するために高強度の超音波を使用する化学分野である。超音波で発生するキャビテーションは、化学反応を促進し、強化する独特のエネルギー密度の高い条件が特徴です。より速い反応速度、高い収率、グリーンでマイルドな試薬の使用により、ソノケミストリーは化学反応を改善するための非常に有利なツールとなります。

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）の印加により分子が化学反応を起こす研究・加工分野である。ソノケミストリー反応の原因となる現象は音響キャビテーションである。音響キャビテーション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したときに発生する。液体中の強力な超音波により高圧と低圧が交互に繰り返されるため、真空の気泡（キャビテーションボイド）が発生し、この気泡は数回の圧力サイクルを経て成長する。キャビテーショナル真空バブルが、これ以上エネルギーを吸収できないあるサイズに達すると、真空バブルは激しく崩壊し、エネルギー密度の高いホットスポットが形成される。この局所的に発生するホットスポットは、非常に高い温度と圧力、そして非常に高速な液体ジェットのマイクロストリーミングによって特徴づけられる。

音響キャビテーションと高強度超音波照射の効果

音響キャビテーション（しばしば超音波キャビテーションとも呼ばれる）は、安定キャビテーションと過渡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。安定キャビテーションでは、キャビテーション気泡はその平衡半径を中心に何度も振動し、一方、過渡キャビテーションでは、短寿命の気泡が数回の音響サイクルで劇的な体積変化を起こし、激しい崩壊に至ります(Suslick 1988)。溶液中では、安定キャビテーションと過渡キャビテーションが同時に発生することがあり、安定キャビテーション中の気泡が過渡キャビテーションになることがある。過渡キャビテーションと高強度超音波処理に特徴的な気泡の爆縮は、5000～25000Kの超高温、最大数1000barの圧力、最大1000m/sの流速の液体流など、さまざまな物理的条件を作り出す。キャビテーション気泡の崩壊/爆発はナノ秒未満で起こるため、10℃を超える非常に高い加熱/冷却速度が必要となります。¹¹ K/sが観察される。このような高い加熱速度と圧力差は、反応を開始・促進することができる。発生する液体の流れに関して、これらの高速マイクロジェットは、不均一な固液スラリーに関して特に高い利点を示す。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、粒子間衝突による浸食や局所的な融解を引き起こします。その結果、溶液中の物質移動が著しく改善される。

超音波キャビテーションは、蒸気圧の低い液体や溶媒中で最も効果的に発生する。したがって、蒸気圧の低い媒体は、超音波化学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、発生する強い力によって、反応の経路をより効率的な経路に切り替えることができ、より完全な変換や不要な副生成物の生成を避けることができる。
キャビテーション気泡の崩壊によって生じるエネルギー密度の高い空間はホットスポットと呼ばれる。20kHzの低周波、高出力超音波と高振幅を発生させる能力は、強烈なホットスポットの発生と好都合なソノケミカル条件として確立されている。

超音波ラボ装置や、商業的なソノケミカルプロセス用の工業用超音波リアクターは容易に入手可能であり、ラボスケール、パイロットスケール、完全工業スケールにおいて、信頼性が高く、効率的で、環境に優しいことが証明されています。ソノケミカル反応は、バッチ式（すなわち、オープン容器）またはクローズドフローセルリアクターを使用したインラインプロセスとして実施することができます。

ソノシンセシス

ソノシンセシスまたはソノケミカル合成とは、化学反応を開始・促進するために超音波で発生させたキャビテーションを応用することである。高出力超音波（例えば20kHz）は分子や化学結合に強い影響を与える。例えば、強力な超音波処理から生じるソノケミカル効果は、分子を分裂させたり、フリーラジカルを生成したり、化学経路を切り替えたりする。したがって、ソノケミカル合成は、広範なナノ構造材料の製造や修飾に大いに利用されている。超音波合成によって製造されるナノ材料の例としては、ナノ粒子（NP）（例えば、金NP、銀NP）、顔料、コアシェルナノ粒子などがある、 ナノヒドロキシアパタイト, 有機金属骨格（MOF）医薬品有効成分（API）、ミクロスフェア装飾ナノ粒子、ナノコンポジット、その他多くの材料。
例を挙げよう： 脂肪酸メチルエステル（バイオディーゼル）の超音波トランスエステル化 または 超音波を用いたポリオールのトランスエステル化.

最適条件で超音波合成した銀ナノ粒子（Ag-NPs）のTEM像（A）と粒度分布（B）。

また、超音波による結晶化促進（ソノ結晶化）も広く応用されている。これは、過飽和溶液を生成し、結晶化／沈殿を開始し、超音波プロセスパラメーターによって結晶サイズと形態を制御するために、超音波を使用するものである。 超音波結晶化について詳しくはこちらをご覧ください！

ソノカタリシス

化学物質の懸濁液や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。超音波エネルギーは反応時間を短縮し、熱と物質移動を改善し、その結果、化学反応速度定数、収率、選択性が向上します。
パワー超音波とそのソノケミカル効果を応用することで、劇的に恩恵を受ける触媒プロセスは数多くあります。2つ以上の非混和性液体または液体-固体組成物が関与する不均一相間移動触媒反応（PTC）は、超音波処理、超音波化学エネルギー、および物質移動の改善から恩恵を受けます。
例えば、水中でのフェノールの湿式過酸化物酸化反応について、無声触媒と超音波アシスト触媒を比較分析した結果、超音波アシストは反応のエネルギー障壁を低下させたが、反応経路には影響を及ぼさなかった。RuI₃ 超音波処理中の触媒は13 kJ molであった。^-1これは、無声酸化過程（57 kJ mol）に比べて4倍も小さい。^-1).(Rokhina et al, 2010）。
ソノケミカル触媒作用は、化学製品の製造や、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・ナノ構造の無機材料の製造にうまく利用されている。超音波アシストPTCの一般的な例としては、遊離脂肪酸のメチルエステルへのトランスエステル化（バイオディーゼル）、加水分解、植物油の鹸化、超音波フェントン反応（フェントン様プロセス）、超音波触媒分解などがある。
ソノカタリシスと具体的な応用についてもっと読む！
ソニケーションは、アジド-アルキン環化付加反応のようなクリックケミストリーを向上させる！

その他のソノケミカル用途

のようなソノケミカルシステムは、その多目的な使用法、信頼性、簡単な操作性から、世界的に高い評価を得ている。 UP400ST または UIP2000hdT は、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。Hielscher Ultrasonicsのソノケミカルデバイスは、ソノケミカルフローセルを使用したバッチ式（オープンビーカー）および連続式インライン超音波処理に簡単に使用できます。超音波合成、超音波触媒、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、製薬、微生物学、その他の産業で広く使用されています。

高性能ソノケミカル装置

Hielscher Ultrasonicsは、効率的で信頼性の高いソノケミカル反応のための革新的で最先端の超音波発生装置、ソノケミカルフローセル、リアクター、アクセサリーのトップサプライヤーです。Hielscher社の超音波装置はすべて、ドイツのTeltow（ベルリン近郊）にあるHielscher Ultrasonics本社で設計、製造、テストされています。最高の技術水準と卓越した堅牢性、24時間365日稼働による高効率な操作性に加え、Hielscherの超音波装置は操作が簡単で信頼できます。高効率、スマートなソフトウェア、直感的なメニュー、自動データプロトコール、ブラウザーによるリモートコントロールは、ヒールシャー社と他のソノケミカル機器メーカーとの違いを際立たせています。

正確に調整可能な振幅

振幅は、ソノトロード（超音波プローブまたはホーンとしても知られている）の前面（先端）における変位であり、超音波キャビテーションの主な影響因子である。振幅が大きいほど、キャビテーションは強くなります。必要なキャビテーション強度は、反応の種類、使用される化学試薬、特定のソノケミカル反応の目標結果に強く依存します。このため、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は、振幅を正確に調整する必要があります。Hielscher社の超音波発生装置はすべて、インテリジェントなデジタル制御により、理想的な振幅に確実かつ正確に調整することができます。また、ブースターホーンを使用することで、機械的に振幅を減少または増加させることができます。超音波’ 工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日の連続稼働が容易です。さらに高い振幅を得るには、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。

ソノケミカル反応中の精密温度制御

キャビテーションのホットスポットでは、摂氏数千度という極めて高い温度が観測される。しかし、このような極端な温度は、爆縮するキャビテーション気泡の微細な内部と周囲に局所的に限定される。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による温度上昇はごくわずかである。しかし、激しい超音波処理を長時間継続すると、バルク液の温度が徐々に上昇します。この温度上昇は多くの化学反応に寄与し、有益であると考えられることが多い。しかし、化学反応によって最適反応温度は異なる。熱に敏感な材料を処理する場合、温度制御が必要になることがある。ソノケミカルプロセス中の理想的な温度条件を可能にするため、Hielscher Ultrasonicsは、冷却ジャケットを装備したソノケミカルリアクターやフローセルなど、ソノケミカルプロセス中の精密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。
弊社の超音波フローセルとリアクターは、効果的な熱放散をサポートする冷却ジャケット付きです。連続的な温度モニタリングのために、ヒールシャー社の超音波発生装置にはプラグ式温度センサーが装備されており、液中に挿入してバルク温度を常時測定することができます。洗練されたソフトウェアにより、温度範囲の設定が可能です。制限温度を超えると、液温が設定温度まで下がるまで超音波振動子は自動的に停止し、再び自動的に超音波振動を開始します。すべての温度測定とその他の重要な超音波プロセスデータは、内蔵のSDカードに自動的に記録され、プロセス制御のために簡単に修正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ーです。Hielscherの精巧な技術は、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。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：