სონოქიმიური რეაქციები და სინთეზი
სონოქიმია არის ულტრაბგერის გამოყენება ქიმიურ რეაქციებში და პროცესებში. სონოქიმიური ეფექტების წარმოქმნის მექანიზმი სითხეებში არის აკუსტიკური კავიტაციის ფენომენი.
Hielscher-ის ლაბორატორიული და სამრეწველო ულტრაბგერითი მოწყობილობები გამოიყენება სონოქიმიური პროცესების ფართო სპექტრში. ულტრაბგერითი კავიტაცია აძლიერებს და აჩქარებს ქიმიურ რეაქციებს, როგორიცაა სინთეზი და კატალიზი.
სონოქიმიური რეაქციები
ქიმიურ რეაქციებში და პროცესებში შეიძლება დაფიქსირდეს შემდეგი სონოქიმიური ეფექტები:
- რეაქციის სიჩქარის ზრდა
- რეაქციის პროდუქტიულობის ზრდა
- ენერგიის უფრო ეფექტური გამოყენება
- რეაქციის გზის შეცვლის სონოქიმიური მეთოდები
- ფაზური გადატანის კატალიზატორების ეფექტურობის გაუმჯობესება
- ფაზური გადატანის კატალიზატორების გამოყენების თავიდან აცილება
- ნედლი ან ტექნიკური რეაგენტების გამოყენება
- მეტალებისა და მყარი ნივთიერებების აქტივაცია
- რეაგენტების ან კატალიზატორების რეაქციისუნარიანობის ზრდა (დააწკაპუნეთ აქ, რომ მეტი გაიგოთ ულტრაბგერითი მხარდაჭერით კატალიზის შესახებ)
- ნაწილაკების სინთეზის გაუმჯობესება
- ნანონაწილაკების დაფარვა
7 ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი მოდელი UIP1000hdT (7x 1kW ულტრაბგერითი სიმძლავრე) დაყენებულია კლასტერად სამრეწველო მასშტაბის სონოქიმიური რეაქციებისთვის.
ულტრაბგერით გაძლიერებული ქიმიური რეაქციების უპირატესობები
ულტრაბგერითი აქტივირებული ქიმიური რეაქციები არის პროცესის გაძლიერების დამკვიდრებული ტექნიკა ქიმიური სინთეზისა და დამუშავების სფეროში. ულტრაბგერითი ტალღების სიმძლავრის გამოყენებით, ეს რეაქციები სთავაზობენ მრავალ უპირატესობას კონვენციურ მეთოდებთან შედარებით, აუმჯობესებენ ქიმიურ კატალიზს და სინთეზს. ტურბო-სწრაფი კონვერსიის მაჩვენებლები, შესანიშნავი გამოსავლიანობა, გაზრდილი სელექციურობა, ენერგოეფექტურობის გაუმჯობესება და გარემოზე ზემოქმედების შემცირება არის სონოქიმიური რეაქციების მთავარი უპირატესობები.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი აჩვენებს ულტრაბგერით აქტივირებული რეაქციის ზოგიერთ მნიშვნელოვან უპირატესობას კონვენციურ ქიმიურ რეაქციებთან შედარებით:
| რეაქცია | რეაქციის დრო კონვენციური |
რეაქციის დრო ულტრაბგერითი |
გამოსავლიანობა კონვენციური (%) |
გამოსავლიანობა ულტრაბგერითი (%) |
|---|---|---|---|---|
| დილს-ალდერის ციკლიზაცია | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| ინდანის ჟანგვა ინდან-1-ონად | 3 h | 3 h | ნაკლები ვიდრე 27% | 73% |
| მეთოქსიამინოსილანის აღდგენა | რეაქცია არ მიმდინარეობს | 3 h | 0% | 100% |
| გრძელი ჯაჭვის გაუჯერებელი ცხიმოვანი ესტერების ეპოქსიდირება | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| არილალკანების ჟანგვა | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| ნიტროალკანების მიქაელის შემატება მონოჩანაცვლებულ α,β-გაუჯერებელ ესტერებზე | 2 დღე | 2 h | 85% | 90% |
| 2-ოქტანოლის პერმანგანატული ჟანგვა | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| ხალკონების სინთეზი კლაიზენ-შმიდტის კონდენსაციით | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| 2-იოდნიტრობენზოლის ულმანის შეუღლების რეაქცია | 2 h | 2h | ნაკლები ვიდრე 1,5% | 70,4% |
| რეფორმატსკის რეაქცია | 12h | 30 min | 50% | 98% |
ულტრაბგერითი კავიტაცია სითხეებში
კავიტაცია, ეს არის ბუშტების წარმოქმნა, ზრდა და იმპლოზიური დაცემა სითხეში. კავიტაციული დაცემა იწვევს ინტენსიურ ლოკალურ გათბობას (~5000 K), მაღალ წნევას (~1000 atm), და უზარმაზარ გათბობისა და გაციების სიჩქარეებს (>10⁹ K/sec) და სითხის ჯეტურ ნაკადებს (~400 km/h). (Suslick 1998)
კავიტაცია შემდეგი მოწყობილობის გამოყენებით UIP1000hd:
კავიტაციის ბუშტები არის ვაკუუმის ბუშტები. ვაკუუმი იქმნება ერთ მხარეს სწრაფად მოძრავი ზედაპირისა და მეორე მხარეს ინერტული სითხის შედეგად. წარმოქმნილი წნევის სხვაობები ემსახურება სითხეში არსებული კოჰეზიისა და ადჰეზიის ძალების დაძლევას.
კავიტაცია შეიძლება წარმოიქმნას სხვადასხვა გზით, როგორიცაა ვენტურის საქშენები, მაღალი წნევის საქშენები, მაღალი სიჩქარით ბრუნვა ან ულტრაბგერითი გარდამქმნელები. ყველა ამ სისტემაში მიწოდებული ენერგია გარდაიქმნება ხახუნად, ტურბულენტობად, ტალღებად და კავიტაციად. მიწოდებული ენერგიის ის ნაწილი, რომელიც კავიტაციად გარდაიქმნება, დამოკიდებულია რამდენიმე ფაქტორზე, რომლებიც აღწერენ კავიტაციის გამომწვევი მოწყობილობის მოძრაობას სითხეში.
აჩქარების ინტენსივობა არის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს ენერგიის ეფექტურ გარდაქმნაზე კავიტაციად. უფრო მაღალი აჩქარება ქმნის უფრო მაღალ წნევის სხვაობებს. ეს თავის მხრივ ზრდის ვაკუუმის ბუშტების წარმოქმნის ალბათობას სითხეში გავრცელებული ტალღების წარმოქმნის ნაცვლად. შესაბამისად, რაც უფრო მაღალია აჩქარება, იმდენად უფრო მაღალია ენერგიის ის ნაწილი, რომელიც კავიტაციად გარდაიქმნება. ულტრაბგერითი ტრანსდუცერის შემთხვევაში, აჩქარების ინტენსივობა აღიწერება რხევის ამპლიტუდით.
უფრო მაღალი ამპლიტუდები იწვევს კავიტაციის უფრო ეფექტურ წარმოქმნას. Hielscher Ultrasonics-ის სამრეწველო მოწყობილობებს შეუძლიათ შექმნან ამპლიტუდები 115 µm-მდე. ეს მაღალი ამპლიტუდები უზრუნველყოფს სიმძლავრის გადაცემის მაღალ კოეფიციენტს, რაც თავის მხრივ შესაძლებელს ხდის სიმძლავრის მაღალი სიმკვრივეების მიღწევას 100 W/cm³-მდე.
ინტენსივობასთან ერთად, სითხე უნდა აჩქარდეს ისე, რომ მინიმალური იყოს ტურბულენტობით, ხახუნითა და ტალღების წარმოქმნით გამოწვეული დანაკარგები. ამისთვის ოპტიმალურია მოძრაობა ერთი მიმართულებით.
ულტრაბგერითი რეაქტორი 16 000 ვატით სონოქიმიურად გაძლიერებული ინლაინ ტრანსესტერიფიკაციისთვის.
- აქტივირებული ლითონების მომზადება ლითონის მარილების აღდგენით
- აქტივირებული ლითონების წარმოქმნა ულტრაბგერითი დამუშავებით
- ნაწილაკების სონოქიმიური სინთეზი ლითონის (Fe, Cr, Mn, Co) ოქსიდების დალექვით, მაგალითად, კატალიზატორებად გამოყენებისთვის
- ლითონების ან ლითონის ჰალოგენიდების იმპრეგნაცია მატარებლებზე
- აქტივირებული ლითონის ხსნარების მომზადება
- ლითონების მონაწილეობით მიმდინარე რეაქციები in situ წარმოქმნილი ორგანოელემენტური სახეობების მეშვეობით
- რეაქციები არალითონური მყარი ნივთიერებების მონაწილეობით
- ლითონების, შენადნობების, ცეოლითებისა და სხვა მყარი ნივთიერებების კრისტალიზაცია და დალექვა
- ზედაპირული მორფოლოგიისა და ნაწილაკების ზომის მოდიფიკაცია მაღალი სიჩქარით ნაწილაკთაშორისი შეჯახებების მეშვეობით
- ამორფული ნანოსტრუქტურული მასალების წარმოქმნა, მათ შორის ზედაპირის დიდი ფართობის მქონე გარდამავალი ლითონების, შენადნობების, კარბიდების, ოქსიდებისა და კოლოიდების
- კრისტალების აგლომერაცია
- პასივაციის გამომწვევი ოქსიდური ფენის გასწორება და მოცილება
- მცირე ნაწილაკების მიკრომანიპულაცია (ფრაქციონირება)
- მყარი ნივთიერებების დისპერგირება
- კოლოიდების მომზადება (Ag, Au, Q-ზომის CdS)
- სტუმარი მოლეკულების ინტერკალაცია მასპინძელ არაორგანულ ფენოვან მყარ ნივთიერებებში
- პოლიმერების სონოქიმია
- პოლიმერების დეგრადაცია და მოდიფიკაცია
- პოლიმერების სინთეზი
- ორგანული დამაბინძურებლების სონოლიზი წყალში
სონოქიმიური აღჭურვილობა
აღნიშნული სონოქიმიური პროცესების უმეტესობა შეიძლება ადაპტირდეს ნაკადურ რეჟიმში მუშაობისთვის. ჩვენ სიამოვნებით დაგეხმარებით თქვენი დამუშავების საჭიროებებისთვის სონოქიმიური აღჭურვილობის შერჩევაში. კვლევისა და პროცესების ტესტირებისთვის გირჩევთ ჩვენს ლაბორატორიულ მოწყობილობებს ან UIP1000hdT კომპლექტს.
თუ საჭიროა, FM და ATEX სერტიფიცირებული ულტრაბგერითი მოწყობილობები და რეაქტორები (მაგ. UIP1000-Exd) ხელმისაწვდომია საშიშ გარემოში აალებადი ქიმიური ნივთიერებებისა და პროდუქტის ფორმულაციების ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის.
ულტრაბგერითი კავიტაცია ცვლის რგოლის გახსნის რეაქციებს
ულტრაბგერითი დამუშავება ქიმიური რეაქციების ინიცირების ალტერნატიული მექანიზმია სითბოს, წნევის, სინათლის ან ელექტროენერგიის გამოყენებასთან შედარებით. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth და მათი გუნდი ილინოისის უნივერსიტეტის ურბანა-შამპეინში ქიმიის ფაკულტეტზე გამოიყენეს ულტრაბგერითი სიმძლავრე რგოლის გახსნის რეაქციების ინიცირებისა და მართვისთვის. ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში ქიმიურმა რეაქციებმა წარმოქმნა პროდუქტები, რომლებიც განსხვავდებოდა ორბიტალური სიმეტრიის წესებით ნაწინასწარმეტყველები პროდუქტებისგან (Nature 2007, 446, 423). ჯგუფმა მექანიკურად მგრძნობიარე 1,2-დისუბსტიტუირებული ბენზოციკლობუტენის იზომერები დაუკავშირა ორ პოლიეთილენგლიკოლის ჯაჭვს, გამოიყენა ულტრაბგერითი ენერგია და ხსნარების მთლიანი მოცულობა გააანალიზა C13 ბირთვული მაგნიტური რეზონანსული სპექტროსკოპიის გამოყენებით. სპექტრებმა აჩვენა, რომ როგორც ცის, ისე ტრანს იზომერები იძლევიან იმავე რგოლის გახსნილ პროდუქტს, რომელიც მოსალოდნელი იყო ტრანს იზომერისგან. სითბური ენერგია რეაგენტების ქაოსურ ბრაუნის მოძრაობას იწვევს, მაგრამ ულტრაბგერითი დამუშავების მექანიკური ენერგია ატომურ მოძრაობებს მიმართულებას აძლევს. შესაბამისად, კავიტაციის ეფექტები ეფექტურად მიმართავენ ენერგიას მოლეკულის დაძაბვით, პოტენციური ენერგიის ზედაპირის გადაყალიბებით.
ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები, როგორიცაა UP400St აძლიერებენ ნანონაწილაკების სინთეზს. სონოქიმიური გზა მარტივია, ეფექტური, სწრაფი და მუშაობს არატოქსიკური ქიმიური ნივთიერებებით მსუბუქ პირობებში.
მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები სონოქიმიისთვის
Hielscher Ultrasonics აწვდის ულტრაბგერით პროცესორებს ლაბორატორიისა და მრეწველობისთვის. Hielscher-ის ყველა ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი ძალიან მძლავრი და გამძლე ულტრაბგერითი მოწყობილობაა, რომელიც შექმნილია სრული დატვირთვით უწყვეტი 24/7 მუშაობისთვის. ციფრული მართვა, პროგრამირებადი პარამეტრები, ტემპერატურის მონიტორინგი, მონაცემთა ავტომატური აღრიცხვა და ბრაუზერით დისტანციური მართვა Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების მხოლოდ რამდენიმე ფუნქციაა. მომხმარებლები აფასებენ მაღალი წარმადობისა და კომფორტული ექსპლუატაციისთვის შექმნილი Hielscher Ultrasonics-ის მოწყობილობების უსაფრთხო და მარტივ მართვას. Hielscher-ის სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორები უზრუნველყოფს ამპლიტუდებს 200µm-მდე და იდეალურია მძიმე სამუშაო პირობებისთვის. კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალურად შექმნილი ულტრაბგერითი სონოტროდები.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაწვდით ინფორმაციას ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დამუშავების მიახლოებითი წარმადობის შესახებ:
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 1-დან 500mL-მდე | 10-დან 200mL/min-მდე | UP100H |
| 10-დან 2000mL-მდე | 20-დან 400mL/min-მდე | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-დან 20L-მდე | 0,2-დან 4L/min-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100L-მდე | 2-დან 10L/min-მდე | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-დან 100L/min-მდე | UIP16000 |
| n.a. | უფრო დიდი | კლასტერი UIP16000 |
დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით შეკითხვა!
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს შერევის, დისპერგირების, ემულსიფიკაციისა და ექსტრაქციისთვის ლაბორატორიულ, საცდელ და სამრეწველო მასშტაბებზე.
ლიტერატურა / რეფერენსები
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
- Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis (2019): Chapter 4 ENERGY – PI Approaches in Thermodynamic Domain. in: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Published 2019 by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.(page 136)
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- 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.
- Barrera-Salgado, Karen; Ramírez-Robledo, Gabriela; Alvarez-Gallegos, Alberto; Arellano, Carlos; Sierra, Fernando; Perez, J. A.; Silva Martínez, Susana (2016): Fenton Process Coupled to Ultrasound and UV Light Irradiation for the Oxidation of a Model Pollutant. Journal of Chemistry, 2016. 1-7.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ლაბორატორიულ იდან სამრეწველო მასშტაბამდე.