초음파 에스테르 교환을 통한 폴리올 합성

폴리올은 주로 식물성 기름 또는 동물성 지방에서 추출한 트리글리세라이드의 에스테르 교환을 통해 생산되는 합성 에스테르입니다. 이 폴리올은 폴리우레탄, 생물 윤활제 및 기타 세미칼 생산을 위한 원료입니다. 초음파는 강렬한 전단력과 열 에너지를 가하여 에스테르 교환 반응을 향상시키는 데 사용됩니다. 초음파와 초음파 화학 효과는 반응 에너지를 공급하고 물질 전달 한계를 극복하는 데 도움이 됩니다. 따라서 초음파 처리는 에스테르 교환 속도, 수율 및 전반적인 효율성을 크게 향상시킵니다.

초음파 보조 에스테르 교환(Ultrasound-Assisted Transesterification)

에스테르 교환 반응은 가장 중요한 합성 경로 중 하나이며 식물성 기름을 석유 제품 대체물로 전환하는 효과적인 기술로 널리 사용됩니다. Sono-synthesis (고성능 초음파를 통해 촉진되는 화학 합성 인 sonochemical synthesis)는 에스테르 교환 및 기타 화학 공정에 유익한 효과로 잘 알려져 있습니다.

초음파를 사용한 식물성 기름에서 지속 가능한 폴리올 합성

식물 유래 지방산, 즉 식물성 오일은 널리 사용 가능하고 재생 가능한 원료이며 바이오 기반 폴리올 및 폴리 우레탄의 제조에 사용할 수 있습니다. 파워 초음파의 적용은 유리한 초음파 화학 효과를 생성하여 에스테르 교환의 촉매 반응을 크게 가속화합니다. 또한, 초음파 처리는 음향 캐비테이션의 강렬한 혼합 에너지가 질량 전달 제한을 극복함에 따라 합성 된 폴리올의 수율을 향상시킵니다. 초음파 에스테르 교환 반응은 기존의 에스테르 교환 반응과 같이 더 낮은 알코올과 촉매로 효율적으로 실행되는 것으로 잘 알려져 있습니다. 이것은 초음파에 의한 전반적인 효율성 향상으로 이어집니다.

Pentaerythritol 에스테르 기반 생물 윤활제의 초음파 합성

펜타에리트리톨 에스테르는 아루무감 연구팀이 입증한 바와 같이 2단계 초음파 화학 공정을 통해 유채씨유에서 효율적으로 합성할 수 있습니다. 최적화 연구에서 연구원들은 Hielscher 초음파 증폭기 UP400St (왼쪽 그림 참조)를 사용했습니다. 첫 번째 초음파 화학적으로 촉진된 에스테르 교환화에서는 유채씨유가 메탄올과 반응하여 메틸 에스테르가 됩니다. 두 번째 에스테르 교환 단계에서 메틸 에스테르는 자일렌 및 촉매와 반응하여 펜타에리스리톨 에스테르에 반응합니다. 연구원은 초음파에서 pentaerythritol 에스테르 합성의 수율과 전반적인 효율성을 향상시키기 위해 초음파 공정 매개 변수의 최적화에 중점을 두었습니다. 15 s의 초음파 펄스, 60 %의 초음파 진폭, 1.5 wt%의 촉매 농도 및 100 °C의 반응 온도로 pentaerythritol 에스테르의 81.4 %의 향상된 수율을 달성했습니다. 품질 관리를 위해, 초음파 화학적으로 합성 된 pentaerythritol 에스테르를 합성 등급 압축기 오일과 비교했습니다. 결론적으로, 이 연구는 초음파로 촉진된 연속적인 에스테르 교환 공정이 펜타에리트리톨 에스테르 기반 생물 윤활제의 합성을 위한 기존의 연속 에스테르 교환 공정을 대체하는 효율적인 방법임을 시사합니다. 초음파 에스테르 교환 공정의 주요 장점은 펜타에리트리톨 에스테르의 수율 증가, 반응 시간 단축 및 반응 온도가 현저히 낮아진다는 것입니다. (Arumugam et al., 2019 참조)

초음파로 강화된 유채씨유의 펜타에리스리톨 에스테르로의 2단계 에스테르 교환.
(Arumugam et al., 2019에서 발췌)

초음파 합성을 통한 Pentanal 유래 아세탈 에스테르

Kurniawan 연구팀은 녹색 화학의 원리를 채택한 초음파 화학적 방법을 통해 3개의 펜타날 유래 아세탈 에스테르를 합성했습니다. 초음파 처리는 두 가지 화학적 단계를 촉진하는 데 사용되었습니다.

1. 9,10-디하이드록시옥타데카노산의 에스테르화
2. 알킬 9,10-디하이드록시옥타데카노에이트의 아세탈리화

알킬 9,10-디히드록시스테아레이트의 에스테르를 생성하기 위해서는 두 단계가 필요하며 67-85%의 수율을 얻었다. 효율성 평가를 위해 초음파 화학적 방법을 기존의 환류 기술과 비교했습니다. 또한 황산(H2SO4), 천연 벤토나이트 및 H-벤토나이트와 같은 균질 및 고체 산 촉매를 사용하여 다양한 촉매의 영향과 효율성을 측정했습니다. H-벤토나이트에 의해 촉매된 산의 초음파화학적 에스테르화는 환류법보다 3배 짧은 반응 시간에 최대 70%의 수율로 제품을 제공하는 것으로 나타났으며, 이는 주목할 만합니다. 초음파를 사용하여 H-벤토나이트가 있는 상태에서 n-펜타날을 사용한 최종 아세탈화 단계는 기존 방법보다 높은 69-85% 수율로 3개의 펜타날 유래 디옥솔란 유도체를 제공했습니다. 환류 방법은 초음파 합성이 10-30 분 밖에 걸리지 않기 때문에 초음파 화학 방법보다 더 긴 반응 시간이 필요했습니다. 초음파 처리 하에서 상당히 짧은 반응 시간 외에도, 각 에스테르의 현저한 수율은 초음파 화학 방법을 사용하여 얻어졌다.
연구원은 또한 초음파 화학 반응의 에너지 요구량이 기존 방법보다 약 62배 낮다고 계산했습니다. 이것은 비용을 절감하고 환경 친화적입니다.
각 제품의 물리화학적 특성을 조사한 결과, 메틸 8-(2-부틸-5-옥틸-1,3-디옥솔란-4-일)옥타노에이트가 일반 윤활제를 대체할 수 있는 기능을 갖춘 잠재적인 새로운 생물 윤활제임이 밝혀졌습니다. (참조: Kurniawan et al., 2021)

초음파를 이용한 Pentaerythryl Ester의 트랜스에스테르화

Pentaerythryl 에스테르는 해바라기, 아마씨 및 jatropha 오일과 같은 식물성 기름에서 얻을 수 있습니다. Hashem의 연구팀은 두 가지 에스테르 교환 단계를 포함하는 연속적인 염기 촉매 에스테르 교환을 통해 바이오 기반 윤활제의 합성을 입증했습니다. 그들은 해바라기, 아마씨 및 jatropha 오일을 사용하여 합성의 타당성을 입증했습니다. 첫 번째 단계에서, 오일은 해당 메틸 에스테르로 전환되었습니다. 두 번째 공정에서, 메틸 에스테르는 다음 계획과 같이 펜타에리트리톨의 작용에 의해 펜타에리스릴 에스테르로 전환되었습니다(참조: Hashem et al., 2013)

식물성 오일을 메틸 에스테르로 트랜스에스테르화한 후, 메틸 에스테르는 위의 계획에서 나타난 바와 같이 펜타에리트리톨의 작용에 의해 펜타에리스릴 에스테르로 전환됩니다.
(참조: Hashem et al., 2013)

트랜스에스테르 화에 대한 초음파의 현저한 반응 향상 효과는 과학적으로 입증되었으며 이미 수십 년 동안 산업적으로 채택되었습니다. 초음파로 개선된 트랜스에스테르화의 가장 두드러진 예는 오일과 지방을 바이오디젤로 알려진 지방산 메틸 에스테르(FAME)로 변환하는 것입니다.
(폐기물) 오일과 지방을 바이오디젤로 초음파를 이용한 에스테르 교환에 대해 자세히 알아보십시오!

Transesterification 및 기타 화학 합성을 위한 초음파 프로브 및 반응기

Hielscher 초음파는 초음파 화학 반응을위한 정교한 고성능 초음파에 관한 전문가입니다. Hielscher는 모든 크기의 프로브 (소노트로드), 반응기 및 플로우 셀과 같은 고출력 초음파기 및 액세서리를 설계, 제조 및 배포하고 화학 실험실 및 산업 규모의 화학 생산 시설을 공급합니다. 소형 실험실 초음파 장치에서 산업용 초음파 프로브 및 반응기에 이르기까지 Hielscher는 공정에 이상적인 초음파 시스템을 갖추고 있습니다. 소노 촉매 및 초음파 합성과 같은 응용 분야에서 오랜 경험을 쌓은 당사의 잘 훈련된 직원이 귀하의 요구 사항에 가장 적합한 설정을 추천할 것입니다.
Hielscher 초음파는 모든 Hielscher 산업용 초음파가 연속 작동 (24/7)에서 매우 높은 진폭을 제공 할 수 있기 때문에 매우 높은 견고성과 강렬한 초음파를 전달할 수있는 고성능 초음파 시스템을 제조합니다. 견고한 초음파 시스템은 유지 보수가 거의 필요하지 않으며 실행되도록 제작되었습니다. 따라서 Hielscher 초음파 장비는 까다로운 조건의 중장비 응용 분야에 신뢰할 수 있습니다. 고온 또는 매우 가혹한 화학 물질에 대한 특수 소노트로드도 사용할 수 있습니다.
최고 품질 – 독일에서 설계 및 제작: 모든 장비는 독일에 있는 본사에서 설계 및 제조됩니다. 고객에게 배송하기 전에 모든 초음파 장치는 최대 부하에서 신중하게 테스트됩니다. 우리는 고객 만족을 위해 노력하며 생산은 최고의 품질 보증(예: ISO 인증)을 이행하도록 구성되어 있습니다.

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.