초음파 화학 반응 및 합성

초음파 화학은 화학 반응과 공정에 초음파를 적용하는 분야입니다. 액체에서 초음파 화학적 효과를 일으키는 메커니즘은 음향 캐비테이션 현상입니다.

Hielscher의 실험실용 및 산업용 초음파 장치는 광범위한 초음파 화학 공정에 사용됩니다. 초음파 캐비테이션은 합성 및 촉매 반응과 같은 화학 반응을 강화하고 가속합니다.

초음파 화학 반응

화학 반응과 공정에서 다음과 같은 초음파 화학적 효과를 관찰할 수 있습니다:

• 반응 속도 증가
• 반응 생성량 증가
• 더 효율적인 에너지 사용
• 반응 경로를 전환하는 초음파 화학적 방법
• 상간 이동 촉매의 성능 향상
• 상간 이동 촉매 사용 회피
• 미정제 시약 또는 공업용 시약 사용
• 금속 및 고체의 활성화
• 시약 또는 촉매의 반응성 증가(초음파 보조 촉매 반응에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요)
• 입자 합성 개선
• 나노입자 코팅

초음파로 강화된 화학 반응의 장점

초음파로 촉진되는 화학 반응은 화학 합성 및 처리 분야에서 확립된 공정 강화 기술입니다. 이러한 반응은 초음파의 힘을 활용하여 기존 방법에 비해 수많은 장점을 제공하며, 화학 촉매 반응과 합성을 개선합니다. 초고속 전환율, 우수한 수율, 향상된 선택성, 개선된 에너지 효율 및 환경 영향 감소가 초음파 화학 반응의 주요 장점입니다.

아래 표는 기존 화학 반응과 비교하여 초음파로 촉진되는 반응의 몇 가지 두드러진 장점을 보여줍니다:

액체 내 초음파 캐비테이션

캐비테이션은 액체 내 기포의 형성, 성장 및 내파적 붕괴를 의미합니다. 캐비테이션 붕괴는 강력한 국소 가열(~5000 K), 고압(~1000 atm), 엄청난 가열 및 냉각 속도(>10⁹ K/sec)와 액체 제트 흐름(~400 km/h)을 발생시킵니다. (Suslick 1998)

캐비테이션 발생에 사용된 장치: UIP1000hd:

캐비테이션 기포는 진공 기포입니다. 진공은 한쪽의 빠르게 움직이는 표면과 다른 쪽의 관성을 지닌 액체에 의해 생성됩니다. 이로 인해 발생하는 압력 차이는 액체 내부의 응집력과 부착력을 극복하는 역할을 합니다.

캐비테이션은 벤투리 노즐, 고압 노즐, 고속 회전 또는 초음파 변환기 등 다양한 방식으로 발생시킬 수 있습니다. 이러한 모든 시스템에서 입력 에너지는 마찰, 난류, 파동 및 캐비테이션으로 변환됩니다. 입력 에너지 중 캐비테이션으로 변환되는 비율은 액체 내에서 캐비테이션 발생 장치의 움직임을 나타내는 여러 요인에 따라 달라집니다.

가속도의 크기는 에너지를 캐비테이션으로 효율적으로 변환하는 데 영향을 미치는 가장 중요한 요인 중 하나입니다. 가속도가 높을수록 더 큰 압력 차이가 발생합니다. 이는 다시 액체를 통해 전파되는 파동이 생성되는 대신 진공 기포가 생성될 확률을 높입니다. 따라서 가속도가 높을수록 캐비테이션으로 변환되는 에너지의 비율이 높아집니다. 초음파 변환기의 경우 가속도의 크기는 진동 진폭으로 나타냅니다.

진폭이 높을수록 캐비테이션이 더 효과적으로 생성됩니다. Hielscher Ultrasonics의 산업용 장치는 최대 115 µm의 진폭을 생성할 수 있습니다. 이러한 높은 진폭은 높은 동력 전달률을 가능하게 하며, 이를 통해 최대 100 W/cm³의 높은 출력 밀도를 생성할 수 있습니다.

가속도의 크기뿐 아니라 액체를 가속하는 방식도 난류, 마찰 및 파동 생성에 따른 손실을 최소화해야 합니다. 이를 위한 최적의 방식은 한 방향으로 움직이게 하는 것입니다.

• 금속염의 환원에 의한 활성화 금속 제조
• 초음파 처리에 의한 활성화 금속 생성
• 금속(Fe, Cr, Mn, Co) 산화물의 침전에 의한 입자의 초음파 화학적 합성(예: 촉매용)
• 지지체에 금속 또는 금속 할로젠화물 함침
• 활성화 금속 용액 제조
• 반응계 내에서 생성된 유기 원소 화학종을 통한 금속 관여 반응
• 비금속 고체가 관여하는 반응
• 금속, 합금, 제올라이트 및 기타 고체의 결정화와 침전
• 고속 입자 간 충돌에 의한 표면 형상 및 입자 크기 변형
  • 비표면적이 높은 전이 금속, 합금, 탄화물, 산화물 및 콜로이드를 포함하는 비정질 나노구조 재료의 형성
  • 결정의 응집
  • 부동태 산화물 피막의 평활화 및 제거
  • 작은 입자의 미세 조작(분획)
• 고체 분산
• 콜로이드(Ag, Au, Q 크기의 CdS) 제조
• 호스트 무기 층상 고체 내로 게스트 분자 삽입
• 고분자의 초음파 화학
  • 고분자의 분해 및 개질
  • 고분자 합성
• 수중 유기 오염물질의 초음파 분해

초음파 화학 장비

앞서 언급한 대부분의 초음파 화학 공정은 인라인으로 작동하도록 개조할 수 있습니다. 귀사의 공정 요구에 맞는 초음파 화학 장비를 선택하실 수 있도록 기꺼이 도와드리겠습니다. 연구 및 공정 시험에는 당사의 실험실용 장치 또는 UIP1000hdT 세트를 권장합니다.

필요한 경우, 위험 환경에서 가연성 화학물질과 제품 제형을 초음파 처리하기 위한 FM 및 ATEX 인증 초음파 장치와 반응기(예: UIP1000-Exd)를 이용하실 수 있습니다.

초음파 캐비테이션이 개환 반응을 변화시킵니다

초음파 처리는 화학 반응을 개시하기 위해 열, 압력, 빛 또는 전기를 대신할 수 있는 메커니즘입니다. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth와 이들이 속한 일리노이 대학교 어바나샴페인 캠퍼스 화학과 연구팀은 초음파 출력을 사용하여 개환 반응을 유도하고 조절했습니다. 초음파 처리 시 화학 반응은 궤도 대칭 규칙으로 예측된 것과 다른 생성물을 형성했습니다(Nature 2007, 446, 423). 연구진은 기계적 자극에 민감한 1,2-이치환 벤조사이클로부텐 이성질체를 두 폴리에틸렌글리콜 사슬에 연결하고 초음파 에너지를 가한 다음, 벌크 용액을 C¹³ 핵자기 공명 분광법으로 분석했습니다. 스펙트럼은 시스 및 트랜스 이성질체 모두 트랜스 이성질체에서 예상되는 동일한 개환 생성물을 형성함을 보여 주었습니다. 열에너지가 반응물의 무작위 브라운 운동을 일으키는 반면, 초음파 처리의 기계적 에너지는 원자 운동에 방향성을 부여합니다. 따라서 캐비테이션 효과는 분자에 변형을 가하여 에너지를 효율적으로 유도하고 퍼텐셜 에너지 표면의 형태를 변화시킵니다.

초음파 화학용 고성능 초음파 처리기

Hielscher Ultrasonics는 실험실 및 산업용 초음파 프로세서를 공급합니다. 모든 Hielscher 초음파 처리기는 매우 강력하고 견고한 초음파 장비이며, 전부하 상태에서 24/7 연속 운전하도록 제작됩니다. 디지털 제어, 프로그래밍 가능한 설정, 온도 모니터링, 자동 데이터 기록 및 원격 브라우저 제어는 Hielscher 초음파 처리기가 제공하는 기능 중 일부에 불과합니다. Hielscher Ultrasonics 장비는 고성능과 편리한 작동을 위해 설계되었으며, 사용자들은 안전하고 간편한 취급 방식을 높이 평가합니다. Hielscher 산업용 초음파 프로세서는 최대 200µm의 진폭을 제공하며 고부하 응용 분야에 이상적입니다. 더 높은 진폭이 필요한 경우에는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다: