Sonochemical 반응 및 합성
Sonochemistry는 화학 반응 및 공정에 초음파를 적용하는 것입니다. 액체에서 초음파 화학 효과를 일으키는 메커니즘은 음향 캐비테이션 현상입니다.
Hielscher 초음파 실험실 및 산업용 장치는 광범위한 초음파 화학 공정에 사용됩니다. 초음파 캐비테이션은 합성 및 촉매와 같은 화학 반응을 강화하고 가속화합니다.
초음파 화학 반응
화학 반응 및 공정에서 다음과 같은 초음파 화학적 효과를 관찰 할 수 있습니다.
- 반응 속도 증가
- 반응 출력 증가
- 보다 효율적인 에너지 사용
- 반응 경로의 전환을 위한 초음파화학적 방법
- 상전이 촉매의 성능 향상
- 상전이 촉매의 회피
- 원유 또는 기술 시약의 사용
- 금속 및 고체의 활성화
- 시약 또는 촉매의 반응성 증가(초음파 보조 촉매 작용에 대한 자세한 내용을 보려면 여기를 클릭하십시오.)
- 입자 합성의 개선
- 나노 입자의 코팅
7 초음파 균질화기의 모델 UIP1000hdT (7x 1kW 초음파 전력) 산업 규모의 초음파 화학 반응을 위한 클러스터로 설치됨.
초음파 강화 화학 반응의 장점
초음파로 촉진 된 화학 반응은 화학 합성 및 가공 분야에서 공정 강화의 확립 된 기술입니다. 초음파의 힘을 활용함으로써 이러한 반응은 기존 방법에 비해 많은 이점을 제공하여 화학적 촉매 및 합성을 개선합니다. 빠른 전환율, 우수한 수율, 향상된 선택성, 향상된 에너지 효율성 및 환경 영향 감소는 초음파 화학 반응의 주요 장점입니다.
테이블 블로우 는 초음파 촉진 반응과 기존 화학 반응의 몇 가지 두드러진 이점을 보여줍니다.
| 반응 | 반응 시간 진부한 |
반응 시간 초음파 |
양도하다 기존(%) |
양도하다 초음파(%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder 고리화 | 35시간 | 3.5의 시간 | 77.9 | 97.3 |
| indane에서 indane-1-one으로의 산화 | 3시간 | 3시간 | 27% 미만 | 73% |
| 메톡시아미노실란의 감소 | 반응 없음 | 3시간 | 0% | 100% |
| 장쇄 불포화 지방 에스테르의 에폭시화 | 2시간 | 15분 | 48% | 92% |
| 아릴알칸의 산화 | 4시간 | 4시간 | 12% | 80% |
| monosubstituted α,β-불포화 에스테르에 니트로알칸의 마이클 첨가 | 2 일 | 2시간 | 85% | 90% |
| 2-옥탄올의 과망간산염 산화 | 5시간 | 5시간 | 3% | 93% |
| CLaisen-Schmidt 축합에 의한 칼콘 합성 | 60분 | 10분 | 5% | 76% |
| 2-요오드니트로벤젠의 UIllmann 커플링 | 2시간 | 2시간 | 적게 태닝 1.5% | 70.4% |
| Reformatsky 반응 | 12시간 | 30분 | 50% | 98% |
액체의 초음파 캐비테이션
캐비테이션(Cavitation), 즉 액체에서 기포의 형성, 성장 및 내파적 붕괴입니다. 캐비테이션 붕괴는 강렬한 국부 가열(~5000K), 고압(~1000atm) 및 엄청난 가열 및 냉각 속도(>109 K/sec) 및 액체 제트 스트림(~400 km/h). (Suslick 1998)
를 사용한 캐비테이션 UIP1000hd 영어:
캐비테이션 버블은 진공 버블입니다. 진공은 한쪽에는 빠르게 움직이는 표면이 있고 다른 한쪽에는 불활성 액체가 있습니다. 결과적으로 발생하는 압력 차이는 액체 내의 응집력과 접착력을 극복하는 역할을 합니다.
캐비테이션은 벤츄리 노즐, 고압 노즐, 고속 회전 또는 초음파 변환기와 같은 다양한 방식으로 생성할 수 있습니다. 이러한 모든 시스템에서 입력 에너지는 마찰, 난기류, 파동 및 캐비테이션으로 변환됩니다. 캐비테이션으로 변환되는 입력 에너지의 비율은 액체에서 캐비테이션 생성 장비의 움직임을 설명하는 몇 가지 요인에 따라 달라집니다.
가속의 강도는 에너지를 캐비테이션으로 효율적으로 변환하는 데 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 가속도가 높을수록 압력 차이가 커집니다. 이것은 차례로 액체를 통해 전파되는 파동의 생성 대신 진공 기포의 생성 가능성을 높입니다. 따라서 가속도가 높을수록 캐비테이션으로 변환되는 에너지의 비율이 높아집니다. 초음파 변환기의 경우 가속 강도는 진동 진폭으로 설명됩니다.
진폭이 높을수록 캐비테이션이 더 효과적으로 생성됩니다. Hielscher 초음파의 산업용 장치는 최대 115 μm의 진폭을 생성 할 수 있습니다. 이러한 높은 진폭은 높은 전력 전송 비율을 허용하여 최대 100W/cm³의 높은 전력 밀도를 생성할 수 있습니다.
강도 외에도 액체는 난기류, 마찰 및 파동 생성 측면에서 손실을 최소화하는 방식으로 가속되어야 합니다. 이를 위해 최적의 방법은 일방적인 이동 방향입니다.
초음파 화학적으로 향상된 인라인 에스테르 교환을 위한 16,000와트의 초음파 반응기.
- 금속염의 환원에 의한 활성금속의 제조
- 초음파 처리에 의한 활성 금속의 생성
- 금속(Fe, Cr, Mn, Co) 산화물의 침전에 의한 입자의 초음파화학적 합성(예: 촉매로 사용)
- 지지체에 금속 또는 금속 할로겐화물의 함침
- 활성 금속 용액의 준비
- in situ 생성 유기 원소 종을 통한 금속 관련 반응
- 비금속 고체와 관련된 반응
- 금속, 합금, 제올라이트 및 다른 고체의 결정화 그리고 강수
- High Velocity Interparticle Collisions에 의한 표면 형태 및 입자 크기 수정
- 높은 표면적 전이 금속, 합금, 탄화물, 산화물 및 콜로이드를 포함한 비정질 나노 구조 물질의 형성
- 결정의 응집
- 부동태화 산화물 코팅의 매끄러움 및 제거
- 작은 입자의 Micromanipulation (fractionation)
- 고체의 분산
- 콜로이드 제조(Ag, Au, Q-sized CdS)
- 게스트 분자를 호스트 무기층 고체로 삽입
- 고분자의 sonochemistry
- 중합체의 분해 및 변형
- 고분자의 합성
- 물 속의 유기 오염 물질의 초음파 분해
초음파 화학 장비
언급된 대부분의 초음파 화학 공정은 인라인으로 작동하도록 개조할 수 있습니다. 귀하의 가공 요구에 맞는 초음파 화학 장비를 선택하는 데 도움을 드리게 되어 기쁩니다. 연구 및 프로세스 테스트를 위해 실험실 장치 또는 UIP1000hdT 세트.
필요한 경우 FM 및 ATEX 인증 초음파 장치 및 반응기(예: UIP1000-엑스드)는 위험한 환경에서 가연성 화학 물질 및 제품 제형의 초음파 처리에 사용할 수 있습니다.
초음파 캐비테이션은 링 개방 반응을 변화시킵니다.
초음파는 화학 반응을 시작하기 위해 열, 압력, 빛 또는 전기에 대한 대체 메커니즘입니다. 제프리 에스 무어, Charles R. Hickenboth와 그들의 팀 University of Illinois at Urbana-Champaign 화학부 고리 열림 반응을 유발하고 조작하기 위해 초음파를 사용했습니다. 초음파 처리 하에서 화학 반응은 궤도 대칭 규칙에 의해 예측된 것과 다른 생성물을 생성했습니다(Nature 2007, 446, 423). 연구팀은 기계적으로 민감한 1,2-이치환된 벤조사이클로부텐 이성질체를 2개의 폴리에틸렌 글리콜 사슬에 연결하고, 초음파 에너지를 적용하고, C를 사용하여 벌크 용액을 분석했다13 핵 자기 공명 분광법. 스펙트럼은 시스 이성질체와 트랜스 이성질체가 모두 트랜스 이성질체에서 예상되는 것과 동일한 고리 개방 생성물을 제공한다는 것을 보여주었습니다. 열 에너지는 반응물의 무작위 브라운 운동을 일으키는 반면, 초음파의 기계적 에너지는 원자 운동에 방향을 제공합니다. 따라서 캐비테이션 효과는 분자를 변형시켜 에너지를 효율적으로 유도하고 위치 에너지 표면을 재형성합니다.
프로브 형 초음파를 UP400ST 나노 입자의 합성을 강화합니다. 초음파 화학 경로는 간단하고 효과적이며 빠르며 온화한 조건에서 무독성 화학 물질과 함께 작동합니다.
Sonochemistry를위한 고성능 초음파기
Hielscher 초음파는 실험실 및 산업용 초음파 프로세서를 공급합니다. 모든 Hielscher 초음파기는 매우 강력하고 견고한 초음파 기계이며 최대 부하에서 연속 24/7 작동을 위해 제작되었습니다. 디지털 제어, 프로그래밍 가능한 설정, 온도 모니터링, 자동 데이터 프로토콜링 및 원격 브라우저 제어는 Hielscher 초음파의 몇 가지 기능에 불과합니다. 고성능 및 편안한 작동을 위해 설계된 사용자는 Hielscher 초음파 장비의 안전하고 쉬운 취급을 중요하게 생각합니다. Hielscher 산업용 초음파 프로세서는 최대 200μm의 진폭을 제공하며 헤비 듀티 애플리케이션에 이상적입니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모에서 혼합 응용 분야, 분산, 유화 및 추출을위한 고성능 초음파 균질화기를 제조합니다.
문헌 / 참고문헌
- 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.
