초음파화학은 고강도 초음파가 화학 반응을 유도, 가속화 및 수정하는 데 사용되는 화학 분야입니다(합성, 촉매, 분해, 중합화, 가수분해 등). 초음파로 생성된 캐비테이션은 화학 반응을 촉진하고 강화하는 독특한 에너지 밀도 조건을 특징으로합니다. 반응 속도가 빨라지고, 수율이 높아지고, 녹색의 사용이 더 심하고, 온화한 시약은 화학 반응을 향상시키기 위해 매우 유리한 도구로 sonochemistry를 돌립니다.

sonochemistry

초음파화학은 분자가 고강도 초음파(예를 들어, 20kHz)의 적용으로 인해 화학 반응을 겪는 연구 및 처리 분야이다. sonochemical 반응을 담당하는 현상은 음향 캐비테이션입니다. 음향 또는 초음파 캐비테이션은 강력한 초음파파가 액체 또는 슬러리에 결합될 때 발생합니다. 액체의 전력 초음파파로 인한 교대로 고압/저압 사이클로 인해 진공 기포(캐비테이션 보이드)가 생성되어 여러 압력 주기에 걸쳐 증가합니다. 캐비테이션 진공 버블이 더 많은 에너지를 흡수할 수 없는 특정 크기에 도달하면 진공 버블이 격렬하게 파열되어 에너지밀도가 높은 핫스팟을 만듭니다. 이 현지에서 발생하는 핫스팟은 매우 높은 온도, 압력 및 매우 빠른 액체 제트기의 마이크로 스트리밍으로 특징지입니다.

고강도 초음파의 음향 캐비테이션 및 효과

종종 초음파 캐비테이션이라고도 불리는 음향 캐비테이션은 안정적이고 일시적인 캐비테이션의 두 가지 형태로 구별 될 수 있습니다. 안정적인 캐비테이션 동안, 캐비테이션 버블은 평형 반경 주위로 여러 번 진동하며, 일시적인 캐비테이션 동안 단명한 거품이 몇 가지 음향 주기에서 극적인 볼륨 변화를 겪고 폭력적인 붕괴(Suslick 1988)로 종료됩니다. 안정적이고 일시적인 캐비테이션은 용액에서 동시에 발생할 수 있으며 안정적인 캐비테이션을 겪고 있는 거품은 일시적인 캐비티가 될 수 있다. 과도 캐비테이션과 고강도 초음파 처리의 특징인 버블 내파는 5000-25,000 K의 매우 높은 온도, 최대 1000 bar의 압력 및 최대 1000m/s의 속도로 액체 스트림을 포함한 다양한 물리적 조건을 생성합니다. 캐비테이션 기포의 붕괴/파열이 나노초 미만으로 발생하기 때문에 10초를 초과하는 매우 높은 가열 및 냉각 속도¹¹ K/s를 관찰할 수 있습니다. 이러한 높은 가열 속도와 압력 차등은 반응을 시작하고 가속화 할 수 있습니다. 발생하는 액체 스트림에 관해서는, 이 고속 마이크로 제트는 이질적인 고체 액체 슬러리에 관해서 특히 높은 이점을 보여줍니다. 액체 제트는 붕괴 거품의 전체 온도와 압력으로 표면에 충돌하고 입자 간 충돌뿐만 아니라 국소화 된 용융을 통해 침식을 유발합니다. 따라서 용액에서 현저히 개선된 질량 전달이 관찰된다.

초음파 캐비테이션은 액체및 용매에서 가장 효과적으로 생성되며 낮은 증기 압력을 재치있게 합니다. 따라서 증기 압력이 낮은 미디어는 sonochemical 응용 제품에 유리합니다.
초음파 캐비테이션의 결과로, 생성된 강렬한 힘은 반응의 경로를 보다 효율적인 경로로 전환하여 보다 완전한 변환 및/또는 원치 않는 부산물의 생산을 피할 수 있습니다.
캐비테이션 기포의 붕괴로 생성된 에너지 밀도의 공간은 핫스팟이라고 합니다. 20kHz 범위의 저주파, 고전력 초음파 및 고진도를 생성하는 능력은 강렬한 핫스팟 생성과 유리한 초음파 화학적 조건의 생성을 위해 잘 확립되어 있습니다.

초음파 실험실 장비뿐만 아니라 상업용 초음파 공정을위한 산업용 초음파 반응기는 실험실, 파일럿 및 완전 산업 규모에서 신뢰할 수 있고 효율적이며 환경 친화적 으로 쉽게 사용할 수 있습니다. Sonochemical 반응은 폐쇄된 유동 세포 반응기를 사용하여 배치(즉, 열린 용기) 또는 라인 프로세스로서 수행될 수 있다.

소노 - 합성

소노 합성 또는 초음파 합성은 화학 반응을 시작하고 촉진하기 위해 초음파 생성 캐비테이션의 적용이다. 고전력 초음파(예: 20kHz)는 분자 및 화학 결합에 강한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 강렬한 초음파 처리로 인한 초음파 화학적 효과는 분자를 분할하고, 자유 라디칼을 생성하거나, 화학 경로를 전환할 수 있습니다. 따라서 Sonochemical 합성은 나노 구조화 된 물질의 광범위한 제조 또는 변형에 강렬하게 사용된다. 소노 합성을 통해 생성된 나노물질에 대한 예는 나노입자(예를 들어, 금 NP, 은 NP), 안료, 코어 쉘 나노 입자, 나노 하이드록샤파티타이트, 금속 유기 프레임워크(MOF), 활성 제약 성분 (API), 마이크로 스피어 장식 나노 입자, 다른 많은 재료 중 나노 복합체.
예제: 지방산 메틸 에스테르 (바이오 디젤)의 초음파 에스테르 교환 또는 초음파를 이용한 폴리올의 에스테르 교환.

TEM 이미지(A)와 최적의 조건에서 sonochemical로 합성된 은 나노입자(Ag-NPs)의 입자 크기 분포(B).

또한 널리 적용되는 초음파는 초포화 용액을 생성하고 결정화 / 강수화를 시작하고 초음파 공정 파라미터를 통해 결정 크기 및 형태를 제어하는 데 사용되는 초음파 가학적으로 촉진된 결정화 (sono-crystallization)입니다. 소노 결정화에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하십시오!

소노 - 촉매 작용

화학 적 현탁액 또는 용액을 초음파 처리하면 촉매 반응을 크게 향상시킬 수 있습니다. sonochemical 에너지는 반응 시간을 줄이고 열 및 질량 전달을 개선하여 화학 속도 상수, 수율 및 선택성을 증가시킵니다.
전원 초음파의 적용과 초음파 효과의 적용에서 크게 혜택을 수많은 촉매 과정이 있습니다. 두 개 이상의 난설성 액체 또는 액체 고체 조성물을 포함하는 임의의 이기종 상 전달 촉매(PTC) 반응은 초음파 처리, 초음파 화학 에너지 및 개선된 질량 전달의 이점을 누릴 수 있다.
예를 들어, 물에서 페놀의 무음 및 초음파 보조 촉매 습식 과산화물의 비교 분석은 초음파 처리가 반응의 에너지 장벽을 감소시켰다는 것을 밝혔지만 반응 경로에 영향을 미치지 않았다. RuI를 통해 페놀산화를 위한 활성화 에너지_삼 초음파 처리 중 촉매는 13 kJ 몰로 밝혀졌다^-1, 침묵 산화 공정 (57 kJ mol)에 비해 4 배 작아졌다^-1). (Rokhina 외, 2010)
Sonochemical 촉매는 금속, 합금, 금속 화합물, 비금속 재료 및 무기 복합재와 같은 미크로네 및 나노 구조 무기 재료의 제조뿐만 아니라 화학 제품의 제조에 성공적으로 사용됩니다. 초음파 보조 PTC의 일반적인 예는 메틸 에스테르 (바이오 디젤), 가수 분해, 식물성 오일의 수액화, 소노 펜톤 반응 (펜톤 과 같은 과정), 초음파 분해 등으로 자유 지방산의 트랜스스테레이션입니다.
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기타 소노케컬 어플리케이션

다재다능한 사용, 신뢰성 및 간편한 작동, 같은 화학적 시스템으로 인해 UP400St 또는 UIP2000hdT 화학 반응을 위한 효율적인 장비로 평가됩니다. Hielscher 초음파 초음파 화학 장치는 초음파 유동 셀을 사용하여 배치 (오픈 비커) 및 연속 인라인 초음파 처리에 쉽게 사용할 수 있습니다. 소노 합성, 소노 촉매, 분해 또는 중합을 포함한 소노케미스는 화학, 나노기술, 재료 과학, 제약, 미생물학 뿐만 아니라 다른 산업에서도 널리 사용되고 있다.

고성능 음화학 장비

Hielscher 초음파는 효율적이고 신뢰할 수있는 초음파 반응을위한 혁신적인 최첨단 초음파, 초음파 유동 전지, 원자로 및 액세서리의 최고 공급 업체입니다. 모든 Hielscher 초음파 는 독일 텔토우 (베를린 근처)에있는 Hielscher 초음파 본사에서 독점적으로 설계, 제조 및 테스트됩니다. Hielscher 초음파 장치는 최고 기술 표준과 뛰어난 견고성 및 고효율 작동을 위한 24/7/365 작동 외에도 작동이 쉽고 신뢰할 수 있습니다. 고효율, 스마트 소프트웨어, 직관적인 메뉴, 자동 데이터 프로토콜 및 브라우저 리모컨은 Hielscher 초음파와 다른 초음파를 다른 초음파 장비 제조업체와 구별하는 몇 가지 기능일 뿐입니다.

정밀하게 조절 가능한 진폭

진폭은 초음파 프로브 또는 경적이라고도 하는 소노로드(초음파 프로브 또는 경적)의 전면(tip)의 변위이며 초음파 캐비테이션의 주요 영향을 미치는 요인입니다. 진폭이 높을수록 더 강렬한 캐비테이션이 됩니다. 캐비테이션의 필요한 강도는 반응 유형, 화학 시약 사용 및 특정 sonochemical 반응의 표적 결과에 따라 크게 달라집니다. 즉, 음향 캐비테이션의 강도를 이상적인 수준으로 조정하기 위해 진폭을 정확하게 조정할 수 있어야 합니다. 모든 Hielscher 초음파 는 지능형 디지털 제어를 통해 이상적인 진폭으로 안정적으로 정확하게 조정할 수 있습니다. 부스터 뿔은 기계적으로 진폭을 줄이거나 증가시키는 데 추가로 사용할 수 있습니다. 초음파’ 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공 할 수 있습니다. 최대 200μm의 진폭은 24/7 작동에서 쉽게 연속하게 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 사용자 정의 초음파 sonotrodes를 사용할 수 있습니다.

화학 반응 중 정확한 온도 제어

캐비테이션 핫스팟에서는 수천 도의 매우 높은 온도를 관찰 할 수 있습니다. 그러나 이러한 극한의 온도는 현지에서 분 내막 의 내부 및 주변으로 제한됩니다. 벌크 용액에서, 단일 또는 몇 개의 캐비테이션 기포가 파열로 인한 온도 상승은 무시할 수 있습니다. 그러나 더 긴 기간 동안 연속적이고 강렬한 초음파 처리는 벌크 액체의 온도가 점진적으로 증가 할 수 있습니다. 온도의 이 증가는 많은 화학 반응에 기여하고 수시로 유익한 것으로 여겨됩니다. 그러나, 다른 화학 반응은 다른 최적 반응 온도. 열에 민감한 물질을 취급할 때 온도 조절이 필요할 수 있습니다. Sonochemical 공정 중 이상적인 열 조건을 허용하기 위해 Hielscher 초음파는 냉소 화학 반응기 및 냉각 재킷을 장착 한 유동 세포와 같은 초음파 공정 중 정밀한 온도 제어를위한 다양한 정교한 솔루션을 제공합니다.
당사의 화학적 유량 전지와 반응기는 효과적인 열 방출을 지원하는 냉각 재킷과 함께 제공됩니다. 지속적인 온도 모니터링을 위해 Hielscher 초음파 장치에는 플러그 가능한 온도 센서가 장착되어 있어 액체에 삽입하여 벌크 온도를 지속적으로 측정할 수 있습니다. 정교한 소프트웨어는 온도 범위의 설정을 할 수 있습니다. 온도 제한을 초과하면 초음파 는 액체의 온도가 특정 설정 점으로 낮아질 때까지 자동으로 일시 중지되고 자동으로 다시 초음파 처리되기 시작합니다. 모든 온도 측정뿐만 아니라 기타 중요한 초음파 공정 데이터는 내장 된 SD 카드에 자동으로 기록되며 공정 제어를 위해 쉽게 수정 할 수 있습니다.
온도는 sonochemical 프로세스의 중요한 매개 변수입니다. Hielscher의 정교한 기술은 이상적인 온도 범위에서 화학적 응용 프로그램의 온도를 유지하는 데 도움이됩니다.

아래 표는 초음파 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.