초음파 화학 및 초음파 화학 반응기
초음파 화학은 고강도 초음파를 사용하여 화학 반응(합성, 촉매 반응, 분해, 중합, 가수분해 등)을 유도하고 가속하며 변화시키는 화학 분야입니다. 초음파로 생성되는 캐비테이션은 화학 반응을 촉진하고 강화하는 독특한 고에너지 밀도 조건을 특징으로 합니다. 더 빠른 반응 속도, 더 높은 수율, 친환경적이고 더 온화한 시약의 사용 덕분에 초음파 화학은 화학 반응을 개선하는 데 매우 유리한 도구가 됩니다.
초음파 화학
초음파 화학은 고강도 초음파 처리(예: 20 kHz)를 적용하여 분자가 화학 반응을 일으키도록 하는 연구 및 공정 분야입니다. 초음파 화학 반응을 일으키는 현상은 음향 캐비테이션입니다. 음향 캐비테이션 또는 초음파 캐비테이션은 강력한 초음파가 액체나 슬러리에 전달될 때 발생합니다. 액체 내 고출력 초음파로 인해 고압 / 저압 주기가 번갈아 나타나면서 진공 기포(캐비테이션 공동)가 생성되며, 이 기포는 여러 압력 주기에 걸쳐 성장합니다. 캐비테이션 진공 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 특정 크기에 도달하면 격렬하게 내파하여 에너지 밀도가 매우 높은 핫스폿을 생성합니다. 국소적으로 발생하는 이 핫스폿은 매우 높은 온도와 압력, 그리고 극도로 빠른 액체 제트에 의한 미세 유동을 특징으로 합니다.
스테인리스강으로 제작된 밀폐형 배치 반응기에는 초음파 처리기 UIP2000hdT(2kW, 20kHz)가 장착되어 있습니다.
음향 캐비테이션과 고강도 초음파 처리의 효과
흔히 초음파 캐비테이션이라고도 하는 음향 캐비테이션은 안정 캐비테이션과 과도 캐비테이션의 두 가지 형태로 구분할 수 있습니다. 안정 캐비테이션에서는 캐비테이션 기포가 평형 반경을 중심으로 여러 차례 진동하는 반면, 과도 캐비테이션에서는 수명이 짧은 기포가 몇 차례의 음향 주기 동안 급격한 부피 변화를 겪은 후 격렬하게 붕괴합니다(Suslick 1988). 안정 캐비테이션과 과도 캐비테이션은 용액 내에서 동시에 발생할 수 있으며, 안정 캐비테이션을 겪는 기포가 과도 캐비테이션 공동으로 바뀔 수도 있습니다. 과도 캐비테이션과 고강도 초음파 처리의 특징인 기포 내파는 5000–25,000 K의 매우 높은 온도, 최대 1000 bar의 수 배에 이르는 압력, 최대 1000m/s의 속도를 갖는 액체 흐름 등 다양한 물리적 조건을 만들어 냅니다. 캐비테이션 기포의 붕괴/내파는 한 나노초 미만의 시간에 발생하므로, 1011 K/s를 초과하는 매우 높은 가열 및 냉각 속도를 관찰할 수 있습니다. 이러한 높은 가열 속도와 압력 차이는 반응을 개시하고 가속할 수 있습니다. 이때 발생하는 액체 흐름과 관련하여, 이러한 고속 미세 제트는 불균일한 고체–액체 슬러리에서 특히 큰 이점을 제공합니다. 액체 제트는 붕괴하는 기포의 온도와 압력을 온전히 지닌 채 표면에 충돌하여 입자 간 충돌에 의한 침식과 국소적인 용융을 일으킵니다. 그 결과 용액 내 물질 전달이 크게 개선되는 것이 관찰됩니다.
초음파 캐비테이션은 증기압이 낮은 액체와 용매에서 가장 효과적으로 발생합니다. 따라서 증기압이 낮은 매질은 초음파화학 응용에 유리합니다.
초음파 캐비테이션으로 발생하는 강력한 힘은 반응 경로를 더 효율적인 경로로 전환할 수 있으며, 그 결과 더 완전한 전환 및/또는 원치 않는 부산물의 생성이 방지됩니다.
캐비테이션 기포의 붕괴로 생성되는 에너지 밀도가 높은 공간을 핫스폿이라고 합니다. 20kHz 범위의 저주파 고출력 초음파와 높은 진폭을 생성하는 능력은 강력한 핫스폿과 유리한 초음파화학적 조건을 조성하는 데 확립된 수단입니다.
상업적 초음파화학 공정을 위한 초음파 실험실 장비와 산업용 초음파 반응기는 쉽게 구할 수 있으며, 실험실, 파일럿 및 완전한 산업 규모에서 신뢰성, 효율성 및 환경친화성이 입증되었습니다. 초음파화학 반응은 배치 방식(즉, 개방형 용기)으로 수행하거나 밀폐형 플로우 셀 반응기를 사용하는 인라인 공정으로 수행할 수 있습니다.
초음파 합성
초음파 합성 또는 초음파화학 합성은 화학 반응을 개시하고 촉진하기 위해 초음파로 생성된 캐비테이션을 활용하는 것입니다. 고출력 초음파 처리(예: 20 kHz)는 분자와 화학 결합에 강한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 강력한 초음파 처리로 인한 초음파화학적 효과는 분자 분해, 자유 라디칼 생성 및/또는 화학 반응 경로의 전환을 일으킬 수 있습니다. 따라서 초음파화학 합성은 다양한 나노구조 재료의 제조 또는 개질에 활발히 사용됩니다. 초음파 합성으로 생산되는 나노재료의 예로는 나노입자(NPs)(예: 금 NPs, 은 NPs), 안료, 코어–셸 나노입자, 나노 하이드록시아파타이트, 금속–유기 골격체(MOFs), 원료의약품(APIs), 미소구로 장식된 나노입자, 나노복합체 등 다양한 재료가 있습니다.
예: 지방산 메틸 에스테르(바이오디젤)의 초음파 에스테르 교환 반응 또는 초음파를 이용한 폴리올의 에스테르 교환 반응.
최적 조건에서 초음파화학적으로 합성된 은 나노입자(Ag-NPs)의 TEM 이미지(A)와 입도 분포(B).
초음파로 촉진하는 결정화(초음파 결정화)도 널리 활용되며, 이 과정에서는 고출력 초음파를 사용하여 과포화 용액을 생성하고, 결정화 / 침전을 개시하며, 초음파 공정 매개변수를 통해 결정의 크기와 형태를 제어합니다. 초음파 결정화에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!
초음파 촉매 반응
화학 현탁액이나 용액을 초음파 처리하면 촉매 반응을 크게 개선할 수 있습니다. 초음파화학적 에너지는 반응 시간을 단축하고 열 및 물질 전달을 개선하여 결과적으로 화학 반응 속도 상수, 수율 및 선택도를 높입니다.
고출력 초음파와 그 초음파화학적 효과를 적용하여 큰 이점을 얻는 촉매 공정은 많습니다. 서로 섞이지 않는 두 가지 이상의 액체 또는 액체–고체 조성물이 관여하는 모든 불균일계 상간 이동 촉매(PTC) 반응은 초음파 처리, 초음파화학적 에너지 및 개선된 물질 전달의 이점을 얻습니다.
예를 들어, 수중 페놀의 촉매 습식 과산화물 산화를 초음파 없이 수행한 경우와 초음파 보조하에 수행한 경우를 비교 분석한 결과, 초음파 처리는 반응의 에너지 장벽을 낮추었지만 반응 경로에는 영향을 미치지 않았습니다. 초음파 처리 중 RuI3 촉매를 사용한 페놀 산화의 활성화 에너지는 13 kJ mol-1로 확인되었으며, 이는 초음파 없이 수행한 산화 공정에 비해 네 배 작은 값이었습니다(57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
초음파 화학 촉매 반응은 화학 제품의 제조뿐만 아니라 금속, 합금, 금속 화합물, 비금속 재료, 무기 복합재와 같은 마이크로 및 나노 구조 무기 재료의 제조에도 성공적으로 사용됩니다. 초음파 보조 상전이 촉매 반응(PTC)의 일반적인 예로는 유리 지방산을 메틸 에스터(바이오디젤)로 전환하는 에스터 교환 반응, 가수분해, 식물성 오일의 비누화, 초음파 펜톤 반응(펜톤 유사 공정), 초음파 촉매 분해 등이 있습니다.
초음파 촉매 반응과 구체적인 응용 분야에 대해 자세히 알아보세요!
초음파 처리는 아지드–알카인 고리 첨가 반응과 같은 클릭 화학 반응을 개선합니다!
기타 초음파 화학 응용 분야
다양한 용도, 신뢰성 및 간단한 조작 덕분에 UP400St 또는 UIP2000hdT와 같은 초음파 화학 시스템은 화학 반응을 위한 효율적인 장비로 높이 평가받습니다. Hielscher Ultrasonics의 초음파 화학 장치는 배치식(개방형 비커) 초음파 처리와 초음파 화학용 플로우 셀을 이용한 연속 인라인 초음파 처리에 손쉽게 사용할 수 있습니다. 초음파 합성, 초음파 촉매 반응, 분해 또는 중합을 포함하는 초음파 화학은 화학, 나노기술, 재료과학, 제약, 미생물학 및 기타 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
산업용 초음파 처리기 UIP2000hdT (2kW)에는 초음파 화학용 인라인 반응기가 장착되어 있습니다.
고성능 초음파 화학 장비
Hielscher Ultrasonics는 효율적이고 신뢰할 수 있는 초음파 화학 반응을 위한 혁신적인 최첨단 초음파 처리기, 초음파 화학용 플로우 셀, 반응기 및 액세서리를 제공하는 최고의 공급업체입니다. 모든 Hielscher 초음파 처리기는 오직 독일 텔토(베를린 인근)에 있는 Hielscher Ultrasonics 본사에서 설계, 제조 및 시험됩니다. Hielscher 초음파 처리기는 최고의 기술 표준과 뛰어난 견고성, 고효율 운전을 위한 24/7/365 가동을 제공하며, 쉽고 안정적으로 조작할 수 있습니다. 높은 효율, 스마트 소프트웨어, 직관적인 메뉴, 자동 데이터 기록 및 브라우저 원격 제어는 Hielscher Ultrasonics를 다른 초음파 화학 장비 제조업체와 차별화하는 기능 중 일부에 불과합니다.
정밀하게 조절 가능한 진폭
진폭은 소노트로드(초음파 프로브 또는 혼이라고도 함) 전면(팁)의 변위이며, 초음파 캐비테이션에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 진폭이 높을수록 캐비테이션이 더 강해집니다. 필요한 캐비테이션 강도는 반응 유형, 사용되는 화학 시약, 특정 초음파 화학 반응에서 목표로 하는 결과에 크게 좌우됩니다. 이는 음향 캐비테이션의 강도를 이상적인 수준으로 맞추기 위해 진폭을 정밀하게 조절할 수 있어야 한다는 뜻입니다. 모든 Hielscher 초음파 처리기는 지능형 디지털 제어를 통해 이상적인 진폭으로 안정적이고 정밀하게 조절할 수 있습니다. 부스터 혼을 추가로 사용하여 진폭을 기계적으로 줄이거나 높일 수도 있습니다. Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.
초음파 화학 반응 중 정밀한 온도 제어
캐비테이션 핫스폿에서는 섭씨 수천 도에 달하는 극도로 높은 온도가 관찰될 수 있습니다. 그러나 이러한 극한 온도는 붕괴하는 캐비테이션 기포의 미세한 내부와 주변에 국소적으로 한정됩니다. 벌크 용액에서는 단일 또는 소수의 캐비테이션 기포 붕괴로 인한 온도 상승이 무시할 수 있는 수준입니다. 하지만 장시간 연속적으로 강한 초음파 처리를 하면 벌크 액체의 온도가 점진적으로 상승할 수 있습니다. 이러한 온도 상승은 많은 화학 반응에 기여하며 종종 유익한 것으로 간주됩니다. 그러나 화학 반응마다 최적 반응 온도는 다릅니다. 열에 민감한 물질을 처리할 때는 온도 제어가 필요할 수 있습니다. Hielscher Ultrasonics는 초음파 화학 공정에서 이상적인 열적 조건을 확보할 수 있도록 냉각 재킷이 장착된 초음파 화학 반응기와 플로우 셀 등 정밀한 온도 제어를 위한 다양한 첨단 솔루션을 제공합니다.
당사의 초음파 화학용 플로우 셀과 반응기는 효과적인 열 방출을 지원하는 냉각 재킷을 장착하여 공급할 수 있습니다. 지속적인 온도 모니터링을 위해 Hielscher 초음파 처리기에는 탈착식 온도 센서가 장착되어 있으며, 이 센서를 액체에 삽입하여 벌크 온도를 지속적으로 측정할 수 있습니다. 정교한 소프트웨어를 통해 온도 범위를 설정할 수 있습니다. 온도 한계를 초과하면 초음파 처리기는 액체 온도가 특정 설정값까지 내려갈 때까지 자동으로 일시 정지한 후 초음파 처리를 자동으로 다시 시작합니다. 모든 온도 측정값과 기타 중요한 초음파 공정 데이터는 내장 SD 카드에 자동으로 기록되며, 공정 제어를 위해 쉽게 검토할 수 있습니다.
온도는 초음파 화학 공정의 핵심 매개변수입니다. Hielscher의 정교한 기술은 초음파 화학 응용 공정의 온도를 이상적인 온도 범위 내로 유지하도록 도와줍니다.
- 높은 효율
- 최첨단 기술
- 쉽고 안전한 작동
- 신뢰성 및 견고성
- 배치 및 인라인
- 모든 용량에 적합
- 지능형 소프트웨어
- 스마트 기능(예: 데이터 기록)
- CIP(정치 세정)
초음파 화학 반응기: 강력한 초음파 처리와 그로 인해 발생하는 캐비테이션은 화학 반응을 개시하고 강화하며, 반응 경로까지 바꿀 수 있습니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 해당 없음 | 10–100L/min | UIP16000 |
| 해당 없음 | 더 높은 유량 | 다음 장치로 구성된 클러스터: UIP16000 |
연락하세요! / 문의하세요!
Hielscher Ultrasonics는 실험실, 파일럿 및 산업 규모의 혼합, 분산, 유화 및 추출 응용을 위한 고성능 초음파 균질기를 제조합니다.
초음파로 개선된 화학 반응과 기존 반응의 비교 예시
아래 표는 몇 가지 일반적인 화학 반응의 개요를 보여줍니다. 각 반응 유형에 대해 기존 방식으로 수행한 반응과 초음파로 강화한 반응의 수율 및 전환 속도를 비교합니다.
| 반응 | 반응 시간 – 기존 방식 | 반응 시간 – 초음파 | 수율 – 기존 방식 (%) | 수율 – 초음파 (%) |
|---|---|---|---|---|
| 딜스–알더 고리화 반응 | 35 h | 3.5 h | 77.9 | 97.3 |
| 인단을 인단-1-온으로 산화 | 3 h | 3 h | 27% 미만 | 73% |
| 메톡시아미노실레인의 환원 | 반응 없음 | 3 h | 0% | 100% |
| 장쇄 불포화 지방산 에스터의 에폭시화 | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| 아릴알케인의 산화 | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| 일치환 α,β-불포화 에스터에 대한 나이트로알케인의 마이클 첨가 반응 | 2일 | 2 h | 85% | 90% |
| 과망가니즈산염을 이용한 2-옥탄올의 산화 | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| 클라이젠–슈미트 축합을 통한 칼콘 합성 | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| 2-아이오도나이트로벤젠의 울만 결합 반응 | 2 h | 2h | 1.5% 미만 | 70.4% |
| 레포르마츠키 반응 | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(참고: Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, 초판. Wiley에서 2019년 출판)
문헌 / 참고 자료
- 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.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
Hielscher Ultrasonics는 고성능 초음파 균질기를 실험실 규모부터 산업 규모까지 제조합니다.