Sonochemesch Reaktiounen a Synthese
Sonochemie ass d'Applikatioun vun Ultraschall op chemesch Reaktiounen a Prozesser. De Mechanismus deen sonochemesch Effekter a Flëssegkeeten verursaacht ass de Phänomen vun der akustescher Kavitatioun.
Hielscher Ultraschall Laboratoire an Industriegeräter ginn an enger breeder Palette vu sonochemesche Prozesser benotzt. Ultraschall Kavitatioun verstäerkt a beschleunegt chemesch Reaktiounen wéi Synthese a Katalyse.
sonochemesch Reaktiounen
Déi folgend sonochemesch Effekter kënnen a chemesche Reaktiounen a Prozesser observéiert ginn:
- Erhéijung vun der Reaktiounsgeschwindegkeet
- Erhéijung vun der Reaktiounsoutput
- méi effizient Energieverbrauch
- sonochemesch Methoden fir de Reaktiounswee ze wiesselen
- Leeschtung Verbesserung vun Phase Transfermaart Katalysatoren
- Vermeiden vu Phasentransfer Katalysatoren
- d'Benotzung vu rau oder technesche Reagenzen
- Aktivatioun vu Metaller a Feststoffer
- Erhéijung vun der Reaktivitéit vu Reagenzen oder Katalysatoren (klickt hei fir méi iwwer Ultraschall assistéiert Katalyse ze liesen)
- Verbesserung vun der Partikelsynthese
- Beschichtung vun Nanopartikelen
7 Ultraschallhomogenisatoren vun der Modell UIP1000hdT (7x 1kW Ultraschallkraaft) installéiert als Cluster fir sonochemesch Reaktiounen op industrieller Skala.
Virdeeler vun Ultraschall verstäerkt chemesch Reaktiounen
Ultraschall gefördert chemesch Reaktiounen sinn eng etabléiert Technik vun der Prozessintensivéierung am Beräich vun der chemescher Synthese a Veraarbechtung. Andeems Dir d'Kraaft vun Ultraschallwellen ausnotzen, bidden dës Reaktiounen vill Virdeeler iwwer konventionell Methoden, verbesseren d'chemesch Katalyse a Synthese. Turbo-schnell Konversiounsraten, exzellent Ausbezuelen, verstäerkte Selektivitéit, verbessert Energieeffizienz a reduzéierten Ëmweltimpakt sinn d'Haaptvirdeeler vu sonochemesche Reaktiounen.
Den Dëschschlag weist e puer prominent Virdeeler vun ultraschall-gefördert Reaktioun vs konventionell chemesch Reaktiounen:
| Reaktioun | Reaktioun Zäit Konventionell |
Reaktioun Zäit ultrasonics |
nozeginn Konventionell (%) |
nozeginn Ultraschall (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder Cyclisatioun | 35 h | 3, 5h | 77,9 | 97,3 |
| Oxidatioun vun Indane zu Indane-1-One | 3 h | 3 h | manner wéi 27% | 73% |
| Reduktioun vu Methoxyaminosilan | keng Reaktioun | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidatioun vu laangketten onsaturéierte Fettester | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidatioun vun Arylalkanen | 4 h vun | 4 h vun | 12% | 80% |
| Michael Additioun vun Nitroalkanen zu monosubstituéierten α,β-onsaturéierten Ester | 2 Deeg | 2 h | 85% | 90% |
| Permanganat Oxidatioun vun 2-Oktanol | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Synthesis of chalcones by CLaisen-Schmidt condensation | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| UIllmann Kupplung vun 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2H | manner Tan 1,5% | 70,4% |
| Reformatsky Reaktioun | 12 h | 30 min | 50% | 98% |
Ultraschall Kavitatioun a Flëssegkeeten
Kavitatioun, dat ass d'Bildung, de Wuesstum an den implosive Zesummebroch vu Blasen an enger Flëssegkeet. Kavitational Zesummebroch produzéiert intensiv lokal Heizung (~ 5000 K), Héichdrock (~ 1000 Atm), an enorm Heizungs- a Killraten (>109 K/s) a flësseg Jetstroum (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitatioun mat der UIP1000hd:
Kavitatiounsblasen si Vakuumblasen. De Vakuum entsteet duerch eng séier bewegt Uewerfläch op där enger Säit an enger inert Flëssegkeet op der anerer. Déi resultéierend Drockdifferenzen déngen fir d'Kohäsioun an d'Adhäsiounskräften an der Flëssegkeet ze iwwerwannen.
Kavitatioun kann op verschidde Manéiere produzéiert ginn, wéi Venturi-Düsen, Héichdrockdüsen, Héichgeschwindegkeetsrotatioun oder Ultraschalltransducer. An all deene Systemer gëtt d'Inputenergie a Reibung, Turbulenzen, Wellen a Kavitatioun ëmgewandelt. D'Fraktioun vun der Inputenergie déi an d'Kavitatioun transforméiert gëtt hänkt vu verschiddene Faktoren of, déi d'Bewegung vun der Kavitatiounsgeneratiounsausrüstung an der Flëssegkeet beschreiwen.
D'Intensitéit vun der Beschleunegung ass ee vun de wichtegste Faktoren, déi d'effizient Transformatioun vun Energie a Kavitatioun beaflossen. Méi héich Beschleunegung schaaft méi héich Drockdifferenzen. Dëst erhéicht d'Wahrscheinlechkeet vun der Schafung vu Vakuumblasen amplaz vun der Schafung vu Wellen, déi duerch d'Flëssegkeet propagéieren. Also, wat méi héich d'Beschleunigung ass, wat méi héich ass d'Fraktioun vun der Energie déi an d'Kavitatioun transforméiert gëtt. Am Fall vun engem Ultraschalltransducer gëtt d'Intensitéit vun der Beschleunegung duerch d'Amplitude vun der Schwéngung beschriwwen.
Méi héich Amplituden resultéieren zu enger méi effektiver Schafung vu Kavitatioun. Déi industriell Geräter vun Hielscher Ultrasonics kënnen Amplituden vu bis zu 115 µm erstellen. Dës héich Amplituden erlaaben en héije Kraaftiwwerdroungsverhältnis, wat et nees erlaabt héich Kraaftdichte vu bis zu 100 W/cm³ ze kreéieren.
Zousätzlech zu der Intensitéit soll d'Flëssegkeet op eng Manéier beschleunegt ginn fir minimal Verloschter a punkto Turbulenzen, Reibung a Wellengeneratioun ze kreéieren. Fir dëst ass den optimale Wee eng unilateral Bewegungsrichtung.
Ultraschallreaktor mat 16.000 Watt fir sonochemesch verstäerkte Inline Transesterifikatioun.
- Virbereedung vun aktivéierte Metaller duerch Reduktioun vun Metallsalze
- Generatioun vun aktivéierte Metaller duerch Sonikatioun
- Sonochemesch Synthese vu Partikelen duerch Ausfäll vu Metalloxiden (Fe, Cr, Mn, Co), zB fir als Katalysator ze benotzen
- Imprägnatioun vu Metaller oder Metallhalogeniden op Ënnerstëtzer
- Virbereedung vun aktivéiert Metal Léisungen
- Reaktiounen mat Metaller iwwer in situ generéiert Organoelement Arten
- Reaktiounen mat net-metallesche Feststoffer
- Kristalliséierung an Ausfäll vu Metaller, Legierungen, Zeolithen an aner Feststoffer
- Modifikatioun vun der Uewerflächemorphologie a Partikelgréisst duerch Héichgeschwindegkeet Interpartikelkollisiounen
- d'Bildung vun amorphen nanostrukturéierten Materialien, dorënner héich Uewerflächeniwwergangsmetaller, Legierungen, Karbiden, Oxiden a Kolloiden
- Agglomeratioun vu Kristalle
- Glättung an Entfernung vun der passivéierender Oxidbeschichtung
- Mikromanipulatioun (Fraktiounéierung) vu klenge Partikelen
- Dispersioun vu Feststoffer
- Virbereedung vu Kolloiden (Ag, Au, Q-Gréisst CdS)
- Interkalatioun vu Gaaschtmolekülen an Host anorganesch Schichten Feststoffer
- Sonochemie vu Polymeren
- Degradatioun a Modifikatioun vu Polymeren
- Synthese vu Polymeren
- Sonolyse vun organesche Verschmotzungen am Waasser
sonochemical Equipement
Déi meescht vun den ernimmten sonochemesche Prozesser kënne retrofitt ginn fir inline ze schaffen. Mir wäerte frou Iech ze hëllefen bei der Auswiel vun der sonochemescher Ausrüstung fir Är Veraarbechtungsbedürfnisser. Fir d'Fuerschung a fir d'Tester vu Prozesser empfeelen mir eis Laborgeräter oder den UIP1000hdT Set.
Wann néideg, FM an ATEX zertifizéiert Ultraschallapparater a Reaktoren (zB UIP1000-Exd) si verfügbar fir d'Sonicatioun vu brennbare Chemikalien a Produktformuléierungen a geféierlechen Ëmfeld.
Ultrasonic Kavitation Ännerungen Ring-Ouvertureszäiten Reaktioune
Ultrasonication ass en alternativen Mechanismus fir Hëtzt, Drock, Liicht oder Elektrizitéit fir chemesch Reaktiounen ze initiéieren. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth, an hir Equipe op der Chimie Fakultéit an der University of Illinois zu Urbana-Champaign benotzt Ultraschallkraaft fir Réngöffnungsreaktiounen auszeléisen an ze manipuléieren. Ënnert Sonikatioun hunn déi chemesch Reaktiounen Produkter generéiert anescht wéi déi, déi duerch Ëmlafsymmetrieregele virausgesot goufen (Nature 2007, 446, 423). D'Grupp huet mechanesch sensibel 1,2-disubstituéiert Benzocyclobutene Isomere mat zwou Polyethylenglycolketten verbonnen, Ultraschallenergie applizéiert an d'Massléisungen analyséiert mat C13 Nuklear magnetesch Resonanzspektroskopie. D'Spektre weisen datt souwuel d'cis wéi och d'Trans-Isomere deeselwechte Ring-opgemaachte Produkt ubidden, dee vun der Trans-Isomer erwaart gëtt. Wärend thermesch Energie verursaacht zoufälleg Brownesch Bewegung vun de Reaktanten, gëtt d'mechanesch Energie vun der Ultraschall eng Richtung fir atomar Bewegungen. Dofir riichten kavitational Effekter effizient d'Energie andeems se d'Molekül belaaschten, déi potenziell Energieoberfläche nei formen.
Sonde-Typ Ultrasonicators wéi den UP 400 St verstäerken d'Synthese vun Nanopartikelen. De sonochemesche Wee ass einfach, effizient, séier a funktionnéiert mat net-gëftege Chemikalien ënner mëlle Bedéngungen.
High Performance Ultrasonicators fir Sonochemistry
Hielscher Ultrasonics liwwert Ultraschallprozessoren fir Labo an Industrie. All Hielscher Ultraschaller si ganz mächteg a robust Ultraschallmaschinnen a gebaut fir kontinuéierlech 24/7 Operatioun ënner voller Laascht. Digital Kontroll, programméierbar Astellungen, Temperatur Iwwerwaachung, automatesch Dateprotokolléierung a Fernbrowser Kontroll sinn nëmmen e puer Features vun Hielscher Ultraschaller. Entworf fir héich Leeschtung a komfortabel Operatioun, schätzen d'Benotzer déi sécher an einfach Handhabung vun Hielscher Ultrasonics Ausrüstung. Hielscher industriell Ultraschallprozessoren liwweren Amplituden vu bis zu 200μm a si ideal fir schwéier Applikatiounen. Fir nach méi héich Amplituden sinn personaliséiert Ultraschall Sonotroden verfügbar.
D'Tabell hei drënner gëtt Iech eng Indikatioun vun der geschätzter Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschaller:
| Batch Volume | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 1 bis 500 ml | 10 bis 200 ml/min | UP100H |
| 10 bis 2000 ml | 20 bis 400 ml/min | UP200Ht, UP 400 St |
| 0.1 bis 20L | 02 bis 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 l | 2 bis 10 l/min | UIP4000hdT |
| na | 10 bis 100 l/min | UIP16000 |
| na | méi grouss | Stärekoup vun UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Hielscher Ultrasonics fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren fir d'Vermëschung vun Uwendungen, Dispersioun, Emulsifikatioun an Extraktioun op Labo, Pilot an Industrieskala.
Literatur / Referenzen
- 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.
Hielscher Ultrasonics fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren aus Labo zu industriell Gréisst.