Sonochemesch Reaktiounen a Synthes
Sonochemie ass d’Uwendung vun Ultraschall op chemesch Reaktiounen a Prozesser. De Mechanismus, deen sonochemesch Effekter a Flëssegkeete verursaacht, ass de Phenomeen vun der akustescher Kavitatioun.
D’Ultraschallapparater vun Hielscher fir Laboratoiren an Industrie ginn an enger breeder Palett vu sonochemesche Prozesser agesat. Ultraschallkavitatioun verstäerkt a beschleunegt chemesch Reaktioune wéi Synthes a Katalys.
Sonochemesch Reaktiounen
Déi follgend sonochemesch Effekter kënne bei chemesche Reaktiounen a Prozesser observéiert ginn:
- Erhéijung vun der Reaktiounsgeschwindegkeet
- Erhéijung vum Reaktiounsertrag
- méi effizient Energienotzung
- sonochemesch Methode fir de Reaktiounswee ze wiesselen
- Verbesserung vun der Leeschtung vu Phasentransferkatalysatoren
- Vermeidung vu Phasentransferkatalysatoren
- Asaz vu réien oder technesche Reagenzien
- Aktivéierung vu Metaller a Feststoffer
- Erhéijung vun der Reaktivitéit vu Reagenzien oder Katalysatoren (klickt hei, fir méi iwwer ultraschallënnerstëtzt Katalys ze liesen)
- Verbesserung vun der Partikelsynthes
- Beschichtung vun Nanopartikelen
7 Ultraschallhomogenisateure vum Modell UIP1000hdT (7x 1kW Ultraschallleeschtung), als Grupp fir sonochemesch Reaktiounen am industrielle Moossstaf installéiert.
Virdeeler vu chemesche Reaktiounen, déi duerch Ultraschall verstäerkt ginn
Chemesch Reaktiounen, déi duerch Ultraschall gefërdert ginn, sinn eng etabléiert Technik fir d’Prozessintensivéierung am Beräich vun der chemescher Synthes a Veraarbechtung. Duerch d’Notzung vun der Kraaft vun Ultraschallwelle bidden dës Reaktioune vill Virdeeler géintiwwer konventionelle Methoden a verbesseren dobäi d’chemesch Katalys a Synthes. Turboséier Ëmsetzungsraten, exzellent Ausbezuelen, eng verbessert Selektivitéit, eng verbessert Energieeffizienz an eng reduzéiert Ëmweltbelaaschtung sinn d’Haaptvirdeeler vu sonochemesche Reaktiounen.
D’Tabell hei drënner weist e puer markant Virdeeler vu Reaktiounen, déi duerch Ultraschall gefërdert ginn, am Verglach mat konventionelle chemesche Reaktiounen:
| Reaktioun | Reaktiounszäit Konventionell |
Reaktiounszäit Mat Ultraschall |
Ausbezuel Konventionell (%) |
Ausbezuel Mat Ultraschall (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder-Zykliséierung | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oxidatioun vun Indan zu Indan-1-on | 3 h | 3 h | manner wéi 27% | 73% |
| Reduktioun vu Methoxyaminosilan | keng Reaktioun | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidatioun vu laangkettegen ongesiedegte Fettsaieresteren | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidatioun vun Arylalkanen | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michael-Additioun vun Nitroalkanen un monosubstituéiert α,β-ongesiedegt Esteren | 2 Deeg | 2 h | 85% | 90% |
| Permanganatoxidatioun vun 2-Octanol | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Synthes vu Chalkonen duerch Claisen-Schmidt-Kondensatioun | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Ullmann-Kopplung vun 2-Iodnitrobenzen | 2 h | 2h | manner wéi 1,5% | 70,4% |
| Reformatsky-Reaktioun | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultraschallkavitatioun a Flëssegkeeten
Kavitatioun ass d’Bildung, de Wuesstem an den implosive Kollaps vu Blosen an enger Flëssegkeet. De Kollaps vun de Kavitatiounsblosen erzeugt eng intensiv lokal Erhëtzung (~5000 K), héich Drécker (~1000 atm), enorm Erhëtzungs- an Ofkillraten (>10⁹ K/sec) a Flëssegkeetsstralen (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitatioun mam UIP1000hd:
Kavitatiounsblosen si Vakuumblosen. De Vakuum entsteet duerch eng séier beweegt Uewerfläch op där enger Säit an eng inert Flëssegkeet op där anerer. Déi doraus entstoend Drockënnerscheeder déngen dozou, d’Kohäsiouns- an d’Adhäsiounskräfte bannent der Flëssegkeet ze iwwerwannen.
Kavitatioun kann op verschidde Manéieren erzeugt ginn, zum Beispill duerch Venturi-Düsen, Héichdrockdüsen, Rotatioun mat héijer Vitess oder Ultraschallwandler. An all dëse Systemer gëtt déi zougeféiert Energie a Reiwung, Turbulenzen, Wellen a Kavitatioun ëmgewandelt. Den Undeel vun der zougeféierter Energie, deen a Kavitatioun ëmgewandelt gëtt, hänkt vu verschiddene Facteuren of, déi d’Beweegung vun der kavitatiounserzeugender Ausrüstung an der Flëssegkeet beschreiwen.
D’Stäerkt vun der Beschleunegung ass ee vun de wichtegste Facteuren, déi d’effizient Ëmwandlung vun Energie a Kavitatioun beaflossen. Eng méi héich Beschleunegung erzeugt méi grouss Drockënnerscheeder. Dat erhéicht dann d’Warscheinlechkeet, datt Vakuumblosen entstinn amplaz vu Wellen, déi sech duerch d’Flëssegkeet ausbreeden. Wat d’Beschleunegung méi héich ass, wat den Undeel vun der Energie, deen a Kavitatioun ëmgewandelt gëtt, also méi grouss ass. Bei engem Ultraschallwandler gëtt d’Stäerkt vun der Beschleunegung duerch d’Schwéngungsamplitüd beschriwwen.
Méi héich Amplitüde féieren zu enger méi effektiver Erzeugung vu Kavitatioun. D’Industrieapparater vun Hielscher Ultrasonics kënnen Amplitüde vu bis zu 115 µm erzeugen. Dës héich Amplitüden erlaben en héije Leeschtungsiwwerdroungsgrad, deen et dann erméiglecht, héich Leeschtungsdichte vu bis zu 100 W/cm³ ze erzeugen.
Nieft der Stäerkt soll d’Flëssegkeet esou beschleunegt ginn, datt d’Verloschter duerch Turbulenzen, Reiwung a Wellenentstoe minimal sinn. Dofir ass eng Beweegung an eng eenzeg Richtung optimal.
Ultraschallreakter mat 16.000 Watt fir sonochemesch verstäerkt Inline-Ëmesterung.
- Hierstellung vun aktivéierte Metaller duerch Reduktioun vu Metallsalzer
- Erzeugung vun aktivéierte Metaller duerch Ultraschallbehandlung
- sonochemesch Synthes vu Partikelen duerch Ausfällung vu Metalloxiden (Fe, Cr, Mn, Co), z. B. fir den Asaz als Katalysatoren
- Imprägnéierung vun Dréiermaterialie mat Metaller oder Metallhalogeniden
- Hierstellung vun aktivéierte Metallléisungen
- Reaktioune mat Bedeelegung vu Metaller iwwer in situ erzeugt organoelementar Spezies
- Reaktioune mat Bedeelegung vun netmetallesche Feststoffer
- Kristalliséierung an Ausfällung vu Metaller, Legierungen, Zeolithen an anere Feststoffer
- Modifikatioun vun der Uewerflächemorphologie an der Partikelgréisst duerch Zesummestéiss tëscht Partikele mat héijer Vitess
- Bildung vun amorphen nanostrukturéierte Materialien, dorënner Iwwergangsmetaller mat grousser spezifescher Uewerfläch, Legierungen, Karbiden, Oxiden a Kolloiden
- Agglomeratioun vu Kristaller
- Glättung an Entfernung vu passivéierenden Oxidbeschichtungen
- Mikromanipulatioun (Fraktionéierung) vu klenge Partikelen
- Dispergéierung vu Feststoffer
- Hierstellung vu Kolloiden (Ag, Au, CdS mat Q-Gréisst)
- Interkalatioun vu Gaaschtmoleküllen an anorganesch geschichte Feststoffer als Wiertsmaterial
- Sonochemie vu Polymeren
- Ofbau a Modifikatioun vu Polymeren
- Synthes vu Polymeren
- Sonolys vun organesche Schuedstoffer am Waasser
Sonochemesch Ausrüstung
Déi meescht vun de genannte sonochemesche Prozesser kënnen nogerëscht ginn, fir inline ze funktionéieren. Mir hëllefen Iech gär bei der Wiel vun der sonochemescher Ausrüstung fir Är Veraarbechtungsbedierfnesser. Fir d’Fuerschung an d’Teste vu Prozesser empfeele mir eis Laborapparater oder de UIP1000hdT-Set.
Bei Besoin si FM- an ATEX-zertifizéiert Ultraschallapparater a Reakteren (z. B. UIP1000-Exd) fir d’Ultraschallbehandlung vu brennbare Chemikalien a Produktformuléierungen a geféierlechen Ëmfelder disponibel.
Ultraschallkavitatioun verännert Rankëffnungsreaktiounen
D’Ultraschallbehandlung ass en alternative Mechanismus zu Hëtzt, Drock, Liicht oder Elektrizitéit, fir chemesch Reaktiounen auszeléisen. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth an hiert Team vun der Chimiesfakultéit vun der University of Illinois at Urbana-Champaign hunn Ultraschallleeschtung benotzt, fir Reaktioune mat Rankëffnung auszeléisen an ze manipuléieren. Ënner Ultraschallbehandlung hunn déi cheemesch Reaktioune Produkter erginn, déi vun deenen ofgewach sinn, déi duerch d’Reegele vun der Orbitalsymmetrie virausgesot goufen (Nature 2007, 446, 423). D’Grupp huet mechanesch empfindlech 1,2-disubstituéiert Benzocyclobuten-Isomere mat zwou Polyethylenglykol-Kette verbonnen, Ultraschallenergie agesat an d’Léisungen als Ganzt mat C13 -Kärspinresonanzspektroskopie analyséiert. D’Spektre weisen, datt souwuel d’cis- wéi och d’trans-Isomeren dat selwecht Produkt mat oppenem Rank liwweren, nämlech dat, dat vum trans-Isomer erwaart gëtt. Wärend thermesch Energie eng zoufälleg brownesch Beweegung vun de Reaktante verursaacht, gëtt déi mechanesch Energie vun der Ultraschallbehandlung den atomare Beweegungen eng Richtung. Dofir leeden d’Kavitatiounseffekter d’Energie effizient, andeems si d’Moleküll ënner mechanesch Spannung setzen an domat d’Fläch vun der potenzieller Energie ëmformen.
Ultraschallapparater mat Sond wéi den UP400St verstäerken d’Synthes vun Nanopartikelen. De sonocheemesche Wee ass einfach, wierksam, séier a funktionéiert mat net gëftege Chemikalien ënner mëlle Bedéngungen.
Héichleeschtungs-Ultraschallapparater fir d’Sonochemie
Hielscher Ultrasonics liwwert Ultraschallprozessoren fir de Labo an d’Industrie. All Ultraschallapparater vun Hielscher si ganz leeschtungsstaark a robust Ultraschallmaschinnen a si fir e kontinuéierleche 24/7-Betrib ënner Vollbelaaschtung gebaut. Digital Steierung, programméierbar Astellungen, Temperaturiwwerwaachung, automatesch Dateprotokolléierung a Fernsteierung iwwer de Browser si just e puer Funktioune vun den Ultraschallapparater vun Hielscher. D’Apparater vun Hielscher Ultrasonics si fir héich Leeschtung a komfortabel Bedéngung entwéckelt; d’Benotzer schätzen hir sécher an einfach Handhabung. D’industriell Ultraschallprozessoren vun Hielscher liwweren Amplitude vu bis zu 200µm a sinn ideal fir Uwendunge mat héijer Belaaschtung. Fir nach méi héich Amplitude si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel.
D’Tabell hei drënner gëtt Iech en Hiweis op déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:
| Chargevolumen | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | méi héich | Verbund vun UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Hielscher Ultrasonics stellt Héichleeschtungs-Ultraschallhomogenisateure fir Mëschuwendungen, Dispersioun, Emulgéierung an Extraktioun am Labo-, Pilot- an Industriemoossstaf hier.
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 stellt Héichleeschtungs-Ultraschallhomogenisateure vun der Labogréisst bis zur Industriegréisst hier.