Sonochemie a sonochemesch Reakteren
Sonochemie ass de Beräich vun der Chimie, an deem Ultraschall mat héijer Intensitéit agesat gëtt, fir chemesch Reaktiounen auszeléisen, ze beschleunegen an ze veränneren (Synthes, Katalys, Ofbau, Polymerisatioun, Hydrolys asw.). Duerch Ultraschall erzeugt Kavitatioun zeechent sech duerch eenzegaarteg Bedéngunge mat héijer Energiedicht aus, déi chemesch Reaktioune fërderen a verstäerken. Méi héich Reaktiounsgeschwindegkeeten, méi héich Ausbeuten an den Asaz vun ëmweltfrëndlechen, méi mëlle Reagenzie maachen d’Sonochemie zu engem ganz avantagéisen Instrument, fir verbessert chemesch Reaktiounen ze erreechen.
Sonochemie
Sonochemie ass de Fuerschungs- a Veraarbechtungsberäich, an deem Moleküllen duerch den Asaz vun enger Ultraschallbehandlung mat héijer Intensitéit (z. B. 20 kHz) eng chemesch Reaktioun duerchlafen. De Phenomeen, dee fir sonochemesch Reaktioune verantwortlech ass, ass d’akustesch Kavitatioun. Akustesch Kavitatioun oder Ultraschallkavitatioun entsteet, wa staark Ultraschallwellen an eng Flëssegkeet oder eng Suspensioun agekoppelt ginn. Duerch déi ofwiesselnd Héichdrock- / Nidderdrockzyklen, déi duerch Héichleeschtungsultraschallwellen an der Flëssegkeet verursaacht ginn, entstinn Vakuumblosen (Kavitatiounshuelraim), déi iwwer e puer Drockzyklen ewech wuessen. Wann d’Kavitatiounsvakuumblos eng bestëmmte Gréisst erreecht, bei där se keng weider Energie méi ophuele kann, implodéiert d’Vakuumblos hefteg a schaaft e waarme Punkt mat ganz héijer Energiedicht. Dëse lokal entstoende waarme Punkt zeechent sech duerch ganz héich Temperaturen, Drécker a Mikrostréimunge vun extrem séiere Flëssegkeetsstralen aus.
De zouene Chargereakter aus Edelstol ass mam Ultraschallapparat UIP2000hdT (2kW, 20kHz) ausgestatt.
Akustesch Kavitatioun an Effekter vun der Ultraschallbehandlung mat héijer Intensitéit
Akustesch Kavitatioun, dacks och Ultraschallkavitatioun genannt, kann an zwou Formen ënnerscheet ginn: stabil an transient Kavitatioun. Wärend der stabiler Kavitatioun schwéngt d’Kavitatiounsblos villmol ëm hiren Equiliber-Radius, wärend bei der transienter Kavitatioun eng kuerzlieweg Blos bannent e puer akusteschen Zyklen drastesch Volumenännerungen duerchleeft a schliisslech hefteg zesummebrécht (Suslick 1988). Stabil an transient Kavitatioun kënne gläichzäiteg an der Léisung optrieden, an eng Blos, déi eng stabil Kavitatioun duerchleeft, kann zu engem transienten Huelraum ginn. D’Blosenimplosioun, déi fir transient Kavitatioun an Ultraschallbehandlung mat héijer Intensitéit charakteristesch ass, schaaft verschidde physikalesch Bedéngungen, dorënner ganz héich Temperature vu 5000–25.000 K, Drécker vu bis zu e puer 1000 bar a Flëssegkeetsstréimunge mat Vitessë vu bis zu 1000m/s. Well den Zesummebroch / d’Implosioun vu Kavitatiounsblosen a manner wéi enger Nanosekonn geschitt, kënne ganz héich Erhëtzungs- an Ofkillrate vu méi wéi 1011 K/s observéiert ginn. Esou héich Erhëtzungsraten an Drockënnerscheeder kënne Reaktiounen ausléisen a beschleunegen. Wat déi entstoend Flëssegkeetsstréimunge betrëfft, bidden dës Mikrostrale mat héijer Vitess besonnesch grouss Virdeeler bei heterogene Feststoff-Flëssegkeet-Suspensiounen. D’Flëssegkeetsstralen treffen d’Uewerfläch mat der voller Temperatur an dem vollen Drock vun der zesummebriechender Blos a verursaachen Erosioun duerch Kollisiounen tëscht Partikelen, souwéi lokaalt Schmelzen. Doduerch gëtt e wesentlech verbesserte Stofftransport an der Léisung observéiert.
Ultraschallkavitatioun gëtt am effektiivsten a Flëssegkeeten a Léisungsmëttele mat niddregem Dampdrock erzeugt. Dofir si Medie mat niddregem Dampdrock fir sonochemesch Uwendunge gënschteg.
Déi intensiv Kräften, déi duerch d’Ultraschallkavitatioun entstinn, kënnen d’Reaktiounsweeër op méi effizient Weeër ëmleeden, sou datt méi vollstänneg Ëmsetzungen an/oder d’Produktioun vun ongewënschten Nieweprodukter vermeit ginn.
De Raum mat héijer Energiedicht, deen duerch de Kollaps vu Kavitatiounsblosen entsteet, gëtt Hotspot genannt. Ultraschall mat niddreger Frequenz an héijer Leeschtung am Beräich vun 20kHz an d’Fäegkeet, héich Amplituden ze erzeugen, si fir d’Erzeugung vun intensiven Hotspotten an de gënschtege sonochemesche Bedéngunge gutt etabléiert.
Ultraschall-Laborausrüstung souwéi industriell Ultraschallreaktore fir kommerziell sonochemesch Prozesser si liicht verfügbar an hu sech am Labo, am Pilotmoossstaf an am vollindustrielle Moossstaf als zouverlässeg, effizient an ëmweltfrëndlech bewisen. Sonochemesch Reaktioune kënnen als Chargeprozess (d. h. an engem oppene Behälter) oder als Inline-Prozess mat engem zouenen Duerchflosszellreaktor duerchgefouert ginn.
Sono-Synthees
Sono-Synthees oder sonochemesch Synthees ass d’Uwendung vun duerch Ultraschall erzeugter Kavitatioun, fir chemesch Reaktiounen auszeléisen an ze fërderen. Ultraschallbehandlung mat héijer Leeschtung (z. B. bei 20 kHz) huet staark Auswierkungen op Moleküllen a chemesch Bindungen. Zum Beispill kënnen déi sonochemesch Effekter, déi duerch intensiv Ultraschallbehandlung entstinn, zur Spaltung vu Moleküllen, zur Bildung vu fräie Radikaler an/oder zur Ännerung vu chemesche Reaktiounsweeër féieren. Sonochemesch Synthees gëtt dofir intensiv fir d’Hierstellung oder d’Modifikatioun vun enger breeder Palett vun nanostrukturéierte Materialie benotzt. Beispiller fir Nanomaterialien, déi duerch Sono-Synthees hiergestallt ginn, sinn Nanopartikelen (NPs) (z. B. Gold-NPs, Sëlwer-NPs), Pigmenter, Kär-Schuel-Nanopartikelen, Nano-Hydroxyapatit, metallorganesch Gerëschter (MOFs), pharmazeutesch Wierkstoffer (APIs), mat Mikrokugelen dekoréiert Nanopartikelen, Nanokompositten an nach vill aner Materialien.
Beispiller: Ultraschallëmesterung vu Fettsaiermethylesteren (Biodiesel) oder d’Ëmesterung vu Polyole mat Ultraschall.
TEM-Bild (A) an déi zougehéiereg Partikelgréissteverdeelung (B) vu Sëlwernanopartikelen (Ag-NPs), déi ënner optimale Bedéngunge sonochemesch synthetiséiert goufen.
Och d’Kristalliséierung, déi duerch Ultraschall gefërdert gëtt (Sono-Kristalliséierung), gëtt breet agesat. Dobäi gëtt Ultraschall mat héijer Leeschtung benotzt, fir iwwersättegt Léisungen hierzestellen, d’Kristalliséierung / Ausfällung auszeléisen an d’Kristallgréisst an d’Morphologie iwwer d’Ultraschallprozessparameter ze kontrolléieren. Klickt hei, fir méi iwwer Sono-Kristalliséierung ze gewuer ze ginn!
Sono-Katalys
D’Ultraschallbehandlung vun enger chemescher Suspensioun oder Léisung ka katalytesch Reaktioune wesentlech verbesseren. Déi sonochemesch Energie verkierzt d’Reaktiounszäit a verbessert de Wäermt- a Stofftransfer, wat uschléissend zu méi héije chemesche Geschwindegkeetskonstanten, Ausbezuelen a Selektivitéite féiert.
Et gëtt vill katalytesch Prozesser, déi staark vum Asaz vun Ultraschall mat héijer Leeschtung a senge sonochemeschen Effekter profitéieren. All heterogen Phasentransferkatalysreaktioun (PTC), un där zwou oder méi net matenee mëschbar Flëssegkeeten oder eng Zesummesetzung aus enger Flëssegkeet an engem Feststoff bedeelegt sinn, profitéiert vun der Ultraschallbehandlung, der sonochemescher Energie an dem verbesserte Stofftransfer.
Zum Beispill huet d’vergläichend Analys vun der katalytescher naasser Peroxidoxidatioun vu Phenol am Waasser ouni Ultraschall a mat Ultraschallënnerstëtzung gewisen, datt d’Ultraschallbehandlung d’Energiebarriär vun der Reaktioun reduzéiert huet, awer keen Afloss op de Reaktiounswee hat. D’Aktivéierungsenergie fir d’Oxidatioun vu Phenol mam RuI3 -Katalysator gouf wärend der Ultraschallbehandlung mat 13 kJ mol-1 bestëmmt, e Wäert, dee véiermol méi niddreg war wéi beim Oxidatiounsprozess ouni Ultraschall (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
Déi sonocheemesch Katalys gëtt erfollegräich fir d’Hierstellung vu cheemesche Produiten an och fir d’Hierstellung vu mikro- an nanostrukturéierten anorganesche Materialien ewéi Metaller, Legierungen, Metallverbindungen, netmetallesche Materialien an anorganesche Kompositte benotzt. Heefeg Beispiller vun ultraschallënnerstëtzter PTC sinn d’Transesterifikatioun vu fräie Fettsaieren zu Methylester (Biodiesel), d’Hydrolys, d’Verseefung vu planzlechen Ueleger, d’Sono-Fenton-Reaktioun (Fenton-änlech Prozesser), de sonokatalyteschen Ofbau asw.
Liest méi iwwer d’Sono-Katalys a spezifesch Uwendungen!
D’Beschallung verbessert d’Klickcheemie, zum Beispill Azid-Alkin-Cycloadditiounsreaktiounen!
Aner sonocheemesch Uwendungen
Wéinst hirer villsäiteger Notzung, Zouverlässegkeet an einfacher Bedéngung gi sonocheemesch Systemer wéi den UP400St oder UIP2000hdT als effizient Apparater fir cheemesch Reaktioune geschat. Déi sonocheemesch Apparater vun Hielscher Ultrasonics kënne ganz einfach fir d’Beschallung am Chargebetrib (oppene Becherglas) an am kontinuéierlechen Inlinebetrib mat enger sonocheemescher Duerchflosszell benotzt ginn. D’Sonocheemie, dorënner d’Sono-Synthees, d’Sono-Katalys, den Ofbau oder d’Polymerisatioun, gëtt an der Cheemie, der Nanotechnologie, de Materialwëssenschaften, der Pharmazeutik, der Mikrobiologie an och an aneren Industrien breet agesat.
Industriellen Ultraschallapparat UIP2000hdT (2kW) mat sonocheemeschem Inlinereakter.
Sonocheemesch Héichleeschtungsapparater
Hielscher Ultrasonics ass Äre féierende Liwwerant vun innovativen Ultraschallapparater um neiste Stand vun der Technik, enger sonocheemescher Duerchflosszell, Reakteren an Zoubéier fir effizient an zouverlässeg sonocheemesch Reaktiounen. All Ultraschallapparater vun Hielscher ginn exklusiv um Haaptsëtz vun Hielscher Ultrasonics zu Teltow (bei Berlin), Däitschland, entwéckelt, hiergestallt a getest. Nieft den héchsten technesche Standarden, aussergewéinlecher Robustheet an engem 24/7/365-Betrib fir eng héich effizient Aarbechtsweis sinn d’Ultraschallapparater vun Hielscher einfach an zouverlässeg ze bedéngen. Héich Effizienz, intelligent Software, en intuitive Menü, automatesch Dateprotokolléierung a Fernsteierung iwwer de Browser sinn nëmmen e puer vun den Eegenschaften, déi Hielscher Ultrasonics vun aneren Hiersteller vu sonocheemeschen Apparater ënnerscheeden.
Prezisé astellbar Amplituden
D’Amplitud ass d’Verrécklung um viischten Enn (der Spëtzt) vun der Sonotrod (och als Ultraschallsond oder Ultraschallhorn bekannt) an ass den Haaptaflossfaktor vun der Ultraschallkavitatioun. Méi héich Amplitude bedeite méi intensiv Kavitatioun. Déi erfuerderlech Intensitéit vun der Kavitatioun hänkt staark vum Reaktiounstyp, de benotzte cheemesche Reagenzien an den ugestriefte Resultater vun der spezifescher sonocheemescher Reaktioun of. Dat bedeit, datt d’Amplitud prezis astellbar soll sinn, fir d’Intensitéit vun der akustescher Kavitatioun op den ideale Niveau ofzestëmmen. All Ultraschallapparater vun Hielscher kënnen iwwer eng intelligent digital Steierung zouverlässeg a prezis op déi ideal Amplitud agestallt ginn. Zousätzlech kënne Verstäerkerhorne benotzt ginn, fir d’Amplitud mechanesch ze verréngeren oder ze erhéijen. Déi industriell Ultraschallprozessore vun Ultrasonics kënne ganz héich Amplitude liwweren. Amplitude vu bis zu 200µm kënnen ouni Weideres kontinuéierlech am 24/7-Betrib agesat ginn. Fir nach méi héich Amplitude si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel.
Prezis Temperaturkontroll wärend sonocheemesche Reaktiounen
Am Hotspot vun der Kavitatioun kënne ganz héich Temperature vu ville Dausende Grad Celsius observéiert ginn. Dës extrem Temperature sinn awer lokal op dee winzegen Banneraum an d’Ëmgéigend vun der implodéierender Kavitatiounsblos begrenzt. An der Gesamtléisung ass d’Temperaturerhéijung duerch d’Implosioun vun enger eenzeger oder e puer Kavitatiounsblosen vernoléissegbar. Eng kontinuéierlech, intensiv Ultraschallbehandlung iwwer méi laang Zäitraim kann awer zu enger schrëttweiser Erhéijung vun der Temperatur vun der Gesamtflëssegkeet féieren. Dës Temperaturerhéijung dréit zu ville cheemesche Reaktioune bäi a gëtt dacks als virdeelhaft ugesinn. Verschidde cheemesch Reaktiounen hunn awer verschidden optimal Reaktiounstemperaturen. Wa wärmeempfindlech Materialie behandelt ginn, kann eng Temperaturkontroll néideg sinn. Fir ideal thermesch Bedéngunge wärend sonocheemesche Prozesser ze erméiglechen, bitt Hielscher Ultrasonics verschidde sophistikéiert Léisunge fir eng präzis Temperaturkontroll wärend sonocheemesche Prozesser un, wéi sonocheemesch Reakteren an Duerchflosszellen, déi mat Killmantelen ekipéiert sinn.
Eis sonocheemesch Duerchflosszellen a Reaktere si mat Killmantelen disponibel, déi eng effektiv Wäermtofleedung ënnerstëtzen. Fir eng kontinuéierlech Temperaturiwwerwaachung sinn d’Ultraschallapparater vun Hielscher mat engem stiechbaren Temperatursensor ekipéiert, deen an d’Flëssegkeet agesat ka ginn, fir d’Temperatur vun der Gesamtflëssegkeet permanent ze moossen. Eng sophistikéiert Software erlaabt et, en Temperaturberäich anzestellen. Wann d’Temperaturgrenz iwwerschratt gëtt, pauséiert den Ultraschallapparat automatesch, bis d’Temperatur an der Flëssegkeet op e bestëmmten agestallte Wäert gefall ass, a fänkt dann automatesch erëm mat der Ultraschallbehandlung un. All Temperaturmiessungen an aner wichteg Ultraschallprozessdate ginn automatesch op enger agebauter SD-Kaart gespäichert a kënne fir d’Prozesskontroll einfach nogekuckt ginn.
D’Temperatur ass en entscheedende Parameter vu sonocheemesche Prozesser. Déi ausgeräiften Technologie vun Hielscher hëlleft Iech, d’Temperatur vun Ärer sonocheemescher Uwendung am idealen Temperaturberäich ze halen.
- héich Effizienz
- Technologie um neiste Stand
- einfach a sécher ze bedéngen
- Zouverlässegkeet & Robustheet
- Chargëbetrib & Inlinebetrib
- fir all Volumen
- intelligent Software
- intelligent Funktiounen (z. B. Dateprotokolléierung)
- CIP (Botzen op der Plaz)
Sonocheemesche Reakter: Eng intensiv Ultraschallbehandlung an déi doraus entstoend Kavitatioun léise cheemesch Reaktiounen aus a verstäerken se a kënne souguer Reaktiounsweeër änneren.
D’Tabell hei drënner gëtt Iech en Unhaltspunkt fir déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:
| Chargëvolumen | 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 fabrizéiert héichleeschtungsfäeg Ultraschallhomogenisateure fir Mëschuwendungen, Dispersioun, Emulgéierung an Extraktioun am Labo-, Pilot- an industrielle Moossstaf.
Beispiller fir cheemesch Reaktiounen, déi duerch Ultraschall verbessert ginn, am Verglach mat konventionelle Reaktiounen
D’Tabell hei drënner gëtt en Iwwerbléck iwwer verschidde verbreet cheemesch Reaktiounen. Fir all Reaktiounstyp ginn déi konventionell duerchgeféiert Reaktioun an déi duerch Ultraschall verstäerkt Reaktioun wat de Rendement an d’Ëmsetzungsvitesse ugeet matenee verglach.
| Reaktioun | Reaktiounszäit – konventionell | Reaktiounszäit – Ultraschall | Rendement – konventionell (%) | Rendement – 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% |
| Epoxidéierung 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-Iodnitrobenzol | 2 h | 2h | manner wéi 1,5% | 70,4% |
| Reformatsky-Reaktioun | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(kuckt Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: D’Grondlage vun der Prozessintensivéierung, éischt Editioun. 2019 vu Wiley publizéiert)
Literatur / Referenzen
- 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 Ultrasonics produzéiert Héichleeschtungsultraschallhomogenisateure vun der Laborgréisst bis zur Industriegréisst.