Sonochemie a Sonochemesch Reaktoren
Sonochemie ass d'Feld vun der Chimie wou Héichintensitéit Ultraschall benotzt gëtt fir chemesch Reaktiounen ze induzéieren, ze beschleunegen an z'änneren (Synthese, Katalyse, Degradatioun, Polymeriséierung, Hydrolyse etc.). Ultraschall generéiert Kavitatioun zeechent sech duerch eenzegaarteg energiedichte Bedéngungen, déi chemesch Reaktiounen förderen an verstäerken. Méi séier Reaktiounsraten, méi héich Ausbezuelen an d'Benotzung vu gréngen, mëllere Reagenzen maachen d'Sonochemie zu engem ganz avantagéisen Tool fir verbessert chemesch Reaktiounen ze kréien.
Sonochemie
Sonochemistry ass d'Fuerschung an d'Veraarbechtungsfeld an deem Moleküle eng chemesch Reaktioun erliewen wéinst der Uwendung vun héijer Intensitéit Ultraschall (zB 20 kHz). De Phänomen verantwortlech fir sonochemesch Reaktiounen ass akustesch Kavitatioun. Akustesch oder Ultraschall Kavitatioun geschitt wann mächteg Ultraschallwellen an eng Flëssegkeet oder Schlamm gekoppelt sinn. Duerch déi alternéierend Héichdrock-/Nidderdrockzyklen, déi duerch Kraaft-Ultraschallwellen an der Flëssegkeet verursaacht ginn, entstinn Vakuumblasen (kavitational Voids), déi iwwer verschidden Drockzyklen wuessen. Wann d'kavitational Vakuumbubble eng gewësse Gréisst erreecht wou se net méi Energie absorbéiere kann, implodéiert d'Vakuumblase gewalteg a schaaft en héich energiedichten Hotspot. Dës lokal optrieden Hotspot zeechent sech duerch ganz héijen Temperaturen, Drock a Mikro-Streaming vun extrem schnelle Flëssegstrahlen.
Den zouene Batchreaktor aus Edelstol ass mat der Ultraschall UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustesch Kavitatioun an Effekter vun High-Intensity Ultrasonication
Akustesch Kavitatioun, dacks och Ultraschallkavitatioun genannt, kann an zwou Formen ënnerscheeden, stabil an transient Kavitatioun. Wärend der stabiler Kavitatioun oszilléiert d'Kavitatiounsblase vill Mol ëm säi Gläichgewiichtsradius, wärend während der transienter Kavitatioun, an där eng kuerzlieweg Bubble dramatesch Volumenännerungen an e puer akustesche Zyklen mécht an an engem gewaltsamen Zesummebroch endet (Suslick 1988). Stabil an transient Kavitatioun ka gläichzäiteg an der Léisung optrieden an eng Bubble, déi stabil Kavitatioun mécht, kann eng transient Kavitéit ginn. D'Bubble-Implosioun, déi charakteristesch ass fir transient Kavitatioun an High-Intensity-Sonication, erstellt verschidde kierperlech Konditiounen, dorënner ganz héich Temperaturen vu 5000-25,000 K, Drock vu bis zu e puer 1000 Bar, a Flëssegkeete mat Geschwindegkeete vu bis zu 1000m / s. Zënter dem Zesummebroch / Implosioun vu Kavitatiounsblasen geschitt a manner wéi enger Nanosekonn, ganz héich Heiz- a Ofkillungsraten iwwer 1011 K / s kann observéiert ginn. Esou héich Heizungsraten an Drockdifferenzen kënnen Reaktiounen initiéieren a beschleunegen. Wat déi optriedend Flëssegkeetsstroum ugeet, weisen dës High-Speed-Mikrojets besonnesch héich Virdeeler wann et ëm heterogen zolidd-flësseg Slurries kënnt. D'FlëssegkeetsJets schloen op d'Uewerfläch mat der voller Temperatur an Drock vun der kollapsende Bubble a verursaache Erosioun iwwer Interpartikelkollisioun souwéi lokaliséiert Schmelzen. Dofir gëtt e wesentlech verbesserte Massentransfer an der Léisung beobachtet.
Ultraschall Kavitatioun gëtt am effektivsten a Flëssegkeeten a Léisungsmëttel mat nidderegen Dampdruck generéiert. Dofir si Medien mat nidderegen Dampdrock favorabel fir sonochemesch Uwendungen.
Als Resultat vun der Ultraschallkavitatioun kënnen déi intensiv Kräfte erstallt kënne Weeër vu Reaktiounen op méi effizient Strecken wiesselen, sou datt méi komplette Konversiounen an / oder d'Produktioun vun ongewollten Nebenprodukter vermeit ginn.
Den energiedichte Raum, deen duerch den Zesummebroch vu Kavitatiounsblasen erstallt gëtt, gëtt Hotspot genannt. Low-Frequenz, High-Power Ultraschall am Beräich vun 20kHz an d'Fäegkeet fir héich Amplituden ze kreéieren ass gutt etabléiert fir d'Generatioun vun intensiven Hotspots an déi favorabel sonochemesch Konditiounen.
Ultrasonic Laboratoire Ausrüstung wéi och industriell Ultraschallreaktoren fir kommerziell sonochemesch Prozesser si liicht verfügbar a bewisen als zouverlässeg, effizient an ëmweltfrëndlech op Labo, Pilot a voll industrieller Skala. Sonochemesch Reaktiounen kënnen als Batch (dh oppe Behälter) oder In-Line Prozess mat engem zouenen Flowzellreaktor duerchgefouert ginn.
Sono-Synthese
Sono-Synthese oder sonochemesch Synthese ass d'Applikatioun vun ultraschall generéiert Kavitatioun fir chemesch Reaktiounen ze initiéieren an ze förderen. Héichkraaft Ultraschall (zB bei 20 kHz) weist staark Effekter op Molekülen a chemesch Bindungen. Zum Beispill, déi sonochemesch Effekter, déi aus intensiver Sonikatioun entstinn, kënnen zu Moleküle splittéieren, fräi Radikale kreéieren an / oder chemesch Weeër wiesselen. Sonochemesch Synthese gëtt dofir intensiv benotzt fir d'Fabrikatioun oder d'Modifikatioun vun enger breet Palette vun nanostrukturéierte Materialien. Beispiller fir Nanomaterialien, déi iwwer Sono-Synthese produzéiert ginn, sinn Nanopartikelen (NPs) (zB Gold NPs, Sëlwer NPs), Pigmenter, Kär-Schuel Nano-Partikel, Nano-Hydroxyapatit, Metal Organic Frameworks (MOFs), aktiv pharmazeutesch Zutaten (APIs), Mikrokugel dekoréiert Nanopartikelen, Nano-Komposite ënner villen anere Materialien.
Beispiller: Ultraschall Transesterifikatioun vu Fettsäure Methylester (Biodiesel) oder d'Transesterifikatioun vu Polyolen mat Ultraschall.
TEM Bild (A) a seng Partikelgréisst Verdeelung (B) vu Sëlwer Nanopartikelen (Ag-NPs), déi sonochemesch synthetiséiert goufen ënner optimal Bedéngungen.
Och wäit applizéiert ass d'Ultraschall gefördert Kristalliséierung (Sono-Kristalliséierung), wou Kraaft-Ultraschall benotzt gëtt fir iwwersaturéiert Léisungen ze produzéieren, fir Kristalliséierung / Nidderschlag ze initiéieren, a Kristallgréisst a Morphologie iwwer Ultraschallprozessparameter ze kontrolléieren. Klickt hei fir méi iwwer Sono-Kristalliséierung ze léieren!
sono-katalyse
Sonicating eng chemesch Suspensioun oder Léisung kann katalytesch Reaktiounen wesentlech verbesseren. Déi sonochemesch Energie reduzéiert d'Reaktiounszäit, verbessert d'Hëtzt- a Massentransfer, wat duerno zu verstäerkte chemeschen Tauxkonstanten, Ausbezuelen a Selektivitéiten resultéiert.
Et gi vill katalytesch Prozesser, déi drastesch profitéieren vun der Uwendung vum Power Ultraschall a seng sonochemesch Effekter. All heterogen Phase Transfer Catalysis (PTC) Reaktioun mat zwee oder méi onmëschbar Flëssegkeeten oder eng flësseg-fest Zesummesetzung, profitéiert vun der Sonikatioun, der sonochemescher Energie an dem verbesserte Massentransfer.
Zum Beispill huet d'vergläichend Analyse vun der roueger an ultraschall-assistéierter katalytescher naasser Peroxidoxidatioun vu Phenol am Waasser opgedeckt datt d'Sonicatioun d'Energiebarriär vun der Reaktioun reduzéiert huet, awer keen Impakt op de Reaktiounswee hat. D'Aktivatiounsenergie fir d'Oxidatioun vu Phenol iwwer RuI3 Katalysator während sonication gouf fonnt 13 kJ mol-1, wat véiermol méi kleng war am Verglach zum stille Oxidatiounsprozess (57 kJ mol-1). (Rokhina et al., 2010)
Sonochemesch Katalyse gëtt erfollegräich benotzt fir d'Fabrikatioun vu chemesche Produkter wéi och d'Fabrikatioun vu Mikron- an Nanostrukturéierten anorganesche Materialien wéi Metaller, Legierungen, Metallverbindungen, Net-Metalmaterialien an anorganesche Kompositen. Allgemeng Beispiller vun ultraschall assistéiert PTC sinn d'Transesterifikatioun vu fräie Fettsäuren a Methylester (Biodiesel), Hydrolyse, d'Versäfung vu Geméisueleg, Sono-Fenton Reaktioun (Fenton-ähnlech Prozesser), sonokatalytesch Degradatioun etc.
Liest méi iwwer Sono-Katalyse a spezifesch Uwendungen!
Sonication verbessert Klickchemie wéi Azid-Alkyn Cycloaddition Reaktiounen!
Aner Sonochemical Uwendungen
Wéinst hirer villsäiteger Notzung, Zouverlässegkeet an einfacher Operatioun, sonochemical Systemer wéi den UP 400 St oder UIP2000hdT ginn als effizient Ausrüstung fir chemesch Reaktiounen geschätzt. Hielscher Ultrasonics sonochemesch Geräter kënne ganz einfach fir Batch (oppe Becher) a kontinuéierlech Inline Sonikatioun mat enger sonochemescher Flowzelle benotzt ginn. Sonochemie abegraff Sono-Synthese, Sono-Katalyse, Degradatioun oder Polymeriséierung gi wäit an der Chimie, Nanotechnologie, Materialwëssenschaft, Pharmazeutik, Mikrobiologie wéi och an aneren Industrien benotzt.
industriell ultrasonicator UIP2000hdT (2kW) mat sonochemical inline reaktor.
High-Performance Sonochemical Equipement
Hielscher Ultrasonics ass Ären Top Zouliwwerer vun innovativen, modernsten Ultraschaller, sonochemesch Flowzelle, Reaktoren an Accessoiren fir effizient an zouverléisseg sonochemesch Reaktiounen. All Hielscher Ultrasonicatoren sinn exklusiv entwéckelt, fabrizéiert a getest am Hielscher Ultrasonics Sëtz zu Teltow (bei Berlin), Däitschland. Nieft héchsten technesche Standarden an aussergewéinleche Robustheet an 24/7/365 Operatioun fir héich effizient Operatioun, sinn Hielscher Ultraschaller einfach an zouverlässeg ze bedreiwen. Héich Effizienz, Smart Software, intuitiv Menü, automatesch Dateprotokolléierung a Browser Fernsteierung sinn nëmmen e puer Features, déi Hielscher Ultrasonics vun anere sonochemeschen Ausrüstungshersteller ënnerscheeden.
Genau Upassbar Amplituden
D'Amplitude ass d'Verschiebung op der viischter (Spëtzt) vun der Sonotrode (och bekannt als Ultraschallsonde oder Horn) an ass den Haaptaflossfaktor vun der Ultraschallkavitatioun. Méi héich Amplituden bedeit méi intensiv Kavitatioun. Déi erfuerderlech Intensitéit vun der Kavitatioun hänkt staark vun der Reaktiounstyp of, chemesche Reagenz benotzt a geziilte Resultater vun der spezifescher sonochemescher Reaktioun. Dëst bedeit datt d'Amplitude präzis justierbar soll sinn fir d'Intensitéit vun der akustescher Kavitatioun op den ideale Niveau ze stëmmen. All Hielscher Ultraschaller kënnen zouverlässeg a präzis iwwer eng intelligent digital Kontroll op déi ideal Amplitude ugepasst ginn. Boosterhorn kënnen zousätzlech benotzt ginn fir d'Amplitude mechanesch ze reduzéieren oder ze erhéijen. Ultraschall’ industriell Ultraschallprozessoren kënne ganz héich Amplituden liwweren. Amplituden vu bis zu 200µm kënne ganz einfach kontinuéierlech a 24/7 Operatioun lafen. Fir nach méi héich Amplituden sinn personaliséiert Ultraschall Sonotroden verfügbar.
Präzis Temperaturkontroll Wärend sonochemesche Reaktiounen
Am Kavitatiouns-Hotspot kënnen extrem héich Temperature vu villen Dausende vu Grad Celsius observéiert ginn. Wéi och ëmmer, dës extrem Temperaturen sinn lokal limitéiert op d'Minute Bannen an Ëmgéigend vun der implodéierender Kavitatiounsblase. An der bulk Léisung ass d'Temperaturerhéijung vun der Implosioun eng eenzeg oder e puer Kavitatiounsblasen negligibel. Awer kontinuéierlech, intensiv Sonikatioun fir méi laang Perioden kann eng inkrementell Erhéijung vun der Masseflëssegkeetstemperatur verursaachen. Dës Temperaturerhéijung dréit zu ville chemesche Reaktiounen bäi a gëtt dacks als profitabel ugesinn. Wéi och ëmmer, verschidde chemesch Reaktiounen hunn verschidden optimal Reaktiounstemperaturen. Wann Hëtztempfindlech Materialien behandelt ginn, kann d'Temperaturkontroll néideg sinn. Fir ideal thermesch Bedéngungen während sonochemesche Prozesser z'erméiglechen, bitt Hielscher Ultrasonics verschidde sophistikéiert Léisunge fir präzis Temperaturkontroll während sonochemesche Prozesser, wéi sonochemesch Reaktoren a Flowzellen, déi mat Killjacken ausgestatt sinn.
Eis sonochemesch Flowzellen a Reaktoren si mat Killjacken verfügbar, déi eng effektiv Wärmevergëftung ënnerstëtzen. Fir kontinuéierlech Temperaturiwwerwaachung sinn Hielscher Ultraschaller mat engem pluggbare Temperatursensor ausgestatt, deen an d'Flëssegkeet agesat ka ginn fir konstant Messung vun der Bulktemperatur. Raffinéiert Software erlaabt d'Astellung vun engem Temperaturbereich. Wann d'Temperaturlimit iwwerschratt ass, stoppt den Ultraschall automatesch, bis d'Temperatur an der Flëssegkeet op e bestëmmte Setpunkt erofgaang ass a fänkt automatesch erëm ze sonikéieren. All Temperaturmessungen wéi och aner wichteg Ultraschallprozessdaten ginn automatesch op enger agebauter SD Kaart opgeholl a kënne ganz einfach fir Prozesskontrolle iwwerschafft ginn.
Temperatur ass e wesentleche Parameter vu sonochemesche Prozesser. Dem Hielscher seng ausgeschafft Technologie hëlleft Iech d'Temperatur vun Ärer sonochemescher Applikatioun am idealen Temperaturbereich ze halen.
- héich Effizienz
- Staat-vun-der-Konscht Technologie
- einfach a sécher ze bedreiwen
- Zouverlässegkeet & Robustheet
- batch & an der Schlaang
- fir all Volumen
- intelligent Software
- Smart Features (zB Dateprotokolléierung)
- CIP (clean-in-place)
Sonochemesche Reaktor: Intensiv Sonikatioun a resultéierend Kavitatioun initiéiert a verstäerkt chemesch Reaktiounen a kënne souguer Weeër wiesselen.
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.
Beispiller fir Ultraschall verbessert chemesch Reaktioun vs konventionell Reaktiounen
D'Tabell hei drënner gëtt en Iwwerbléck iwwer verschidde gemeinsam chemesch Reaktiounen. Fir all Reaktiounstyp gëtt déi konventionell lafend Reaktioun vs déi ultraschall verstäerkt Reaktioun verglach wat d'Ausbezuelung an d'Konversiounsgeschwindegkeet ugeet.
| 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% |
(cf. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Verëffentlecht 2019 vum Wiley)
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 fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren aus Labo zu industriell Gréisst.