Poliolu sintēze ar ultraskaņas pāresterificēšanu

Polioli ir sintētiski esteri, ko galvenokārt iegūst, pāresterificējot augu eļļās vai dzīvnieku taukos esošos triglicerīdus. Šie polioli ir izejviela poliuretānu, biosmērvielu un citu ķīmisko vielu ražošanai. Apstrādi ar ultraskaņu izmanto pāresterificēšanas reakciju veicināšanai, pielietojot intensīvus bīdes spēkus un siltumenerģiju. Ultraskaņa un tās sonoķīmiskā iedarbība nodrošina reakcijas enerģiju un palīdz pārvarēt masas pārneses ierobežojumus. Tādējādi apstrāde ar ultraskaņu ievērojami palielina pāresterificēšanas ātrumu, iznākumu un kopējo efektivitāti.

Pāresterificēšana ar ultraskaņas palīdzību

Pāresterificēšanas reakcijas ir viens no svarīgākajiem sintēzes ceļiem, un tās plaši izmanto kā efektīvu paņēmienu augu eļļu pārvēršanai naftas produktu aizstājējos. Sonosintēze (arī sonoķīmiskā sintēze, kas ir ķīmiskā sintēze, kuru veicina augstas veiktspējas ultraskaņa) ir labi pazīstama ar savu labvēlīgo ietekmi uz pāresterificēšanu un citiem ķīmiskajiem procesiem.

Ilgtspējīga poliolu sintēze no augu eļļām, izmantojot ultraskaņu

Augu izcelsmes taukskābes, proti, augu eļļas, ir plaši pieejama un atjaunojama izejviela, ko var izmantot bioloģiskas izcelsmes poliolu un poliuretānu iegūšanai. Jaudas ultraskaņas izmantošana rada labvēlīgu sonoķīmisko iedarbību, kas ievērojami paātrina katalītisko pāresterificēšanas reakciju. Turklāt apstrāde ar ultraskaņu palielina sintezēto poliolu iznākumu, jo akustiskās kavitācijas intensīvā maisīšanas enerģija pārvar masas pārneses ierobežojumu. Ir labi zināms, ka ultraskaņas pāresterificēšanas reakcijas norit efektīvi ar mazāku spirta un katalizatora daudzumu nekā tradicionālās pāresterificēšanas reakcijas. Tādējādi apstrāde ar ultraskaņu uzlabo kopējo efektivitāti.

Uz pentaeritrīta estera bāzes veidotas biosmērvielas ultraskaņas sintēze

Pentaeritrīta esteri var efektīvi sintezēt no rapšu eļļas divpakāpju sonoķīmiskā procesā, kā to pierādīja Arumugam pētnieku grupa. Optimizācijas pētījumā pētnieki izmantoja Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīci UP400St (skatīt attēlu pa kreisi). Pirmajā sonoķīmiski veicinātajā pāresterificēšanas reakcijā rapšu eļļa reaģē ar metanolu, veidojot metilesteri. Otrajā pāresterificēšanas posmā metilesteris reaģē ar ksilolu un katalizatoru, veidojot pentaeritrīta esteri. Pētnieks pievērsās ultraskaņas procesa parametru optimizācijai, lai palielinātu pentaeritrīta estera sintēzes iznākumu un kopējo efektivitāti ultraskaņas iedarbībā. Palielināts pentaeritrīta estera iznākums 81,4% apmērā tika sasniegts ar 15 s ultraskaņas impulsu, 60% ultraskaņas amplitūdu, 1,5 wt% katalizatora koncentrāciju un 100°C reakcijas temperatūru. Kvalitātes kontroles nolūkā sonoķīmiski sintezētais pentaeritrīta esteris tika salīdzināts ar sintētisko kompresoru eļļu. Pētījuma secinājumi liecina, ka ar ultraskaņu veicinātais secīgās pāresterificēšanas process ir efektīva metode tradicionālā secīgās pāresterificēšanas procesa aizstāšanai uz pentaeritrīta estera bāzes veidotas biosmērvielas sintēzē. Galvenās ultraskaņas pāresterificēšanas procesa priekšrocības ir lielāks pentaeritrīta estera iznākums, īsāks reakcijas laiks un ievērojami zemāka reakcijas temperatūra. (sal. Arumugam et al., 2019)

Ar ultraskaņu intensificēta rapšu eļļas divpakāpju pāresterificēšana par pentaeritrīta esteri.
(pielāgots no Arumugam et al., 2019)

No pentanāla atvasināti acetālu esteri, izmantojot ultraskaņas sintēzi

Kurniawan pētnieku grupa, izmantojot sonoķīmisku metodi un zaļās ķīmijas principus, sintezēja trīs no pentanāla atvasinātus acetālu esterus. Apstrāde ar ultraskaņu tika izmantota, lai veicinātu divus ķīmiskos posmus:

1. 9,10-dihidroksioktadekānskābes esterifikācija
2. Alkil-9,10-dihidroksioktadekanoāta acetalizācija

Lai iegūtu alkil-9,10-dihidroksistearāta esterus, nepieciešami divi posmi, un tika sasniegts 67–85% iznākums. Efektivitātes novērtēšanai sonoķīmiskā metode tika salīdzināta ar tradicionālo karsēšanu ar atteci. Turklāt dažādu katalizatoru ietekmes un efektivitātes noteikšanai tika izmantoti homogēni un cieti skābes katalizatori, proti, sērskābe (H2SO4), dabiskais bentonīts un H-bentonīts. Tika konstatēts, ka skābes sonoķīmiskajā esterifikācijā, ko katalizēja H-bentonīts, produktu iznākums sasniedza līdz 70%, bet reakcijas laiks bija 3 reizes īsāks nekā karsējot ar atteci, kas ir ievērojams rezultāts. Noslēdzošajā acetalizācijas posmā ar n-pentanālu H-bentonīta klātbūtnē, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu, tika iegūti trīs no pentanāla atvasināti dioksolāna atvasinājumi ar 69–85% iznākumu, kas ir augstāks nekā ar tradicionālo metodi. Karsēšanai ar atteci bija nepieciešams ilgāks reakcijas laiks nekā sonoķīmiskajai metodei, jo ultraskaņas sintēzei bija nepieciešamas tikai 10–30min. Papildus ievērojami īsākam reakcijas laikam, apstrādājot ar ultraskaņu, ar sonoķīmisko metodi tika iegūts arī ievērojams katra estera iznākums.
Pētnieks arī aprēķināja, ka sonoķīmiskajai reakcijai nepieciešamais enerģijas daudzums ir aptuveni 62 reizes mazāks nekā tradicionālajai metodei. Tas samazina izmaksas un ir videi draudzīgi.
Katra produkta fizikāli ķīmisko īpašību pārbaude atklāja, ka metil-8-(2-butil-5-oktil-1,3-dioksolān-4-il)oktanoāts ir potenciāla jauna biosmērviela ar funkcionālajām īpašībām, kas ļauj aizstāt parastās smērvielas. (sal. Kurniawan et al., 2021)

Pentaeritrīta esteru pāresterificēšana, izmantojot ultraskaņu

Pentaeritrīta esterus var iegūt no augu eļļām, piemēram, saulespuķu, linsēklu un jatrofas eļļas. Hashem pētnieku grupa demonstrēja bioloģiskas izcelsmes smērvielu sintēzi ar secīgām bāzes katalizētām pāresterificēšanas reakcijām, kas ietvēra divus pāresterificēšanas posmus. Viņi pierādīja sintēzes iespējamību, izmantojot saulespuķu, linsēklu un jatrofas eļļu. Pirmajā posmā eļļas tika pārveidotas par atbilstošajiem metilesteriem. Otrajā procesā metilesteri pentaeritrīta iedarbībā tika pārveidoti par pentaeritrīta esteriem, kā parādīts tālāk sniegtajā shēmā: (sal. Hashem et al., 2013)

Pēc augu eļļas pāresterificēšanas par metilesteri metilesteri pentaeritrīta iedarbībā tiek pārveidoti par pentaeritrīta esteriem, kā parādīts iepriekš sniegtajā shēmā.
(sal. Hashem et al., 2013)

Ultraskaņas apstrādes ietekme, kas būtiski veicina pāresterificēšanas reakciju, ir zinātniski pierādīta un jau vairākus gadu desmitus tiek izmantota rūpniecībā. Visizcilākais ar ultraskaņu uzlabotas pāresterificēšanas piemērs ir eļļu un tauku pārveidošana par taukskābju metilesteri (FAME), kas pazīstams kā biodīzeļdegviela.
Lasiet vairāk par eļļu (arī atkritumeļļu) un tauku pāresterificēšanu biodīzeļdegvielā ar ultraskaņas palīdzību!

Ultraskaņas zondes un reaktori pāresterificēšanai un citām ķīmiskām sintēzēm

Hielscher Ultrasonics ir jūsu speciālists sarežģītu augstas veiktspējas ultraskaņas ierīču jomā sonoķīmiskām reakcijām. Hielscher izstrādā, ražo un izplata lieljaudas ultraskaņas ierīces un jebkura izmēra piederumus, piemēram, zondes (sonotrodes), reaktorus un plūsmas šūnas, un apgādā gan ķīmijas laboratorijas, gan rūpnieciska mēroga ķīmiskās ražotnes. No kompaktām laboratorijas ultraskaņas ierīcēm līdz rūpnieciskām ultraskaņas zondēm un reaktoriem – Hielscher piedāvā ideālu ultraskaņas sistēmu jūsu procesam. Pateicoties ilggadējai pieredzei tādās jomās kā sonokatalīze un sonosintēze, mūsu labi apmācītie darbinieki ieteiks jūsu prasībām vispiemērotāko konfigurāciju.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmas, kas ir ļoti izturīgas un spēj radīt intensīvus ultraskaņas viļņus, jo visas Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas ierīces spēj nodrošināt ļoti lielas amplitūdas nepārtrauktā darbībā (24/7). Izturīgajām ultraskaņas sistēmām gandrīz nav nepieciešama apkope, un tās ir konstruētas ilgstošai darbībai. Tādēļ Hielscher ultraskaņas iekārtas ir uzticamas intensīvas slodzes lietojumos sarežģītos apstākļos. Ir pieejamas arī īpašas sonotrodes augstām temperatūrām vai ļoti agresīvai ķīmiskai videi.
Visaugstākā kvalitāte – izstrādāts un ražots Vācijā: Visas iekārtas tiek izstrādātas un ražotas mūsu galvenajā mītnē Vācijā. Pirms piegādes klientam katra ultraskaņas ierīce tiek rūpīgi pārbaudīta ar pilnu slodzi. Mēs tiecamies panākt klientu apmierinātību, un mūsu ražošana ir organizēta tā, lai izpildītu visaugstākās kvalitātes nodrošināšanas prasības (piemēram, ISO sertifikāciju).

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu: