Sonoķīmiskās reakcijas un sintēze
Sonoķīmija ir ultraskaņas izmantošana ķīmiskajās reakcijās un procesos. Mehānisms, kas izraisa sonoķīmisko iedarbību šķidrumos, ir akustiskās kavitācijas parādība.
Hielscher laboratorijas un rūpnieciskās ultraskaņas ierīces izmanto daudzveidīgos sonoķīmiskajos procesos. Ultraskaņas kavitācija intensificē un paātrina ķīmiskās reakcijas, piemēram, sintēzi un katalīzi.
Sonoķīmiskās reakcijas
Ķīmiskajās reakcijās un procesos var novērot šādu sonoķīmisko iedarbību:
- reakcijas ātruma palielināšanās
- reakcijas iznākuma palielināšanās
- efektīvāka enerģijas izmantošana
- sonoķīmiskās metodes reakcijas ceļa maiņai
- fāžu pārneses katalizatoru darbības uzlabošanās
- iespēja iztikt bez fāžu pārneses katalizatoriem
- neattīrītu vai tehniskas tīrības reaģentu izmantošana
- metālu un cietvielu aktivēšana
- reaģentu vai katalizatoru reaģētspējas palielināšanās (noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par katalīzi ar ultraskaņas palīdzību)
- daļiņu sintēzes uzlabošanās
- nanodaļiņu pārklāšana
7 ultraskaņas homogenizatori ar modeļa apzīmējumu UIP1000hdT (7x 1kW ultraskaņas jauda), kas uzstādīti vienotā grupā sonoķīmiskajām reakcijām rūpnieciskā mērogā.
Ar ultraskaņu intensificētu ķīmisko reakciju priekšrocības
Ar ultraskaņu veicinātas ķīmiskās reakcijas ir atzīta procesu intensifikācijas metode ķīmiskās sintēzes un pārstrādes jomā. Izmantojot ultraskaņas viļņu jaudu, šīs reakcijas sniedz daudzas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām metodēm, uzlabojot ķīmisko katalīzi un sintēzi. Īpaši liels konversijas ātrums, izcili iznākumi, paaugstināta selektivitāte, uzlabota energoefektivitāte un samazināta ietekme uz vidi ir galvenās sonoķīmisko reakciju priekšrocības.
Tālāk redzamajā tabulā parādītas dažas būtiskas ar ultraskaņu veicinātu reakciju priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām ķīmiskajām reakcijām:
| Reakcija | Reakcijas laiks Tradicionālā metode |
Reakcijas laiks Ultraskaņa |
Iznākums Tradicionālā metode (%) |
Iznākums Ultraskaņa (%) |
|---|---|---|---|---|
| Dīlsa–Oldera ciklizācija | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Indāna oksidēšana par indān-1-onu | 3 h | 3 h | mazāk nekā 27% | 73% |
| Metoksiaminosilāna reducēšana | reakcija nenotiek | 3 h | 0% | 100% |
| Garķēžu nepiesātināto taukskābju esteru epoksidēšana | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Arilalkānu oksidēšana | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Nitroalkānu pievienošana monoaizvietotiem α,β-nepiesātinātiem esteriem pēc Mihaela reakcijas | 2 dienas | 2 h | 85% | 90% |
| 2-oktanola oksidēšana ar permanganātu | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Halkonu sintēze ar Klaizena–Šmita kondensāciju | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| 2-jodnitrobenzola savienošanās pēc Ulmaņa reakcijas | 2 h | 2h | mazāk nekā 1,5% | 70,4% |
| Reformatska reakcija | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultraskaņas kavitācija šķidrumos
Kavitācija ir burbuļu veidošanās, augšana un implozīva sabrukšana šķidrumā. Kavitācijas burbuļu sabrukšana rada intensīvu lokālu sakaršanu (~5000 K), augstu spiedienu (~1000 atm), ārkārtīgi lielu sakaršanas un atdzišanas ātrumu (>10⁹ K/sec) un šķidruma strūklas (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitācija, izmantojot UIP1000hd:
Kavitācijas burbuļi ir vakuuma burbuļi. Vakuumu rada strauji kustīga virsma vienā pusē un inerts šķidrums otrā pusē. Radītās spiediena starpības ļauj pārvarēt kohēzijas un adhēzijas spēkus šķidrumā.
Kavitāciju var radīt dažādos veidos, piemēram, ar Venturi sprauslām, augstspiediena sprauslām, ātru rotāciju vai ultraskaņas pārveidotājiem. Visās šajās sistēmās ievadītā enerģija pārvēršas berzē, turbulencē, viļņos un kavitācijā. Ievadītās enerģijas daļa, kas pārvēršas kavitācijā, ir atkarīga no vairākiem faktoriem, kuri raksturo kavitāciju radošās iekārtas kustību šķidrumā.
Paātrinājuma intensitāte ir viens no svarīgākajiem faktoriem, kas ietekmē enerģijas efektīvu pārvēršanu kavitācijā. Lielāks paātrinājums rada lielākas spiediena starpības. Tas savukārt palielina vakuuma burbuļu veidošanās varbūtību, nevis tādu viļņu veidošanos, kuri izplatās šķidrumā. Tādējādi, jo lielāks ir paātrinājums, jo lielāka enerģijas daļa pārvēršas kavitācijā. Ultraskaņas pārveidotāja gadījumā paātrinājuma intensitāti raksturo svārstību amplitūda.
Lielākas amplitūdas nodrošina efektīvāku kavitācijas radīšanu. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskās ierīces var radīt amplitūdas līdz 115 µm. Šīs lielās amplitūdas nodrošina augstu jaudas pārvades koeficientu, kas savukārt ļauj sasniegt lielu jaudas blīvumu – līdz 100 W/cm³.
Papildus paātrinājuma intensitātei jāņem vērā arī tas, ka šķidrums jāpaātrina tā, lai turbulences, berzes un viļņu veidošanās radītie zudumi būtu minimāli. Šim nolūkam optimāla ir kustība vienā virzienā.
Ultraskaņas reaktors ar 16 000 vatu jaudu sonoķīmiski pastiprinātai pāresterificēšanai plūsmā.
- aktivētu metālu iegūšana, reducējot metālu sāļus
- aktivētu metālu iegūšana, apstrādājot ar ultraskaņu
- daļiņu sonoķīmiskā sintēze, izgulsnējot metālu (Fe, Cr, Mn, Co) oksīdus, piemēram, izmantošanai par katalizatoriem
- nesēju impregnēšana ar metāliem vai metālu halogenīdiem
- aktivētu metālu šķīdumu sagatavošana
- reakcijas ar metālu piedalīšanos, izmantojot in situ radītas elementorganiskās daļiņas
- reakcijas ar nemetālisku cietvielu piedalīšanos
- metālu, sakausējumu, ceolītu un citu cietvielu kristalizācija un izgulsnēšana
- virsmas morfoloģijas un daļiņu izmēra modificēšana ar daļiņu savstarpējām sadursmēm lielā ātrumā
- amorfu nanostrukturētu materiālu veidošana, tostarp pārejas metālu ar lielu virsmas laukumu, sakausējumu, karbīdu, oksīdu un koloīdu veidošana
- kristālu aglomerācija
- pasivējoša oksīda pārklājuma izlīdzināšana un noņemšana
- sīku daļiņu mikromanipulācija (frakcionēšana)
- cietvielu disperģēšana
- koloīdu sagatavošana (Ag, Au, kvantu izmēra CdS)
- viesmolekulu interkalācija neorganiskās slāņainās saimniekcietvielās
- polimēru sonoķīmija
- polimēru degradācija un modificēšana
- polimēru sintēze
- organisko piesārņotāju sonolīze ūdenī
Sonoķīmiskās iekārtas
Lielāko daļu minēto sonoķīmisko procesu var pielāgot darbībai plūsmā. Mēs labprāt palīdzēsim jums izvēlēties sonoķīmiskās iekārtas atbilstoši jūsu apstrādes vajadzībām. Pētniecībai un procesu testēšanai iesakām mūsu laboratorijas ierīces vai UIP1000hdT komplektu.
Ja nepieciešams, ir pieejamas FM un ATEX sertificētas ultraskaņas ierīces un reaktori (piemēram, UIP1000-Exd) uzliesmojošu ķīmisko vielu un produktu formulējumu apstrādei ar ultraskaņu bīstamā vidē.
Ultraskaņas kavitācija maina cikla atvēršanas reakcijas
Apstrāde ar ultraskaņu ir alternatīvs mehānisms ķīmisko reakciju ierosināšanai līdzās siltumam, spiedienam, gaismai vai elektrībai. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth un viņu komanda Ilinoisas Universitātes Ērbanā–Šampeinā Ķīmijas fakultātē izmantoja ultraskaņas jaudu, lai ierosinātu un vadītu cikla atvēršanās reakcijas. Apstrādājot ar ultraskaņu, ķīmiskajās reakcijās radās produkti, kas atšķīrās no orbitālās simetrijas noteikumos paredzētajiem (Nature 2007, 446, 423). Grupa pievienoja mehāniski jutīgus 1,2-diaizvietota benzociklobutēna izomērus divām polietilēnglikola ķēdēm, pievadīja ultraskaņas enerģiju un analizēja šķīdumu tilpumfāzi, izmantojot C13 kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopiju. Spektri parādīja, ka gan cis, gan trans izomēri dod vienu un to pašu produktu ar atvērtu ciklu – tādu, kāds sagaidāms no trans izomēra. Kamēr siltumenerģija izraisa reaģentu nejaušu Brauna kustību, apstrādes ar ultraskaņu mehāniskā enerģija piešķir atomu kustībai virzienu. Tādējādi kavitācijas efekti efektīvi virza enerģiju, deformējot molekulu un pārveidojot potenciālās enerģijas virsmu.
Zondes tipa ultraskaņas ierīces, piemēram, UP400St, intensificē nanodaļiņu sintēzi. Sonoķīmiskā metode ir vienkārša, iedarbīga, ātra un ļauj izmantot netoksiskas ķīmiskās vielas maigos apstākļos.
Augstas veiktspējas ultraskaņas ierīces sonoķīmijai
Hielscher Ultrasonics piegādā ultraskaņas procesorus laboratorijām un rūpniecībai. Visas Hielscher ultraskaņas ierīces ir ļoti jaudīgas un izturīgas un ir paredzētas nepārtrauktai darbībai 24/7 ar pilnu slodzi. Digitālā vadība, programmējami iestatījumi, temperatūras uzraudzība, automātiska datu reģistrēšana un attālināta vadība pārlūkprogrammā ir tikai dažas no Hielscher ultraskaņas ierīču funkcijām. Hielscher Ultrasonics iekārtas ir izstrādātas augstai veiktspējai un ērtai ekspluatācijai, un lietotāji novērtē to drošo un vienkāršo lietošanu. Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori nodrošina amplitūdas līdz 200µm un ir ideāli piemēroti lielas slodzes lietojumiem. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| nav piemērojams | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| nav piemērojams | lielāks | ierīču grupa: UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanai, disperģēšanai, emulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijas, pilotiekārtu un rūpnieciskā mērogā.
Literatūra / Atsauces
- 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 ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no laboratorijas līdz rūpnieciskam mērogam.