Sonochemical reakcijas un sintēze
Sonochemistry ir ultraskaņas pielietojums ķīmiskajās reakcijās un procesos. Mehānisms, kas izraisa sonochemiskus efektus šķidrumos, ir akustiskās kavitācijas parādība.
Hielscher ultraskaņas laboratorijas un rūpnieciskās ierīces tiek izmantotas plašā SONOCHEMICAL procesu diapazonā. Ultraskaņas Kavitācija pastiprina un paātrina ķīmiskas reakcijas, piemēram, sintēzi un katalīzi.
Sonochemiskās reakcijas
Ķīmiskajās reakcijās un procesos var novērot sekojošus sonoķīmiskos efektus:
- reakcijas ātruma palielināšanās
- reakcijas produkcijas pieaugums
- efektīvāks enerģijas patēriņš
- sonochemiskās metodes reakcijas ceļu maiņai
- fāzes pārneses katalizatoru veiktspējas uzlabošana
- izvairīšanās no fāzes pārcelšanas katalizatoriem
- neapstrādātu vai tehnisku reaģentu izmantošana
- metālu un cietvielu aktivizēšana
- reaģentu vai katalizatoru reaktivitātes palielināšanās (Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par ultrasoniski atbalstītu katalīzi)
- daļiņu sintēzes uzlabošana
- nanodaļiņu pārklājums
7 ultraskaņas homogenizatori modelis UIP1000hdT (7x 1kW ultraskaņas jauda), kas uzstādīta kā klasteris sonoķīmiskām reakcijām rūpnieciskā mērogā.
Ultrasoniski pastiprināto ķīmisko reakciju priekšrocības
Ultrasoniski veicinātas ķīmiskās reakcijas ir izveidota procesa intensifikācijas metode ķīmiskās sintēzes un apstrādes jomā. Izmantojot ultraskaņas viļņu spēku, šīs reakcijas piedāvā daudzas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajām metodēm, uzlabojot ķīmisko katalīzi un sintēzi. Turbo ātras konversijas likmes, lieliska raža, uzlabota selektivitāte, uzlabota energoefektivitāte un samazināta ietekme uz vidi ir sonoķīmisko reakciju galvenās priekšrocības.
Tabulas trieciens parāda dažas ievērojamas priekšrocības, ko sniedz ultrasoniski veicināta reakcija salīdzinājumā ar parastajām ķīmiskajām reakcijām:
| reakcija | Reakcijas laiks Parasto |
Reakcijas laiks Ultrasonics |
Raža Tradicionālais (%) |
Raža Ultrasonics (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alkšņa ciklizācija | 35 h | 3,5 h | 77.9 | 97.3 |
| Indāna oksidēšana uz indānu-1-onu | 3 h | 3 h | mazāk nekā 27% | 73% |
| Metoksiaminosilāna reducēšana | nav reakcijas | 3 h | 0% | 100% |
| Garās ķēdes nepiesātināto taukskābju esteru epoksidācija | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Arilalkānu oksidēšana | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Maikls nitroalkānu pievienošana monosubstituētiem α,β-nepiesātinātiem esteriem | 2 dienas | 2 h | 85% | 90% |
| 2-oktanola permanganāta oksidācija | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Halkona sintēze ar CLaisen-Schmidt kondensāciju | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| UIllmann 2-jodnitrobenzola savienojums | 2 h | 2H 2H | mazāk iedeguma 1,5% | 70.4% |
| Reformatska reakcija | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultraskaņas kavitācija šķidrumos
Kavitācija, tas ir burbuļu veidošanās, izaugsme un implozīvs sabrukums šķidrumā. Kavitācijas sabrukums rada intensīvu vietējo apkuri (~ 5000 K), augstu spiedienu (~ 1000 atm) un milzīgas apkures un dzesēšanas ātrumu (>109 K / s) un šķidrās strūklas plūsmas (~ 400 km / h). (Susliks 1998)
Kavitācija, izmantojot UIP1000hd:
Kavitācijas burbuļi ir vakuuma burbuļi. Vakuumu veido vienlaikus ātri pārvietojas virsma un otrs inertais šķidrums. Rezultātā iegūtās spiediena atšķirības kalpo, lai pārvarētu šķidruma kohēzijas un saķeres spēkus.
Kavitāciju var ražot dažādos veidos, piemēram, Venturi sprauslas, augstspiediena sprauslas, augsta ātruma rotācija vai ultraskaņas devēji. Visās šajās sistēmās ieejas enerģija tiek pārveidota par berzi, satricinājumiem, viļņiem un kavitāciju. Ievades enerģijas frakcija, kas tiek pārveidota kavitācijā, ir atkarīga no vairākiem faktoriem, kas apraksta kavitācijas ģenerēšanas iekārtu kustību šķidrumā.
Paātrinājuma intensitāte ir viens no svarīgākajiem faktoriem, kas ietekmē enerģijas efektīvu pārveidošanu kavitācijā. Augstāks paātrinājums rada lielākas spiediena atšķirības. Tas savukārt palielina vakuuma burbuļu radīšanas varbūtību, nevis radot viļņus, kas izplatās caur šķidrumu. Tādējādi, jo augstāks ir paātrinājums, jo augstāka ir enerģijas daļa, kas tiek pārvērsta kavitācijā. Ultraskaņas devēju gadījumā paātrinājuma intensitāti raksturo svārstību amplitūda.
Augstākas amplitūdas rezultātā efektīvāk tiek radīta kavitācija. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskās ierīces var radīt amplitūdu līdz 115 μm. Šīs augstas amplitūdas nodrošina lielu jaudas pārnesumu attiecību, kas savukārt ļauj veidot lielas jaudas blīvumu līdz 100 W / cm³.
Papildus intensitātei šķidrums jāpaātrina tādā veidā, lai radītu minimālus zaudējumus saistībā ar satricinājumiem, berzi un viļņu veidošanos. Šim nolūkam optimālais veids ir vienpusējs kustības virziens.
Ultraskaņas reaktors ar 16 000 vatiem sonoķīmiski uzlabotai inline pāresterificēšanai.
- aktivēto metālu sagatavošana, samazinot metālu sāļus
- aktivēto metālu ģenerēšana ar ultraskaņas palīdzību
- daļiņu sonochemiskā sintēze, nogulsnējot metālu (Fe, Cr, Mn, Co) oksīdus, piemēram, izmantošanai katalizatoros
- metālu vai metālu halogenīdu impregnēšana uz balstiem
- aktivēto metālu šķīdumu sagatavošana
- metālu reakcijas, izmantojot in situ ražotas organoleptiskās vielas
- reakcijas, kurās iesaistītas nemetāliskas cietās vielas
- metālu, sakausējumu, ceolītu un citu cietvielu kristalizācija un nogulsnēšana
- Virsmas morfoloģijas un daļiņu izmēra maiņa ar lielu ātrumu starpslāņu sadursmēm
- amorfu nanostrukturētu materiālu veidošana, tostarp augsta virsmas laukuma pārejas metāli, sakausējumi, karbīdi, oksīdi un koloīdi
- kristālu aglomerācija
- izlīdzināšana un likvidēšana
- mazo daļiņu mikromanipulācija (frakcionēšana)
- cieto vielu dispersija
- Koloīdu (Ag, Au, Q lieluma CdS) sagatavošana
- Viesmolekulu interkalācija uz saimniecības neorganisko slāņveida cietvielu
- sonokīmija no polimēriem
- polimēru noārdīšanās un pārveidošana
- polimēru sintēze
- organisko piesārņotāju sonolīze ūdenī
Sonochemiskais aprīkojums
Lielāko daļu no minētajiem sonoķīmiskajiem procesiem var modernizēt, lai strādātu inline. Mēs priecāsimies palīdzēt jums izvēlēties sonochemical iekārtas jūsu apstrādes vajadzībām. Lai veiktu pētījumus un pārbaudītu procesus, mēs iesakām izmantot mūsu laboratorijas iekārtas vai UIP1000hdT komplekts.
Ja nepieciešams, FM un ATEX sertificētas ultraskaņas ierīces un reaktori (piem UIP1000-exd) ir pieejami uzliesmojošu ķīmisku vielu un preparātu ultraskaņas apstrādei bīstamās vidēs.
Ultraskaņas kavitācijas izmaiņas Ring-atvēršanas reakcijas
Ultrasonication ir alternatīvais mehānisms siltuma, spiediena, gaismas vai elektrības, lai uzsāktu ķīmiskās reakcijas. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth un viņu komanda pie Ķīmijas fakultāte Ilinoisas Universitātē Urbana-Šampanē izmanto ultraskaņas jaudu, lai iedarbinātu un manipulētu ar gredzenveida atvēršanās reakcijām. Izmantojot ultraskaņas apstrādi, ķīmiskās reakcijas radīja produktus, kas atšķiras no tiem, kurus paredz orbitālās simetrijas noteikumi (Nature 2007, 446, 423). Grupa saista mehāniski jutīgus 1,2-diazaizvietotos benzociklobutāna izomērus ar divām polietilēnglikola ķēdēm, pielietoja ultraskaņas enerģiju un analizēja beztaras šķīdumus, izmantojot C13 kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopija. Spektri parādīja, ka gan cis, gan trans izomēri nodrošina to pašu gredzenveida atvērto produktu, kādu paredzēts iegūt no trans izomēriem. Kaut arī siltuma enerģija izraisa reaģējošu vielu brāņu kustību, ultraskaņas mehāniskā enerģija dod virzienu uz atomu kustībām. Tāpēc kavitācijas efekti efektīvi virza enerģiju, saspiežot molekulu, pārveidojot potenciālo enerģētisko virsmu.
Zondes tipa ultrasonikatori kā UP400St pastiprināt nanodaļiņu sintēzi. Sonochemical ceļš ir vienkāršs, efektīvs, ātrs un darbojas ar netoksiskām ķīmiskām vielām vieglos apstākļos.
Augstas veiktspējas ultrasonikatori sonoķīmijai
Hielscher Ultrasonics piegādā ultraskaņas procesorus laboratorijai un rūpniecībai. Visi Hielscher ultrasonikatori ir ļoti jaudīgas un izturīgas ultraskaņas mašīnas un būvētas nepārtrauktai 24/7 darbībai ar pilnu slodzi. Digitālā vadība, programmējamie iestatījumi, temperatūras uzraudzība, automātiskā datu protokolēšana un attālā pārlūkprogrammas vadība ir tikai dažas Hielscher ultrasonikatoru funkcijas. Paredzēts augstas veiktspējas un ērtai darbībai, lietotāji novērtē Drošu un vieglu Hielscher Ultrasonics aprīkojuma apstrādi. Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori nodrošina amplitūdas līdz 200μm un ir ideāli piemēroti lieljaudas lietojumiem. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejamas pielāgotas ultraskaņas sonotrodes.
Zemāk redzamā tabula sniedz norādes par mūsu ultraskaņas aparātu aptuveno apstrādes jaudu:
| partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamie ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200 ml / min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 0.2 līdz 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100 l | 2 līdz 10 l / min | UIP4000hdT |
| nav | | 10 līdz 100 l / min | UIP16000 |
| nav | | lielāks | klasteris UIP16000 |
Sazinies ar mums! / Uzdot mums!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus lietojumprogrammu sajaukšanai, dispersijai, emuulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijā, pilotā un rūpnieciskajā 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 Laboratorija lai rūpnieciskais izmērs.