Sonochemical reakcijas un sintēze
Sonochemistry ir ultraskaņas pielietošana ķīmiskām reakcijām un procesiem. Mehānisms, kas izraisa sonochemiskus efektus šķidrumos, ir akustiskās kavitācijas parādība.
Hielscher ultraskaņas laboratorija un rūpnieciskās ierīces tiek izmantotas plašā sonochemisko procesu klāstā. Ultraskaņas kavitācija pastiprina un paātrina ķīmiskās reakcijas, piemēram, sintēzi un katalīzi.
Sonochemical reakcijas
Ķīmiskās reakcijās un procesos var novērot šādus sonoķīmiskos efektus:
- reakcijas ātruma palielināšanās
- reakcijas izlaides pieaugums
- efektīvāka enerģijas izmantošana,
- Sonoķīmiskās metodes reakcijas ceļa pārslēgšanai
- fāzes pārneses katalizatoru veiktspējas uzlabošana
- izvairīšanās no fāzes pārneses katalizatoriem
- Rupju 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 pārklāšana

7 ultraskaņas homogenizatori modelis UIP1000hdT (7x 1kW ultraskaņas jauda), kas uzstādīta kā klasteris sonochemical 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 | mazāk iedeguma 1,5% | 70.4% |
Reformatska reakcija | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultraskaņas kavitācija šķidrumos
Kavitācija, tas ir, burbuļu veidošanās, augšana un implosīvs sabrukums šķidrumā. Kavitācijas sabrukums rada intensīvu vietējo apkuri (~5000 K), augstu spiedienu (~1000 atm) un milzīgus apkures un dzesēšanas ātrumus (>109 K/sek) un šķidruma strūklas plūsmas (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitācija, izmantojot UIP1000hd:
Kavitācijas burbuļi ir vakuuma burbuļi. Vakuumu rada ātri kustīga virsma vienā pusē un inerts šķidrums no otras puses. Iegūtās spiediena atšķirības kalpo, lai pārvarētu šķidruma kohēzijas un saķeres spēkus.
Kavitāciju var ražot dažādos veidos, piemēram, Venturi sprauslas, augstspiediena sprauslas, liela ātruma rotācija vai ultraskaņas devēji. Visās šajās sistēmās ieejas enerģija tiek pārveidota par berzi, turbulencēm, viļņiem un kavitāciju. Ieejas enerģijas daļa, kas tiek pārveidota par kavitāciju, ir atkarīga no vairākiem faktoriem, kas apraksta kavitācijas ģenerēšanas iekārtas kustību šķidrumā.
Paātrinājuma intensitāte ir viens no svarīgākajiem faktoriem, kas ietekmē enerģijas efektīvu pārveidošanu kavitācijā. Lielāks paātrinājums rada lielākas spiediena atšķirības. Tas savukārt palielina vakuuma burbuļu radīšanas varbūtību, nevis rada viļņus, kas izplatās caur šķidrumu. Tādējādi, jo lielāks ir paātrinājums, jo lielāka ir enerģijas daļa, kas tiek pārveidota par kavitāciju. Ultraskaņas devēja gadījumā paātrinājuma intensitāti raksturo svārstību amplitūda.
Augstākas amplitūdas rada efektīvāku kavitācijas izveidi. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskās ierīces var radīt amplitūdas līdz 115 μm. Šīs augstās amplitūdas nodrošina lielu jaudas pārvades attiecību, kas savukārt ļauj radīt lielu jaudas blīvumu līdz 100 W / cm³.
Papildus intensitātei šķidrums ir jāpaātrina tā, lai radītu minimālus zaudējumus turbulences, berzes un viļņu veidošanās ziņā. Šim nolūkam optimālais veids ir vienpusējs kustības virziens.
- aktivēto metālu sagatavošana, reducējot metālu sāļus
- aktivēto metālu ģenerēšana ar ultraskaņu
- daļiņu sonoķīmiskā sintēze, izgulsnējot metāla (Fe, Cr, Mn, Co) oksīdus, piemēram, izmantošanai par katalizatoriem
- metālu vai metālu halogenīdu impregnēšana uz balstiem
- aktivētu metāla šķīdumu sagatavošana
- reakcijas, kurās iesaistīti metāli, izmantojot in situ ģenerētas organoelementu sugas
- reakcijas, kurās iesaistītas nemetāliskas cietas vielas
- metālu, sakausējumu, ceolītu un citu cietu vielu kristalizācija un nogulsnēšana
- virsmas morfoloģijas un daļiņu izmēra modificēšana ar liela ātruma starpdaļiņu sadursmēm
- amorfu nanostrukturētu materiālu veidošanās, ieskaitot augstas virsmas pārejas metālus, sakausējumus, karbīdus, oksīdus un koloīdus
- kristālu aglomerācija
- Pasivējošā oksīda pārklājuma izlīdzināšana un noņemšana
- mazu daļiņu mikromanipulācija (frakcionēšana)
- cietvielu dispersija
- koloīdu sagatavošana (Ag, Au, Q-size CdS)
- viesu molekulu saplūšana saimniekorganisma neorganiskās slāņainās cietvielās
- polimēru sonoķīmija
- polimēru noārdīšanās un modificēšana
- polimēru sintēze
- organisko piesārņotāju sonolīze ūdenī
Sonochemical aprīkojums
Lielāko daļu no minētajiem sonoķīmiskajiem procesiem var modernizēt, lai tie darbotos inline. Mēs ar prieku palīdzēsim jums izvēlēties sonochemical aprīkojumu jūsu apstrādes vajadzībām. Pētījumiem un procesu testēšanai mēs iesakām mūsu laboratorijas ierīces vai UIP1000hdT komplekts.
Ja nepieciešams, FM un ATEX sertificētas ultraskaņas ierīces un reaktori (piemēram, UIP1000-Exd), ir pieejami uzliesmojošu ķīmisku vielu un produktu preparātu apstrādei ar ultraskaņu bīstamās vidēs.
Ultraskaņas kavitācija maina gredzena atvēršanas reakcijas
Ultrasonication ir alternatīvs mehānisms siltumam, spiedienam, gaismai vai elektrībai, lai uzsāktu ķīmiskas reakcijas. Džefrijs S. Mūrs, Čārlzs R. Hikenbots (Charles R. Hickenboth) un viņu komanda Ilinoisas Universitātes Ķīmijas fakultāte Urbana-Champaign Izmantota ultraskaņas jauda, lai izraisītu un manipulētu ar gredzena atvēršanas reakcijām. Saskaņā ar ultraskaņu ķīmiskās reakcijas radīja produktus, kas atšķiras no tiem, ko paredz orbitālās simetrijas noteikumi (Nature 2007, 446, 423). Grupa saistīja mehāniski jutīgus 1,2-disubstituētus benzociklobutēna 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 vienu un to pašu gredzenveida atvērto produktu, kas sagaidāms no trans izomēra. Lai gan siltumenerģija izraisa reaģentu nejaušu Brauna kustību, ultrasonikācijas mehāniskā enerģija nodrošina virzienu uz atomu kustībām. Tāpēc kavitācijas efekti efektīvi virza enerģiju, sasprindzinot molekulu, pārveidojot potenciālo enerģijas 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 jaudīgi un izturīgi ultraskaņas aparāti un būvēti nepārtrauktai 24/7 darbībai ar pilnu slodzi. Digitālā vadība, programmējami iestatījumi, temperatūras uzraudzība, automātiska datu protokolēšana un attālā pārlūka vadība ir tikai dažas Hielscher ultrasonikatoru funkcijas. Paredzēts augstai veiktspējai un ērtai darbībai, lietotāji novērtē Hielscher Ultrasonics aprīkojuma drošu un vieglu apstrādi. Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori nodrošina amplitūdas līdz 200 μm un ir ideāli piemēroti lieljaudas lietojumiem. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
---|---|---|
1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
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 Lab līdz rūpnieciskais izmērs.