Sonochemistry un Sonochemical reaktori
Sonochemistry ir ķīmijas joma, kurā augstas intensitātes ultraskaņu izmanto, lai ierosinātu, paātrinātu un modificētu ķīmiskās reakcijas (sintēze, katalīze, degradācija, polimerizācija, hidrolīze uc). Ultrasoniski radīto kavitāciju raksturo unikāli enerģētiski blīvi apstākļi, kas veicina un pastiprina ķīmiskās reakcijas. Ātrāki reakcijas ātrumi, augstāka raža un zaļu, maigāku reaģentu izmantošana pārvērš sonochemistry par ļoti izdevīgu instrumentu, lai iegūtu uzlabotas ķīmiskās reakcijas.
Sonochemistry
Sonochemistry ir pētniecības un apstrādes joma, kurā molekulas tiek pakļautas ķīmiskai reakcijai, jo tiek izmantota augstas intensitātes ultrasonication (piemēram, 20 kHz). Fenogramma, kas ir atbildīga par sonochemical reakcijām, ir akustiskā kavitācija. Akustiskā vai ultraskaņas kavitācija notiek, kad spēcīgi ultraskaņas viļņi ir savienoti šķidrumā vai vircā. Sakarā ar mainīgajiem augstspiediena / zema spiediena cikliem, ko izraisa jaudas ultraskaņas viļņi šķidrumā, rodas vakuuma burbuļi (kavitācijas tukšumi), kas aug vairākos spiediena ciklos. Kad kavitācijas vakuuma burbulis sasniedz noteiktu izmēru, kur tas nevar absorbēt vairāk enerģijas, vakuuma burbulis spēcīgi implodē un rada ļoti enerģētiski blīvu karsto vietu. Šim vietēji sastopamajam karstajam punktam ir raksturīga ļoti augsta temperatūra, spiediens un ārkārtīgi ātru šķidruma strūklu mikrostraumēšana.
Slēgtais sērijveida reaktors, kas izgatavots no nerūsējošā tērauda, ir aprīkots ar ultrasonicator UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustiskā kavitācija un augstas intensitātes ultrasonikācijas efekti
Akustisko kavitāciju, ko bieži sauc arī par ultraskaņas kavitāciju, var iedalīt divās formās- stabila un pārejoša kavitācija. Stabilas kavitācijas laikā kavitācijas burbulis daudzkārt svārstās ap tā līdzsvara rādiusu, bet pārejošas kavitācijas laikā, kurā īslaicīgs burbulis dažos akustiskajos ciklos piedzīvo dramatiskas tilpuma izmaiņas un beidzas ar vardarbīgu sabrukumu (Suslick 1988). Šķīdumā vienlaicīgi var rasties stabila un pārejoša kavitācija, un burbulis, kurā tiek veikta stabila kavitācija, var kļūt par pārejošu dobumu. Burbuļu implosija, kas raksturīga pārejošai kavitācijai un augstas intensitātes ultraskaņas apstrādei, rada dažādus fiziskus apstākļus, tostarp ļoti augstu temperatūru 5000–25 000 K, spiedienu līdz vairākiem 1000 bāriem un šķidruma plūsmas ar ātrumu līdz 1000 m / s. Tā kā kavitācijas burbuļu sabrukums / implosija notiek mazāk nekā nanosekundē, ļoti augsts sildīšanas un dzesēšanas ātrums, kas pārsniedz 1011 K/s var novērot. Šādi augsti sildīšanas ātrumi un spiediena starpības var izraisīt un paātrināt reakcijas. Attiecībā uz notiekošajām šķidruma plūsmām šie ātrgaitas mikrojeti uzrāda īpaši lielas priekšrocības, ja runa ir par neviendabīgām cietām un šķidrām vircām. Šķidruma strūklas saskaras ar virsmu ar pilnu temperatūru un sabrūkošā burbuļa spiedienu un izraisa eroziju, izmantojot starpdaļiņu sadursmi, kā arī lokalizētu kušanu. Līdz ar to tiek novērota ievērojami uzlabota masas pārnese šķīdumā.
Ultraskaņas kavitācija visefektīvāk rodas šķidrumos un šķīdinātājos ar zemu tvaika spiedienu. Tāpēc barotnes ar zemu tvaika spiedienu ir labvēlīgas sonochemical lietojumiem.
Ultraskaņas kavitācijas rezultātā radītie intensīvie spēki var pārslēgt reakciju ceļus uz efektīvākiem maršrutiem, lai izvairītos no pilnīgākiem reklāmguvumiem un / vai nevēlamu blakusproduktu ražošanas.
Enerģētiski blīvo telpu, ko rada kavitācijas burbuļu sabrukums, sauc par karsto punktu. Zemas frekvences, lieljaudas ultraskaņa diapazonā no 20kHz un spēja radīt augstas amplitūdas ir labi izveidota intensīvu karsto punktu un labvēlīgu sonoķīmisko apstākļu radīšanai.
Ultraskaņas laboratorijas aprīkojums, kā arī rūpnieciskie ultraskaņas reaktori komerciāliem sonochemiskiem procesiem ir viegli pieejami un pierādīti kā uzticami, efektīvi un videi draudzīgi laboratorijas, izmēģinājuma un pilnībā rūpnieciskā mērogā. Sonochemical reakcijas var veikt kā partijas (t.i., atvērtu trauku) vai in-line procesu, izmantojot slēgtu plūsmas šūnu reaktoru.
Sono-sintēze
Sono-sintēze vai sonoķīmiskā sintēze ir ultrasoniski ģenerētas kavitācijas pielietošana, lai uzsāktu un veicinātu ķīmiskās reakcijas. Augstas jaudas ultrasonication (piemēram, pie 20 kHz) parāda spēcīgu ietekmi uz molekulām un ķīmiskajām saitēm. Piemēram, sonochemical efekti, kas rodas intensīvas ultraskaņas apstrādes rezultātā, var izraisīt molekulu sadalīšanu, brīvo radikāļu radīšanu un / vai ķīmisko ceļu maiņu. Tāpēc sonochemical sintēze tiek intensīvi izmantota plaša spektra nanostrukturētu materiālu ražošanai vai modificēšanai. Sonosintēzes ceļā iegūto nanomateriālu piemēri ir nanodaļiņas (NPs) (piemēram, zelta NPs, sudraba NPs), pigmenti, kodola apvalka nanodaļiņas, nano-hidroksiapatīts, metālorganiskie ietvari (MOF), aktīvās farmaceitiskās vielas (API), ar mikrosfēru dekorētas nanodaļiņas, nanokompozīti un daudzi citi materiāli.
Piemēri: Taukskābju metilesteru ultraskaņas pāresterificēšana (biodīzeļdegviela) vai poliolu pāresterificēšana, izmantojot ultraskaņu.
TEM attēls (A) un tā daļiņu izmēra sadalījums (B) sudraba nanodaļiņām (Ag-NPs), kas ir sonoķīmiski sintezētas optimālos apstākļos.
Arī plaši tiek izmantots ultrasoniski veicināta kristalizācija (sono-kristalizācija), kur jauda-ultraskaņa tiek izmantota, lai ražotu pārsātinātus šķīdumus, uzsāktu kristalizāciju / nokrišņus un kontrolētu kristāla lielumu un morfoloģiju, izmantojot ultraskaņas procesa parametrus. Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par sonokristalizāciju!
Sono-katalīze
Ķīmiskās suspensijas vai šķīduma ultraskaņas apstrāde var ievērojami uzlabot katalītiskās reakcijas. Sonochemical enerģija samazina reakcijas laiku, uzlabo siltuma un masas pārnesi, kas pēc tam palielina ķīmiskā ātruma konstantes, ražu un selektivitāti.
Ir daudzi katalītiskie procesi, kas krasi gūst labumu no jaudas ultraskaņas un tās sonoķīmiskās iedarbības pielietošanas. Jebkura heterogēna fāzes pārneses katalīzes (PTC) reakcija, kas ietver divus vai vairākus nesajaucamus šķidrumus vai šķidruma-cietu sastāvu, gūst labumu no ultraskaņas apstrādes, sonoķīmiskās enerģijas un uzlabotas masas pārneses.
Piemēram, fenola klusās un ultrasoniski atbalstītās katalītiskās mitrās peroksīda oksidācijas salīdzinošā analīze ūdenī atklāja, ka ultraskaņas apstrāde samazināja reakcijas enerģijas barjeru, bet neietekmēja reakcijas ceļu. Aktivācijas enerģija fenola oksidēšanai virs RuI3 katalizators ultraskaņas apstrādes laikā tika konstatēts, ka tas ir 13 kJ mol-1, kas bija četras reizes mazāks, salīdzinot ar kluso oksidācijas procesu (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonochemical katalīze tiek veiksmīgi izmantota ķīmisko produktu ražošanai, kā arī mikronu un nano strukturētu neorganisku materiālu, piemēram, metālu, sakausējumu, metālu savienojumu, nemetālu materiālu un neorganisko kompozītu, ražošanai. Bieži ultrasoniski atbalstīta PTC piemēri ir brīvo taukskābju pāresterificēšana metilesterī (biodīzeļdegvielā), hidrolīze, augu eļļu pārziepjošana, sono-Fenton reakcija (Fenton līdzīgi procesi), sonokatalītiskā degradācija utt.
Lasiet vairāk par sono-katalīzi un specifiskiem pielietojumiem!
Ultraskaņas apstrāde uzlabo klikšķu ķīmiju, piemēram, azīda-alkīna ciklopievienošanas reakcijas!
Citi Sonochemical lietojumi
Pateicoties to daudzpusīgajai lietošanai, uzticamībai un vienkāršai darbībai, sonochemical sistēmas, piemēram, UP400St vai UIP2000hdT tiek vērtēti kā efektīvas iekārtas ķīmiskām reakcijām. Hielscher Ultrasonics sonochemical ierīces var viegli izmantot partijai (atvērta vārglāze) un nepārtrauktai inline ultraskaņas apstrādei, izmantojot sonochemical plūsmas šūnu. Sonoķīmija, ieskaitot sono-sintēzi, sono-katalīzi, degradāciju vai polimerizāciju, tiek plaši izmantota ķīmijā, nanotehnoloģijās, materiālu zinātnē, farmācijā, mikrobioloģijā, kā arī citās nozarēs.
rūpnieciskais ultrasonikators UIP2000hdT (2kW) ar sonochemical inline reaktoru.
Augstas veiktspējas Sonochemical aprīkojums
Hielscher Ultrasonics ir jūsu labākais novatorisku, modernu ultrasonikatoru, sonochemical plūsmas šūnu, reaktoru un piederumu piegādātājs efektīvām un uzticamām sonochemical reakcijām. Visi Hielscher ultrasonikatori ir tikai izstrādāti, ražoti un pārbaudīti Hielscher Ultrasonics galvenajā mītnē Teltovā (netālu no Berlīnes), Vācijā. Bez augstākajiem tehniskajiem standartiem un izcilas izturības un 24/7/365 darbības ļoti efektīvai darbībai, Hielscher ultrasonikatori ir viegli un uzticami darboties. Augsta efektivitāte, gudra programmatūra, intuitīva izvēlne, automātiska datu protokolēšana un pārlūka tālvadības pults ir tikai dažas funkcijas, kas atšķir Hielscher Ultrasonics no citiem sonochemical iekārtu ražotājiem.
Precīzi regulējamas amplitūdas
Amplitūda ir pārvietojums sonotroda priekšpusē (galā) (pazīstams arī kā ultraskaņas zonde vai rags) un ir galvenais ultraskaņas kavitācijas ietekmējošais faktors. Augstākas amplitūdas nozīmē intensīvāku kavitāciju. Nepieciešamā kavitācijas intensitāte lielā mērā ir atkarīga no reakcijas veida, izmantotajiem ķīmiskajiem reaģentiem un konkrētās sonoķīmiskās reakcijas mērķtiecīgajiem rezultātiem. Tas nozīmē, ka amplitūdai jābūt precīzi regulējamai, lai akustiskās kavitācijas intensitāti noregulētu līdz ideālajam līmenim. Visus Hielscher ultrasonikatorus var droši un precīzi pielāgot, izmantojot inteliģentu digitālo vadību, līdz ideālai amplitūdai. Pastiprinātāja ragus var papildus izmantot, lai mehāniski samazinātu vai palielinātu amplitūdu. Ultrasonics’ Rūpnieciskie ultraskaņas procesori var nodrošināt ļoti augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes.
Precīza temperatūras kontrole sonoķīmisko reakciju laikā
Kavitācijas karstajā vietā var novērot ārkārtīgi augstu temperatūru, kas ir daudzi tūkstoši grādu pēc Celsija. Tomēr šīs ekstremālās temperatūras lokāli aprobežojas ar implodējošā kavitācijas burbuļa minūti un apkārtni. Kopējā šķīdumā temperatūras paaugstināšanās no implosijas viens vai daži kavitācijas burbuļi ir niecīgi. Bet nepārtraukta, intensīva ultraskaņas apstrāde ilgāku laiku var izraisīt pakāpenisku beztaras šķidruma temperatūras paaugstināšanos. Šis temperatūras pieaugums veicina daudzas ķīmiskas reakcijas un bieži tiek uzskatīts par izdevīgu. Tomēr dažādām ķīmiskām reakcijām ir atšķirīgas optimālās reakcijas temperatūras. Apstrādājot karstumjutīgus materiālus, var būt nepieciešama temperatūras kontrole. Lai sonochemical procesu laikā nodrošinātu ideālus termiskos apstākļus, Hielscher Ultrasonics piedāvā dažādus sarežģītus risinājumus precīzai temperatūras kontrolei sonochemical procesu laikā, piemēram, sonochemical reaktori un plūsmas šūnas, kas aprīkotas ar dzesēšanas jakām.
Mūsu sonochemical plūsmas šūnas un reaktori ir pieejami ar dzesēšanas apvalkiem, kas atbalsta efektīvu siltuma izkliedi. Nepārtrauktai temperatūras uzraudzībai Hielscher ultrasonikatori ir aprīkoti ar pievienojamu temperatūras sensoru, ko var ievietot šķidrumā, lai pastāvīgi izmērītu beztaras temperatūru. Sarežģīta programmatūra ļauj iestatīt temperatūras diapazonu. Kad temperatūras robeža tiek pārsniegta, ultrasonikators automātiski apstājas, līdz temperatūra šķidrumā ir pazeminājusies līdz noteiktam iestatītajam punktam un atkal sāk automātiski apstrādāt ar ultraskaņu. Visi temperatūras mērījumi, kā arī citi svarīgi ultraskaņas procesa dati tiek automātiski ierakstīti iebūvētajā SD kartē, un tos var viegli pārskatīt procesa kontrolei.
Temperatūra ir būtisks sonoķīmisko procesu parametrs. Hielscher izstrādātā tehnoloģija palīdz jums saglabāt sonochemical pielietojuma temperatūru ideālā temperatūras diapazonā.
- augsta efektivitāte
- vismodernākās tehnoloģijas
- viegli un droši lietojams
- uzticamība & Stabilitāti
- Partijas & Iekļautās
- jebkuram sējumam
- inteliģenta programmatūra
- viedās funkcijas (piemēram, datu protokolēšana)
- CIP (tīrā vietā)
Sonochemical reaktors: Intensīva ultraskaņas apstrāde un no tās izrietošā kavitācija ierosina un pastiprina ķīmiskās reakcijas un var pārslēgties pat uz ceļiem.
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!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā.
Piemēri ultrasoniski uzlabotai ķīmiskajai reakcijai vs parastās reakcijas
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegts pārskats par vairākām izplatītām ķīmiskām reakcijām. Katram reakcijas tipam parasti tiek salīdzināta reakcija pret ultrasoniski pastiprināto reakciju attiecībā uz ražu un konversijas ātrumu.
| 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% |
(sal. ar Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. 2019. gadā publicēja Wiley)
Literatūra / Atsauces
- 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 ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.