Sonoķīmijas un sonoķīmiskie reaktori

Sonoķīmija ir ķīmijas joma, kurā augstas intensitātes ultraskaņu izmanto, lai izraisītu, paātrinātu un modificētu ķīmiskās reakcijas (sintēzi, katalīzi, degradāciju, polimerizāciju, hidrolīzi utt.). Ultrasoniski radīto kavitāciju raksturo unikāli enerģētiski blīvi apstākļi, kas veicina un pastiprina ķīmiskās reakcijas. Ātrāki reakcijas rādītāji, augstāka raža un zaļu, maigāku reaģentu izmantošana pārvērš sonoķīmiju par ļoti izdevīgu instrumentu, lai iegūtu uzlabotas ķīmiskās reakcijas.

Sonokīmija

Sonochemistry ir pētniecības un apstrādes joma, kurā molekulas iziet ķīmisku reakciju, jo tiek piemērots augstas intensitātes ultrasonication (piemēram, 20 kHz). Par sonoķīmiskajām reakcijām atbildīgā parādība ir akustiskā kavitācija. Akustiskā vai ultraskaņas kavitācija notiek, kad spēcīgi ultraskaņas viļņi tiek savienoti šķidrumā vai vircas. Sakarā ar mainīgiem augstspiediena / zema spiediena cikliem, ko izraisa jaudas ultraskaņas viļņi šķidrumā, tiek ģenerēti 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 punktu. Šim lokāli sastopamajam karstajam punktam raksturīga ļoti augsta temperatūra, spiediens un ļoti ātru šķidruma strūklu mikropārklāšana.

Augstas intensitātes ultrasonication akustiskā kavitācija un ietekme

Akustisko kavitāciju, ko bieži sauc arī par ultraskaņas kavitāciju, var izšķirt divās formās, stabilā un īslaicīgā KAVITĀCIJĀ. Stabilas kavitācijas laikā KAVITĀCIJAS burbulis svārstās daudzas reizes ap tā līdzsvara rādiusu, bet pārejas kavitācijas laikā, kurā īslaicīgs burbulis piedzīvo dramatiskas apjoma izmaiņas dažos akustiskos ciklos un beidzas ar vardarbīgu sabrukumu (Suslick 1988). Šķīdumā vienlaicīgi var rasties stabila un pārejoša kavitācija, un burbulis, kam tiek veikta stabila kavitācija, var kļūt par pārejošu dobumu. Burbuļu sabrukums, kas raksturīgs īslaicīgai 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 1000m/ s. Tā kā kavitācijas burbuļu sabrukums/sabrukums notiek mazāk nekā nanosekundē, ļoti augsts sildīšanas un dzesēšanas ātrums pārsniedz 10¹¹ K/s. Šādi augsti apkures ātrumi un spiediena atšķirības var izraisīt un paātrināt reakcijas. Attiecībā uz sastopamajām šķidruma plūsmām šie ātrdarbīgie mikrotīkli uzrāda īpaši lielas priekšrocības, ja runa ir par neviendabīgām cietām un šķidrām vircas. Šķidrās strūklas uz virsmas ar pilnu sabrukušā burbuļa temperatūru un spiedienu izraisa eroziju starpdaļiņu sadursmes, kā arī lokalizētas kušanas rezultātā. Līdz ar to tiek novērota ievērojami uzlabota masas pārnese šķīdumā.

Ultraskaņas kavitācija visefektīvāk tiek ģenerēta šķidrumos un šķīdinātājos ar zemu tvaika spiedienu. Tāpēc vide ar zemu tvaika spiedienu ir labvēlīga sonoķīmiskai pielietojumam.
Ultraskaņas kavitācijas rezultātā radītie intensīvie spēki var pārslēgt reakciju ceļus uz efektīvākiem maršrutiem, lai izvairītos no pilnīgākiem pārveidojumiem un / vai nevēlamu blakusproduktu ražošanas.
Enerģētiski blīvo telpu, ko rada KAVITĀCIJAS burbuļu sabrukums, sauc par karsto punktu. Zemas frekvences, augstas jaudas ultraskaņa diapazonā no 20kHz un spēja radīt augstas amplitūdas ir labi izveidota intensīvu karsto punktu un labvēlīgu sonoķīmisko apstākļu radīšanai.

Ultraskaņas laboratorijas iekārtas, kā arī rūpnieciskie ultraskaņas reaktori komerciāliem sonoķīmiskajiem procesiem ir viegli pieejami un pierādīti kā uzticami, efektīvi un videi draudzīgi laboratorijas, izmēģinājuma un pilnībā rūpnieciskā mērogā. Sonoķīmiskās reakcijas var veikt kā partijas (t. i., atvērta trauka) vai līnijas procesu, izmantojot slēgtas plūsmas šūnu reaktoru.

Sono-sintēze

Sono-sintēze vai sonochemical sintēze ir piemērošana ultrasoniski radīts KAVITĀCIJA, lai uzsāktu un veicinātu ķīmiskās reakcijas. Jaudīga ultrasonication (piemēram, pie 20 kHz) parāda spēcīgu ietekmi uz molekulām un ķīmiskajām saiknēm. Piemēram, sonoķīmiskā iedarbība, kas rodas intensīvas ultraskaņas apstrādes rezultātā, var izraisīt molekulu sadalīšanos, brīvo radikāļu radīšanu un/vai ķīmisko ceļu pārslēgšanu. Tāpēc sonoķīmisko sintēzi intensīvi izmanto plaša nanostrukturētu materiālu klāsta ražošanai vai pārveidošanai. Sono-sintēzes ceļā iegūtu nanomateriālu piemēri ir nanodaļiņas (NPs) (piemēram, zelta NPs, sudraba NPs), pigmenti, kodola apvalka nanodaļiņas, nano-hidroksiapatīts, metāla organiskās struktūras (MOF), aktīvās farmaceitiskās sastāvdaļas (API), mikrosfēras dekorētas nanodaļiņas, nanokompilēti starp daudziem citiem materiāliem.
Piemēri: Taukskābju metilesteru ultraskaņas pāresterificēšana (biodīzeļdegviela) vai poliolu pāresterificēšana, izmantojot ultraskaņu.

TEM attēls (A) un tā daļiņu izmēra sadalījums (B) sudraba nanodaļiņās (Ag-NPs), kas ir sonoķīmiski sintezētas optimālos apstākļos.

Arī plaši izmanto ultrasoniski veicināta kristalizācija (sono-kristalizācija), kur power-ultraskaņa tiek izmantota, lai ražotu pārsātinātos šķīdumus, lai uzsāktu kristalizāciju / nokrišņus un kontrolētu kristāla izmēru un morfoloģiju, izmantojot ultraskaņas procesa parametrus. Uzklikšķināt šeit, lai uzzinātu vairāk par sono-kristalizāciju!

Sono-katalīze

Ķīmiskās suspensijas vai šķīduma ultraskaņas apstrāde var ievērojami uzlabot katalītiskās reakcijas. Sonoķīmiskā enerģija samazina reakcijas laiku, uzlabo siltuma un masas pārnesi, kas pēc tam palielina ķīmiskā ātruma konstantes, ražu un selektivitātes.
Ir daudz katalītisko procesu, kas krasi gūst labumu no jaudas ultraskaņas piemērošanas un tās sonoķīmiskās iedarbības. Jebkura heterogēna fāzes pārneses katalīzes (PTC) reakcija, kas ietver divus vai vairākus nejaukus šķidrumus vai šķidru cietu sastāvu, gūst labumu no ultraskaņas apstrādes, sonoķīmiskās enerģijas un uzlabotas masas pārneses.
Piemēram, salīdzinošā analīze par kluso un ultrasoniski atbalstīto fenola mitrā peroksīda oksidāciju ūdenī atklāja, ka ultraskaņas apstrāde samazināja reakcijas enerģijas barjeru, bet neietekmēja reakcijas ceļu. Aktivācijas enerģija fenola oksidācijai virs RuI₃ ultraskaņas apstrādes laikā tika konstatēts, ka katalizators ir 13 kJ mol^-1, kas bija četras reizes mazāks salīdzinājumā ar kluso oksidācijas procesu (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonoķīmiskā katalīze tiek veiksmīgi izmantota ķīmisko produktu ražošanā, kā arī mikronu un nanostrukturētu neorganisku materiālu, piemēram, metālu, sakausējumu, metāla savienojumu, nemetāla materiālu un neorganisku kompozītu ražošanā. Bieži sastopamie ultrasoniski atbalstītā PTC piemēri ir brīvo taukskābju pāresterificēšana metilesterī (biodīzeļdegviela), hidrolīze, augu eļļu pārziepošana, sono-Fentona reakcija (Fentonam līdzīgi procesi), sonokatalītiskā noārdīšanās utt.
Lasīt vairāk par sono-katalīzi un konkrētiem pieteikumiem!

Citi sonochemical applications

Pateicoties to daudzpusīgajam lietojumam, uzticamībai un vienkāršai darbībai, sonoķīmiskās sistēmas, piemēram, UP400St vai UIP2000hdT tiek novērtētas kā efektīvas iekārtas ķīmiskām reakcijām. Hielscher Ultrasonics sonochemical ierīces var viegli izmantot partijai (atvērta beaker) un nepārtrauktu inline ultraskaņu, izmantojot sonochemical plūsmas šūnu. Sonoķīmija, ieskaitot sono-sintēzi, sono-katalīzi, degradāciju vai polimerizāciju, tiek plaši izmantota ķīmijā, nanotehnoloģijā, materiālu zinātnē, farmācijā, mikrobioloģijā, kā arī citās nozarēs.

Augstas veiktspējas sonochemical iekārtas

Hielscher Ultrasonics ir jūsu top piegādātājs inovatīviem, top-of-the-art ultrasonikatoriem, sonochemical plūsmas šūnu, reaktoriem un piederumiem efektīvām un uzticamām sonochemical reakcijām. Visi Hielscher ultrasonikatori ir tikai izstrādāti, ražoti un pārbaudīti Hielscher Ultrasonics galvenajā apvidū Teltow (netālu no Berlīnes), Vācijā. Papildus augstākajiem tehniskajiem standartiem un izcilajai izturībai un 24/7/365 darbībai ļoti efektīvai darbībai Hielscher ultrasonikatori ir viegli un uzticami darboties. Augsta efektivitāte, viedā programmatūra, intuitīva izvēlne, automātiskā datu protokolēšana un pārlūkprogrammas tālvadības pults ir tikai dažas funkcijas, kas atšķir Hielscher Ultrasonics no citiem sonochemical iekārtu ražotājiem.

Precīzi regulējamas amplitūdas

Amplitūda ir pārvietojums sonotrode priekšpusē (gals) (pazīstams arī kā ultraskaņas zonde vai rags) un ir galvenais ietekmēšanas faktors ultraskaņas KAVITĀCIJAS. 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 noregulētu akustiskās kavitācijas intensitāti ideālā līmenī. Visus Hielscher ultrasonikatorus var droši un precīzi pielāgot, izmantojot inteliģentu digitālo vadību, ideālai amplitūdai. Pastiprinātāju ragus var papildus izmantot, lai mehāniski samazinātu vai palielinātu amplitūdu. Ultrasonika’ 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 sonotrodi.

Precīza temperatūras kontrole sonoķīmisko reakciju laikā

KAVITĀCIJAS karstajā vietā var novērot ļoti augstu temperatūru no daudziem tūkstošiem grādu pēc Celsija. Tomēr šīs ekstremālās temperatūras ir ierobežotas lokāli līdz minūtes interjeram un apkārt sabrukušam KAVITĀCIJAS burbulim. Lielapjoma šķīdumā temperatūras paaugstināšanās no sabrukuma viens vai daži KAVITĀCIJAS burbuļi ir niecīgi. Bet nepārtraukta, intensīva ultraskaņas apstrāde ilgāku laiku var izraisīt pakāpenisku šķidruma temperatūras paaugstināšanos. Šis temperatūras pieaugums veicina daudzas ķīmiskas reakcijas un bieži tiek uzskatīts par labvēlīgu. Tomēr dažādām ķīmiskām reakcijām ir atšķirīga optimāla reakcijas temperatūra. Ja apstrādā karstumjutīgus materiālus, var būt nepieciešama temperatūras kontrole. Lai nodrošinātu ideālus termiskos apstākļus sonoķīmisko procesu laikā, Hielscher Ultrasonics piedāvā dažādus sarežģītus risinājumus precīzai temperatūras kontrolei sonoķīmisko procesu laikā, piemēram, sonoķīmiskos reaktorus un plūsmas šūnas, kas aprīkotas ar dzesēšanas apvalkiem.
Mūsu sonochemical plūsmas šūnas un reaktori ir pieejami ar dzesēšanas jakām, kas atbalsta efektīvu siltuma izkliedi. Nepārtrauktai temperatūras uzraudzībai Hielscher ultrasonikatori ir aprīkoti ar pievienojamu temperatūras sensoru, ko var ievietot šķidrumā, lai pastāvīgi izmērītu kopējo temperatūru. Sarežģīta programmatūra ļauj iestatīt temperatūras diapazonu. Kad temperatūras ierobežojums ir pārsniegts, ultrasonikators automātiski apstājas, līdz temperatūra šķidrumā ir pazeminājusies līdz noteiktam noteiktam punktam un atkal sāk automātiski ultraskaņu. Visi temperatūras mērījumi, kā arī citi svarīgi ultraskaņas procesa dati tiek automātiski reģistrēti iebūvētā SD kartē, un tos var viegli pārskatīt procesa kontrolei.
Temperatūra ir būtisks sonoķīmisko procesu parametrs. Hielscher izstrādātā tehnoloģija palīdz uzturēt sonochemical lietošanas temperatūru ideālā temperatūras diapazonā.

Zemāk redzamā tabula sniedz norādes par mūsu ultraskaņas aparātu aptuveno apstrādes jaudu: