Sonochemische reacties en synthese
Sonochemie is de toepassing van ultrageluid op chemische reacties en processen. Het mechanisme dat sonochemische effecten in vloeistoffen veroorzaakt is het fenomeen van akoestische cavitatie.
Hielscher ultrasone laboratorium- en industriële apparaten worden gebruikt in een groot aantal sonochemische processen. Ultrasone cavitatie intensiveert en versnelt chemische reacties zoals synthese en katalyse.
sonochemische reacties
De volgende sonochemische effecten kunnen worden waargenomen in chemische reacties en processen:
- toename van reactiesnelheid
- toename in reactievermogen
- efficiënter energieverbruik
- sonochemische methoden voor het omschakelen van reactieroutes
- prestatieverbetering van katalysatoren voor faseoverdracht
- vermijden van katalysatoren voor faseoverdracht
- gebruik van ruwe of technische reagentia
- activering van metalen en vaste stoffen
- verhoging van de reactiviteit van reagentia of katalysatoren (klik hier om meer te lezen over ultrasoon geassisteerde katalyse)
- verbetering van de synthese van deeltjes
- coating van nanodeeltjes
7 ultrasone homogenisatoren van de model UIP1000hdT (7x 1kW ultrasoon vermogen) geïnstalleerd als cluster voor sonochemische reacties op industriële schaal.
Voordelen van ultrasoon versterkte chemische reacties
Ultrasoon gestimuleerde chemische reacties zijn een gevestigde techniek voor procesintensivering op het gebied van chemische synthese en verwerking. Door de kracht van ultrageluidsgolven te benutten, bieden deze reacties talloze voordelen ten opzichte van conventionele methoden, waardoor chemische katalyse en synthese worden verbeterd. Supersnelle omzettingssnelheden, uitstekende opbrengsten, verbeterde selectiviteit, verbeterde energie-efficiëntie en minder belasting van het milieu zijn de belangrijkste voordelen van sonochemische reacties.
De tabel blaast toont enkele prominente voordelen van ultrasoon gestimuleerde reactie versus conventionele chemische reacties:
| reactie | Reactietijd Conventioneel |
Reactietijd ultrasoon |
rendement Conventioneel (%) |
rendement Ultrasoon (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder cyclisatie | 35 h | 3.5 h | 77.9 | 97.3 |
| Oxidatie van indaan tot indaan-1-on | 3 h | 3 h | minder dan 27% | 73% |
| Reductie van methoxyaminosilaan | geen reactie | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidatie van lange-keten onverzadigde vet esters | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidatie van arylalkanen | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michael additie van nitroalkanen aan enkelvoudig gesubstitueerde α,β-onverzadigde esters | 2 dagen | 2 h | 85% | 90% |
| Permanganaatoxidatie van 2-octanol | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Synthese van chalconen door CLaisen-Schmidt condensatie | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| UIllmann-koppeling van 2-iodonitrobenzeen | 2 h | 2H | minder dan 1,5% | 70.4% |
| Reformatsky reactie | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultrasone cavitatie in vloeistoffen
Cavitatie, dat is de vorming, groei en implosieve ineenstorting van bellen in een vloeistof. Cavitatie veroorzaakt intense plaatselijke verhitting (~5000 K), hoge drukken (~1000 atm) en enorme verhittings- en afkoelsnelheden (>109 K/sec) en vloeibare straalstromen (~400 km/u). (Suslick 1998)
Cavitatie met behulp van de UIP1000hd:
Cavitatiebellen zijn vacuümbellen. Het vacuüm wordt gecreëerd door een snel bewegend oppervlak aan de ene kant en een inerte vloeistof aan de andere kant. De resulterende drukverschillen dienen om de cohesie- en adhesiekrachten binnen de vloeistof te overwinnen.
Cavitatie kan op verschillende manieren worden geproduceerd, zoals Venturi-straalpijpen, hogedrukstraalpijpen, rotatie met hoge snelheid of ultrasone transducers. In al deze systemen wordt de toegevoerde energie omgezet in wrijving, turbulentie, golven en cavitatie. De fractie van de ingangsenergie die wordt omgezet in cavitatie hangt af van verschillende factoren die de beweging van de cavitatie genererende apparatuur in de vloeistof beschrijven.
De intensiteit van de versnelling is een van de belangrijkste factoren die de efficiënte omzetting van energie in cavitatie beïnvloedt. Een hogere versnelling creëert grotere drukverschillen. Dit vergroot op zijn beurt de kans op het ontstaan van vacuümbellen in plaats van het ontstaan van golven die zich door de vloeistof voortplanten. Dus hoe hoger de versnelling, hoe groter het deel van de energie dat wordt omgezet in cavitatie. Bij een ultrasone transducer wordt de intensiteit van de versnelling beschreven door de amplitude van de oscillatie.
Hogere amplitudes resulteren in een effectievere cavitatie. De industriële apparaten van Hielscher Ultrasonics kunnen amplitudes tot 115 µm creëren. Deze hoge amplitudes maken een hoge vermogensoverdracht mogelijk, waardoor hoge vermogensdichtheden tot 100 W/cm³ kunnen worden gecreëerd.
Naast de intensiteit moet de vloeistof zodanig worden versneld dat er minimale verliezen optreden in termen van turbulentie, wrijving en golfvorming. De optimale manier hiervoor is een eenzijdige bewegingsrichting.
Ultrasone reactor met 16.000 watt voor sonochemisch verbeterde inline transesterificatie.
- bereiding van geactiveerde metalen door reductie van metaalzouten
- genereren van geactiveerde metalen door sonicatie
- sonochemische synthese van deeltjes door precipitatie van metaaloxiden (Fe, Cr, Mn, Co), bijvoorbeeld voor gebruik als katalysator
- impregnering van metalen of metaalhalogeniden op dragers
- bereiding van geactiveerde metaaloplossingen
- reacties met metalen via in situ gegenereerde organo-element-soorten
- reacties met niet-metalen vaste stoffen
- kristallisatie en precipitatie van metalen, legeringen, zeolieten en andere vaste stoffen
- wijziging van oppervlaktemorfologie en deeltjesgrootte door botsingen tussen deeltjes met hoge snelheid
- vorming van amorfe nanogestructureerde materialen, waaronder overgangsmetalen met een hoog oppervlak, legeringen, carbiden, oxiden en colloïden
- agglomeratie van kristallen
- gladmaken en verwijderen van passiverende oxidelaag
- micromanipulatie (fractionering) van kleine deeltjes
- dispersie van vaste stoffen
- bereiding van colloïden (Ag, Au, CdS met Q-grootte)
- intercalatie van gastmoleculen in anorganische gelaagde vaste gastheren
- sonochemie van polymeren
- afbraak en modificatie van polymeren
- synthese van polymeren
- sonolyse van organische verontreinigingen in water
sonochemische apparatuur
De meeste van de genoemde sonochemische processen kunnen achteraf worden aangepast om inline te werken. We helpen u graag bij het kiezen van de sonochemische apparatuur voor uw verwerkingsbehoeften. Voor onderzoek en het testen van processen adviseren we onze laboratoriumapparatuur of de Set UIP1000hdT.
Indien nodig kunnen FM- en ATEX-gecertificeerde ultrasone apparaten en reactoren (bijv. UIP1000-Exd) zijn beschikbaar voor de sonicatie van ontvlambare chemicaliën en productformules in gevaarlijke omgevingen.
Ultrasone cavitatie verandert ring-opening reacties
Ultrasoon is een alternatief mechanisme voor hitte, druk, licht of elektriciteit om chemische reacties op gang te brengen. Jeffrey S. MooreCharles R. Hickenboth en hun team bij de Faculteit Scheikunde aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign gebruikten ultrasone kracht om ringopeningsreacties op gang te brengen en te manipuleren. Onder ultrasone trillingen genereerden de chemische reacties producten die verschilden van de producten die voorspeld werden door de regels van orbitale symmetrie (Nature 2007, 446, 423). De groep koppelde mechanisch gevoelige 1,2-disubstitueerde benzocyclobuteenisomeren aan twee polyethyleenglycolketens, paste ultrasone energie toe en analyseerde de bulkoplossingen met behulp van C13 kernspinresonantiespectroscopie. De spectra toonden aan dat zowel de cis- als transisomeren hetzelfde ringgeopende product opleveren, het product dat verwacht wordt van de transisomeer. Terwijl thermische energie een willekeurige Brownse beweging van de reactanten veroorzaakt, geeft de mechanische energie van ultrasoon geluid een richting aan de atomaire bewegingen. Daarom richten cavitatie-effecten de energie efficiënt door het molecuul te spannen, waardoor het potentiële energieoppervlak een nieuwe vorm krijgt.
Sonde-type ultrasone apparaten als de UP400St de synthese van nanodeeltjes te intensiveren. De sonochemische route is eenvoudig, doeltreffend, snel en werkt met niet-toxische chemicaliën onder milde omstandigheden.
Ultrasone apparaten met hoge prestaties voor Sonochemie
Hielscher Ultrasonics levert ultrasone processoren voor laboratorium en industrie. Alle Hielscher ultrasoonmachines zijn zeer krachtige en robuuste ultrasoonmachines en gebouwd voor continue 24/7 werking onder volle belasting. Digitale bediening, programmeerbare instellingen, temperatuurbewaking, automatische gegevensprotocollering en browserbediening op afstand zijn slechts enkele kenmerken van de Hielscher ultrasoonapparaten. Ontworpen voor hoge prestaties en comfortabele bediening, waarderen gebruikers de veilige en eenvoudige bediening van Hielscher ultrasoonapparatuur. Hielscher industriële ultrasoonprocessoren leveren amplitudes tot 200µm en zijn ideaal voor zware toepassingen. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden verkrijgbaar.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- 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 produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.