Sonochemische reacties en synthese
Sonochemie is de toepassing van ultrasoon geluid op chemische reacties en processen. Het mechanisme dat sonochemische effecten in vloeistoffen veroorzaakt, is het verschijnsel akoestische cavitatie.
Ultrasone laboratoriumapparaten en industriële apparaten van Hielscher worden gebruikt in een breed scala aan sonochemische processen. Ultrasone cavitatie intensiveert en versnelt chemische reacties zoals synthese en katalyse.
Sonochemische reacties
De volgende sonochemische effecten kunnen bij chemische reacties en processen worden waargenomen:
- verhoging van de reactiesnelheid
- verhoging van de reactieopbrengst
- efficiënter energiegebruik
- sonochemische methoden voor het veranderen van de reactieroute
- verbetering van de prestaties van faseoverdrachtskatalysatoren
- vermijden van faseoverdrachtskatalysatoren
- gebruik van ruwe reagentia of reagentia van technische kwaliteit
- activering van metalen en vaste stoffen
- verhoging van de reactiviteit van reagentia of katalysatoren (klik hier om meer te lezen over ultrasoon ondersteunde katalyse)
- verbetering van de deeltjessynthese
- coaten van nanodeeltjes
7 ultrasone homogenisatoren van het model UIP1000hdT (7x 1kW ultrasoon vermogen), geïnstalleerd als cluster voor sonochemische reacties op industriële schaal.
Voordelen van ultrasoon geïntensiveerde chemische reacties
Ultrasoon bevorderde chemische reacties zijn een gevestigde techniek voor procesintensivering op het gebied van chemische synthese en verwerking. Door de kracht van ultrasone golven te benutten, bieden deze reacties talrijke voordelen ten opzichte van conventionele methoden en verbeteren ze de chemische katalyse en synthese. Turbosnelle omzettingssnelheden, uitstekende opbrengsten, verhoogde selectiviteit, verbeterde energie-efficiëntie en een verminderde milieu-impact zijn de belangrijkste voordelen van sonochemische reacties.
De onderstaande tabel toont enkele belangrijke voordelen van ultrasoon bevorderde reacties ten opzichte van conventionele chemische reacties:
| Reactie | Reactietijd Conventioneel |
Reactietijd Ultrasoon |
Opbrengst Conventioneel (%) |
Opbrengst 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 onverzadigde vetzuuresters met lange ketens | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidatie van arylalkanen | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michael-additie van nitroalkanen aan monogesubstitueerde 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% |
| Ullmann-koppeling van 2-joodnitrobenzeen | 2 h | 2h | minder dan 1,5% | 70,4% |
| Reformatsky-reactie | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultrasone cavitatie in vloeistoffen
Cavitatie is de vorming, groei en implosieve ineenstorting van bellen in een vloeistof. Het ineenstorten van cavitatiebellen veroorzaakt intense lokale verhitting (~5000 K), hoge drukken (~1000 atm), enorme opwarmings- en afkoelsnelheden (>10⁹ K/sec) en vloeistofstralen (~400 km/h). (Suslick 1998)
Cavitatie met de UIP1000hd:
Cavitatiebellen zijn vacuümbellen. Het vacuüm ontstaat 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 in de vloeistof te overwinnen.
Cavitatie kan op verschillende manieren worden opgewekt, bijvoorbeeld met venturisproeiers, hogedruksproeiers, rotatie met hoge snelheid of ultrasone transducers. In al deze systemen wordt de toegevoerde energie omgezet in wrijving, turbulentie, golven en cavitatie. Het aandeel van de toegevoerde energie dat in cavitatie wordt omgezet, hangt af van verschillende factoren die de beweging van de cavitatieopwekkende apparatuur in de vloeistof beschrijven.
De intensiteit van de versnelling is een van de belangrijkste factoren die de efficiënte omzetting van energie in cavitatie beïnvloeden. Een hogere versnelling veroorzaakt grotere drukverschillen. Dit vergroot op zijn beurt de kans op de vorming van vacuümbellen in plaats van golven die zich door de vloeistof voortplanten. Hoe hoger de versnelling, hoe groter dus het aandeel van de energie dat in cavitatie wordt omgezet. Bij een ultrasone transducer wordt de intensiteit van de versnelling beschreven door de trillingsamplitude.
Hogere amplitudes leiden tot een effectievere opwekking van cavitatie. De industriële apparaten van Hielscher Ultrasonics kunnen amplitudes tot 115 µm genereren. Deze hoge amplitudes maken een hoge vermogensoverdrachtsverhouding mogelijk, waardoor op hun beurt hoge vermogensdichtheden tot 100 W/cm³ kunnen worden bereikt.
Naast de intensiteit is het van belang dat de vloeistof zo wordt versneld dat de verliezen door turbulentie, wrijving en golfvorming minimaal zijn. Hiervoor is beweging in één richting optimaal.
Ultrasone reactor met 16.000 watt voor sonochemisch verbeterde inline-omestering.
- bereiding van geactiveerde metalen door reductie van metaalzouten
- vorming van geactiveerde metalen door sonicatie
- sonochemische synthese van deeltjes door precipitatie van metaaloxiden (Fe, Cr, Mn, Co), bijvoorbeeld voor gebruik als katalysatoren
- impregneren van dragermaterialen met metalen of metaalhalogeniden
- bereiding van geactiveerde metaaloplossingen
- reacties waarbij metalen betrokken zijn via in situ gevormde organo-elementverbindingen
- reacties waarbij niet-metallische vaste stoffen betrokken zijn
- kristallisatie en precipitatie van metalen, legeringen, zeolithes en andere vaste stoffen
- wijziging van de oppervlaktemorfologie en deeltjesgrootte door botsingen tussen deeltjes met hoge snelheid
- vorming van amorfe nanogestructureerde materialen, waaronder overgangsmetalen, legeringen, carbiden, oxiden en colloïden met een groot oppervlak
- agglomeratie van kristallen
- gladmaken en verwijderen van passiverende oxidelagen
- micromanipulatie (fractionering) van kleine deeltjes
- dispersie van vaste stoffen
- bereiding van colloïden (Ag, Au, CdS met kwantumafmetingen)
- intercalatie van gastmoleculen in anorganische gelaagde vaste gastheerstoffen
- sonochemie van polymeren
- afbraak en modificatie van polymeren
- synthese van polymeren
- sonolyse van organische verontreinigingen in water
Sonochemische apparatuur
De meeste genoemde sonochemische processen kunnen worden aangepast voor inline-verwerking. Wij helpen u graag bij het kiezen van sonochemische apparatuur voor uw verwerkingsbehoeften. Voor onderzoek en het testen van processen adviseren wij onze laboratoriumapparaten of de UIP1000hdT set.
Indien nodig zijn FM- en ATEX-gecertificeerde ultrasone apparaten en reactoren (bijv. UIP1000-Exd) beschikbaar voor de sonicatie van ontvlambare chemicaliën en productformuleringen in gevaarlijke omgevingen.
Ultrasone cavitatie verandert ringopeningsreacties
Sonicatie is een alternatief mechanisme voor warmte, druk, licht of elektriciteit om chemische reacties op gang te brengen. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth en hun team aan de faculteit Scheikunde van de University of Illinois at Urbana-Champaign gebruikten ultrasoon vermogen om ringopeningsreacties op gang te brengen en te manipuleren. Onder sonicatie leverden de chemische reacties andere producten op dan die welke door de regels voor orbitaalsymmetrie werden voorspeld (Nature 2007, 446, 423). De groep koppelde mechanisch gevoelige 1,2-digesubstitueerde benzocyclobuteen-isomeren aan twee polyethyleenglycolketens, voerde ultrasone energie toe en analyseerde de bulkoplossingen met C13 als isotoop voor kernspinresonantiespectroscopie. De spectra toonden aan dat zowel de cis- als de trans-isomeren hetzelfde ringgeopende product opleveren, namelijk het product dat van het trans-isomeer wordt verwacht. Terwijl thermische energie willekeurige brownse beweging van de reactanten veroorzaakt, geeft de mechanische energie van sonicatie een richting aan de atomaire bewegingen. Cavitatie-effecten sturen de energie daarom efficiënt door het molecuul onder spanning te zetten en zo het potentiële-energieoppervlak te vervormen.
Sonicatoren met een sonotrode, zoals de UP400St , intensiveren de synthese van nanodeeltjes. De sonochemische route is eenvoudig, doeltreffend en snel en werkt met niet-giftige chemicaliën onder milde omstandigheden.
Sonicatoren met hoge prestaties voor sonochemie
Hielscher Ultrasonics levert ultrasone processoren voor laboratoria en de industrie. Alle sonicatoren van Hielscher zijn zeer krachtige en robuuste ultrasone machines en zijn gebouwd voor continu 24/7-bedrijf onder volledige belasting. Digitale besturing, programmeerbare instellingen, temperatuurbewaking, automatische gegevensregistratie en bediening op afstand via een browser zijn slechts enkele kenmerken van de sonicatoren van Hielscher. De apparatuur van Hielscher Ultrasonics is ontworpen voor hoge prestaties en comfortabele bediening, en gebruikers waarderen de veilige en eenvoudige bediening. De industriële ultrasone processoren van Hielscher leveren amplitudes tot 200µm en zijn ideaal voor zware toepassingen. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | hoger | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties voor mengtoepassingen, dispersie, emulgering 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 ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.