Sonochemie is het gebied van de chemie waar ultrasoon geluid van hoge intensiteit wordt gebruikt om chemische reacties (synthese, katalyse, afbraak, polymerisatie, hydrolyse enz.) op te wekken, te versnellen en te wijzigen. Ultrasonisch opgewekte cavitatie wordt gekenmerkt door unieke energiedichte omstandigheden, die chemische reacties bevorderen en intensiveren. Snellere reactiesnelheden, hogere opbrengsten en het gebruik van groene, mildere reagentia maken sonochemie tot een zeer voordelig instrument om verbeterde chemische reacties te verkrijgen.

sonochemistry

Sonochemie is het onderzoeks- en verwerkingsgebied waarin moleculen een chemische reactie ondergaan door de toepassing van ultrasone trillingen met hoge intensiteit (b.v. 20 kHz). Het verschijnsel dat verantwoordelijk is voor sonochemische reacties is akoestische cavitatie. Akoestische of ultrasone cavitatie treedt op wanneer krachtige ultrageluidsgolven in een vloeistof of slurry worden gekoppeld. Door de afwisselende hoge-druk/lage-druk cycli die door de krachtige ultrasone golven in de vloeistof worden veroorzaakt, ontstaan vacuümbellen (cavitatieholten), die gedurende verscheidene drukcycli groeien. Wanneer de cavitatievacuümbel een bepaalde grootte bereikt waarbij hij niet meer energie kan absorberen, implodeert de vacuümbel heftig en ontstaat een zeer energiedichte hot spot. Deze plaatselijk optredende hot spot wordt gekenmerkt door zeer hoge temperaturen, drukken en micro-stromen van extreem snelle vloeistofstralen.

Akoestische cavitatie en effecten van ultrasone trillingen van hoge intensiteit

Akoestische cavitatie, vaak ook ultrasone cavitatie genoemd, kan worden onderscheiden in twee vormen, stabiele en transiënte cavitatie. Tijdens stabiele cavitatie schommelt de cavitatiebel vele malen rond zijn evenwichtsstraal, terwijl tijdens transiënte cavitatie een kortstondige bel in een paar akoestische cycli dramatische volumeveranderingen ondergaat en eindigt in een gewelddadige ineenstorting (Suslick 1988). Stabiele en voorbijgaande cavitatie kunnen gelijktijdig in de oplossing optreden en een bel die stabiele cavitatie ondergaat, kan een voorbijgaande holte worden. De implosie van de luchtbel, die kenmerkend is voor voorbijgaande cavitatie en sonicatie met hoge intensiteit, creëert diverse fysische omstandigheden, waaronder zeer hoge temperaturen van 5000-25.000 K, drukken tot verscheidene 1000 bar, en vloeistofstromen met snelheden tot 1000 m/s. Aangezien de ineenstorting/explosie van cavitatiebellen plaatsvindt in minder dan een nanoseconde, moeten zeer hoge verwarmings- en koelsnelheden van meer dan 10¹¹ K/s kunnen worden waargenomen. Dergelijke hoge verwarmingssnelheden en drukverschillen kunnen reacties in gang zetten en versnellen. Wat de optredende vloeistofstromen betreft, vertonen deze microjets met hoge snelheid bijzonder grote voordelen wanneer het gaat om heterogene vast-vloeibare slurries. De vloeistofstralen botsen op het oppervlak met de volledige temperatuur en druk van de ineenstortende luchtbel en veroorzaken erosie via interdeeltjesbotsing en plaatselijk smelten. Dientengevolge wordt een aanzienlijk verbeterde massaoverdracht in de oplossing waargenomen.

Ultrasone cavitatie wordt het effectiefst opgewekt in vloeistoffen en oplosmiddelen met een lage dampspanning. Daarom zijn media met lage dampspanningen gunstig voor sonochemische toepassingen.
Als gevolg van ultrasone cavitatie kunnen de intense krachten die ontstaan de routes van de reacties ombuigen naar efficiëntere routes, zodat vollediger omzettingen en/of de productie van ongewenste bijproducten worden vermeden.
De energiedichte ruimte die ontstaat door het ineenstorten van cavitatiebellen wordt hot-spot genoemd. Ultrasoon geluid met een lage frequentie en een hoog vermogen in het bereik van 20 kHz en het vermogen om hoge amplitudes te creëren is een gevestigde waarde voor het genereren van intense hot-spots en de gunstige sonochemische omstandigheden.

Ultrasone laboratoriumapparatuur en industriële ultrasone reactoren voor commerciële sonochemische processen zijn gemakkelijk verkrijgbaar en hebben zich bewezen als betrouwbaar, efficiënt en milieuvriendelijk op laboratorium-, pilot- en volledig industriële schaal. Sonochemische reacties kunnen worden uitgevoerd als batch- (d.w.z. open vat) of in-line-proces met gebruikmaking van een gesloten flowcel-reactor.

Sono-synthese

Sonosynthese of sonochemische synthese is de toepassing van ultrasonisch opgewekte cavitatie om chemische reacties op gang te brengen en te bevorderen. Ultrasoon geluid met een hoog vermogen (b.v. 20 kHz) heeft sterke effecten op moleculen en chemische bindingen. Zo kunnen de sonochemische effecten als gevolg van intense sonicatie resulteren in het splitsen van moleculen, het creëren van vrije radicalen en/of het omschakelen van chemische routes. Sonochemische synthese wordt daarom intensief gebruikt voor de fabricage of modificatie van een breed scala van nanogestructureerde materialen. Voorbeelden van via sonosynthese geproduceerde nanomaterialen zijn nanodeeltjes (NP's) (bv. goud-NP's, zilver-NP's), pigmenten, core-shell nanodeeltjes, nano-hydroxyapatiet, organische metaalkaders (MOF's), actieve farmaceutische ingrediënten (API's), met microsferen versierde nanodeeltjes, nanocomposieten en vele andere materialen.
Voorbeelden: Ultrasone omestering van vetzuurmethylesters (biodiesel) of de transesterificatie van polyolen met behulp van ultrageluid.

TEM-beeld (A) en de deeltjesgrootteverdeling (B) van zilveren nanodeeltjes (Ag-NPs), die onder optimale omstandigheden sonochemisch zijn gesynthetiseerd.

Ook op grote schaal toegepast is de ultrasoon gestimuleerde kristallisatie (sono-kristallisatie), waarbij power-ultrasound wordt gebruikt om oververzadigde oplossingen te produceren, kristallisatie / precipitatie op gang te brengen, en de kristalgrootte en morfologie te regelen via ultrasone procesparameters. Klik hier voor meer informatie over sono-kristallisatie!

Sono-katalyse

Het sonificeren van een chemische suspensie of oplossing kan katalytische reacties aanzienlijk verbeteren. De sonochemische energie verkort de reactietijd en verbetert de warmte- en massaoverdracht, wat vervolgens resulteert in hogere chemische snelheidsconstanten, opbrengsten en selectiviteiten.
Er zijn talrijke katalytische processen, die drastisch profiteren van de toepassing van ultrageluid en de sonochemische effecten daarvan. Elke heterogene faseoverdrachtkatalytische (PTC) reactie waarbij twee of meer niet-mengbare vloeistoffen of een vloeistof/vaste samenstelling betrokken zijn, heeft baat bij sonicatie, de sonochemische energie en de verbeterde massaoverdracht.
Zo bleek uit de vergelijkende analyse van de stille en ultrasonisch ondersteunde katalytische natte peroxide oxidatie van fenol in water dat de sonicatie de energiebarrière van de reactie verminderde, maar geen invloed had op het reactiepad. De activeringsenergie voor de oxidatie van fenol over RuI₃ katalysator tijdens sonicatie werd vastgesteld op 13 kJ mol^-1die vier keer kleiner was in vergelijking met het stille oxidatieproces (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonochemische katalyse wordt met succes gebruikt voor de fabricage van chemische producten en voor de fabricage van anorganische materialen met micro- en nanostructuur, zoals metalen, legeringen, metaalverbindingen, niet-metaalhoudende materialen en anorganische composieten. Bekende voorbeelden van ultrasoon geassisteerde PTC zijn de omestering van vrije vetzuren in methylester (biodiesel), hydrolyse, de verzeping van plantaardige oliën, sono-Fentonreactie (Fenton-achtige processen), sonokatalytische degradatie enz.
Lees meer over sono-katalyse en specifieke toepassingen!
Sonicatie verbetert klikchemie zoals azide-alkyne cycloaddition reacties!

Andere Sonochemische Toepassingen

Vanwege hun veelzijdige gebruik, betrouwbaarheid en eenvoudige bediening zijn sonochemische systemen zoals de UP400St of UIP2000hdT worden gewaardeerd als efficiënte apparatuur voor chemische reacties. Hielscher Ultrasonics sonochemische apparaten kunnen gemakkelijk worden gebruikt voor batch (open bekerglas) en continue inline sonicatie met behulp van een sonochemische flowcel. Sonochemie met inbegrip van sonosynthese, sonokatalyse, degradatie of polymerisatie worden op grote schaal gebruikt in de chemie, nanotechnologie, materiaalkunde, farmaceutica, microbiologie en in andere industrieën.

Sonochemische apparatuur met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics is uw topleverancier van innovatieve, state-of-the-art ultrasoonapparatuur, sonochemische flowcel, reactoren en accessoires voor efficiënte en betrouwbare sonochemische reacties. Alle Hielscher ultrasoonapparaten worden exclusief ontworpen, vervaardigd en getest op het hoofdkantoor van Hielscher Ultrasonics in Teltow (bij Berlijn), Duitsland. Naast de hoogste technische normen en uitstekende robuustheid en 24/7/365 werking voor een zeer efficiënte werking, zijn Hielscher ultrasoonapparaten eenvoudig en betrouwbaar te bedienen. Hoge efficiëntie, slimme software, intuïtief menu, automatische dataprotocollering en browser-afstandsbediening zijn slechts enkele kenmerken waarmee Hielscher Ultrasonics zich onderscheidt van andere fabrikanten van sonochemische apparatuur.

Nauwkeurig instelbare amplitudes

De amplitude is de verplaatsing aan de voorzijde (tip) van de sonotrode (ook bekend als ultrasone sonde of hoorn) en is de belangrijkste beïnvloedende factor van ultrasone cavitatie. Hogere amplitudes betekenen intensere cavitatie. De vereiste intensiteit van de cavitatie is sterk afhankelijk van het reactietype, de gebruikte chemische reagentia en de beoogde resultaten van de specifieke sonochemische reactie. Dit betekent dat de amplitude nauwkeurig moet kunnen worden ingesteld om de intensiteit van de akoestische cavitatie af te stemmen op het ideale niveau. Alle Hielscher ultrasoonapparaten kunnen via een intelligente digitale besturing betrouwbaar en nauwkeurig op de ideale amplitude worden ingesteld. Booster hoorns kunnen aanvullend worden gebruikt om de amplitude mechanisch te verlagen of te verhogen. Ultrasoon’ industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden uitgevoerd in 24 uur per dag, 7 dagen per week. Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotrodes beschikbaar.

Nauwkeurige temperatuurregeling tijdens sonochemische reacties

In de cavitatie hot-spot kunnen extreem hoge temperaturen van vele duizenden graden Celsius worden waargenomen. Deze extreme temperaturen blijven echter plaatselijk beperkt tot het minuscule inwendige en de omgeving van de imploderende cavitatiebel. In de bulkoplossing is de temperatuurstijging ten gevolge van de implosie van één of enkele cavitatiebelletjes verwaarloosbaar. Maar continue, intense sonicatie gedurende langere perioden kan een stijgende temperatuurstijging van de bulkvloeistof veroorzaken. Deze temperatuurstijging draagt bij tot vele chemische reacties en wordt vaak als gunstig beschouwd. Verschillende chemische reacties hebben echter verschillende optimale reactietemperaturen. Wanneer warmtegevoelige materialen worden behandeld, kan temperatuurbeheersing noodzakelijk zijn. Om ideale thermische condities tijdens sonochemische processen mogelijk te maken, biedt Hielscher Ultrasonics diverse geavanceerde oplossingen voor nauwkeurige temperatuurbeheersing tijdens sonochemische processen, zoals sonochemische reactoren en flowcellen voorzien van koelmantels.
Onze sonochemische flowcellen en reactoren zijn verkrijgbaar met koelmantels, die zorgen voor een effectieve warmteafvoer. Voor continue temperatuurbewaking zijn Hielscher ultrasoonapparaten uitgerust met een insteekbare temperatuursensor, die in de vloeistof kan worden gestoken voor een constante meting van de bulktemperatuur. Geavanceerde software maakt het mogelijk een temperatuurbereik in te stellen. Wanneer de temperatuurlimiet wordt overschreden, pauzeert de ultrasoonmachine automatisch totdat de temperatuur in de vloeistof tot een bepaald instelpunt is gedaald en begint dan automatisch weer met soniceren. Alle temperatuurmetingen en andere belangrijke ultrasone procesgegevens worden automatisch geregistreerd op een ingebouwde SD-kaart en kunnen eenvoudig worden herzien voor procescontrole.
Temperatuur is een cruciale parameter bij sonochemische processen. De door Hielscher ontwikkelde technologie helpt u om de temperatuur van uw sonochemische toepassing binnen het ideale temperatuurbereik te houden.

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: