Sonochemie en sonochemische reactoren
Sonochemie is het vakgebied binnen de chemie waarin ultrasoon geluid met hoge intensiteit wordt gebruikt om chemische reacties op gang te brengen, te versnellen en te wijzigen (synthese, katalyse, afbraak, polymerisatie, hydrolyse enz.). Ultrasoon opgewekte cavitatie wordt gekenmerkt door unieke omstandigheden met een hoge energiedichtheid, die chemische reacties bevorderen en intensiveren. Hogere reactiesnelheden, hogere opbrengsten en het gebruik van milieuvriendelijke, mildere reagentia maken sonochemie tot een zeer voordelig hulpmiddel om verbeterde chemische reacties te verkrijgen.
Sonochemie
Sonochemie is het onderzoeks- en verwerkingsgebied waarin moleculen een chemische reactie ondergaan door de toepassing van ultrasone behandeling met hoge intensiteit (bijv. 20 kHz). Het verschijnsel dat verantwoordelijk is voor sonochemische reacties is akoestische cavitatie. Akoestische of ultrasone cavitatie treedt op wanneer krachtige ultrasone golven in een vloeistof of slurry worden gekoppeld. Door de afwisselende hogedruk- en lagedrukcycli die krachtige ultrasone golven in de vloeistof veroorzaken, ontstaan vacuümbellen (cavitatieholten), die gedurende meerdere drukcycli groeien. Wanneer de vacuümbel door cavitatie een bepaalde grootte bereikt waarbij deze geen energie meer kan absorberen, implodeert de vacuümbel hevig en ontstaat een hotspot met een zeer hoge energiedichtheid. Deze plaatselijk optredende hotspot wordt gekenmerkt door zeer hoge temperaturen, drukken en microstromingen van extreem snelle vloeistofstralen.
De gesloten batchreactor van roestvrij staal is uitgerust met de sonicator UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akoestische cavitatie en effecten van ultrasone behandeling met hoge intensiteit
Akoestische cavitatie, vaak ook ultrasone cavitatie genoemd, kan worden onderverdeeld in twee vormen: stabiele en transiënte cavitatie. Tijdens stabiele cavitatie oscilleert de cavitatiebel vele malen rond zijn evenwichtsstraal, terwijl tijdens transiënte cavitatie een kortlevende bel binnen enkele akoestische cycli drastische volumeveranderingen ondergaat en uiteindelijk hevig instort (Suslick 1988). Stabiele en transiënte cavitatie kunnen gelijktijdig in de oplossing optreden en een bel die stabiele cavitatie ondergaat, kan een transiënte cavitatieholte worden. De implosie van de bel, die kenmerkend is voor transiënte cavitatie en sonicatie met hoge intensiteit, creëert verschillende fysische omstandigheden, waaronder zeer hoge temperaturen van 5000–25.000 K, drukken tot enkele 1000 bar en vloeistofstromen met snelheden tot 1000m/s. Aangezien het instorten/imploderen van cavitatiebellen in minder dan een nanoseconde plaatsvindt, kunnen zeer hoge verwarmings- en afkoelsnelheden van meer dan 1011 K/s worden waargenomen. Dergelijke hoge verwarmingssnelheden en drukverschillen kunnen reacties op gang brengen en versnellen. Wat de optredende vloeistofstromen betreft, bieden deze snelle microstralen bijzonder grote voordelen bij heterogene slurries van vaste stoffen en vloeistoffen. De vloeistofstralen treffen het oppervlak met de volledige temperatuur en druk van de instortende bel en veroorzaken erosie door botsingen tussen deeltjes, evenals plaatselijk smelten. Daardoor wordt een aanzienlijk verbeterde massaoverdracht in de oplossing waargenomen.
Ultrasone cavitatie wordt het doeltreffendst opgewekt in vloeistoffen en oplosmiddelen met een lage dampdruk. Daarom zijn media met een lage dampdruk gunstig voor sonochemische toepassingen.
Als gevolg van ultrasone cavitatie kunnen de opgewekte intense krachten reactieroutes veranderen in efficiëntere routes, zodat volledigere omzettingen en/of de productie van ongewenste bijproducten worden vermeden.
De ruimte met een hoge energiedichtheid die ontstaat door het instorten van cavitatiebellen wordt een hotspot genoemd. Het gebruik van ultrasoon geluid met een lage frequentie en hoog vermogen rond 20kHz, samen met de mogelijkheid om hoge amplitudes te creëren, is een beproefde methode om intense hotspots en gunstige sonochemische omstandigheden te genereren.
Ultrasone laboratoriumapparatuur en industriële ultrasone reactoren voor commerciële sonochemische processen zijn direct beschikbaar en hebben zich bewezen als betrouwbaar, efficiënt en milieuvriendelijk op laboratorium-, pilot- en volledig industriële schaal. Sonochemische reacties kunnen worden uitgevoerd als batchproces (d.w.z. in een open vat) of als inlineproces met een gesloten doorstroomcelreactor.
Sonosynthese
Sonosynthese of sonochemische synthese is de toepassing van ultrasoon opgewekte cavitatie om chemische reacties op gang te brengen en te bevorderen. Ultrasone behandeling met hoog vermogen (bijv. bij 20 kHz) heeft sterke effecten op moleculen en chemische bindingen. De sonochemische effecten van intense sonicatie kunnen bijvoorbeeld leiden tot het splitsen van moleculen, het vormen van vrije radicalen en/of het veranderen van chemische reactieroutes. Sonochemische synthese wordt daarom intensief gebruikt voor de vervaardiging of modificatie van een breed scala aan materialen met een nanostructuur. Voorbeelden van nanomaterialen die via sonosynthese worden geproduceerd, zijn nanodeeltjes (NPs) (bijv. gouden NPs, zilveren NPs), pigmenten, nanodeeltjes met een kern en een schil, nanohydroxyapatiet, metaalorganische raamwerken (MOFs), werkzame farmaceutische bestanddelen (APIs), nanodeeltjes gedecoreerd met microsferen en nanocomposieten, naast vele andere materialen.
Voorbeelden: Ultrasone omestering van vetzuurmethylesters (biodiesel) of de omestering van polyolen met ultrasoon geluid.
TEM-beeld (A) en de bijbehorende deeltjesgrootteverdeling (B) van zilveren nanodeeltjes (Ag-NPs), die onder optimale omstandigheden sonochemisch zijn gesynthetiseerd.
Ook ultrasoon bevorderde kristallisatie (sonokristallisatie) wordt veel toegepast. Daarbij wordt krachtig ultrasoon geluid gebruikt om oververzadigde oplossingen te produceren, kristallisatie/precipitatie op gang te brengen en de kristalgrootte en -morfologie via ultrasone procesparameters te regelen. Klik hier voor meer informatie over sonokristallisatie!
Sonokatalyse
Sonicatie 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 leidt tot hogere chemische snelheidsconstanten, opbrengsten en selectiviteiten.
Er zijn talrijke katalytische processen die sterk profiteren van de toepassing van krachtig ultrasoon geluid en de bijbehorende sonochemische effecten. Elke heterogene faseoverdrachtskatalysereactie (PTC) met twee of meer niet-mengbare vloeistoffen of een combinatie van een vloeistof en een vaste stof profiteert van sonicatie, de sonochemische energie en de verbeterde massaoverdracht.
Zo bleek uit de vergelijkende analyse van katalytische natte peroxideoxidatie van fenol in water zonder ultrasoon geluid en met ultrasone ondersteuning dat sonicatie de energiebarrière van de reactie verlaagde, maar geen invloed had op de reactieroute. De activeringsenergie voor de oxidatie van fenol met als katalysator RuI3 bleek tijdens sonicatie 13 kJ mol-1 te bedragen, wat viermaal lager was dan bij het oxidatieproces zonder ultrasoon geluid (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonochemische katalyse wordt met succes gebruikt voor de vervaardiging van chemische producten en voor de productie van anorganische materialen met micro- en nanostructuren, zoals metalen, legeringen, metaalverbindingen, niet-metallische materialen en anorganische composieten. Veelvoorkomende voorbeelden van ultrasoon ondersteunde PTC zijn de omestering van vrije vetzuren tot methylester (biodiesel), hydrolyse, de verzeping van plantaardige oliën, de sono-Fentonreactie (Fentonachtige processen), sonokatalytische afbraak enz.
Lees meer over sonokatalyse en specifieke toepassingen!
Sonicatie verbetert klikchemie, zoals cycloadditiereacties van aziden en alkynen!
Andere sonochemische toepassingen
Vanwege hun veelzijdige inzetbaarheid, betrouwbaarheid en eenvoudige bediening worden sonochemische systemen zoals de UP400St of UIP2000hdT gewaardeerd als efficiënte apparatuur voor chemische reacties. De sonochemische apparaten van Hielscher Ultrasonics kunnen eenvoudig worden gebruikt voor batchsonicatie (in een open bekerglas) en continue inline-sonicatie met een sonochemische doorstroomcel. Sonochemie, waaronder sonosynthese, sonokatalyse, afbraak en polymerisatie, wordt veel gebruikt in de chemie, nanotechnologie, materiaalkunde, farmacie en microbiologie, evenals in andere industrieën.
Industriële sonicator UIP2000hdT (2kW) met sonochemische inlinereactor.
Sonochemische apparatuur met hoge prestaties
Hielscher Ultrasonics is uw toonaangevende leverancier van innovatieve, ultramoderne sonicatoren, sonochemische doorstroomcellen, reactoren en accessoires voor efficiënte en betrouwbare sonochemische reacties. Alle sonicatoren van Hielscher worden uitsluitend ontworpen, vervaardigd en getest op het hoofdkantoor van Hielscher Ultrasonics in Teltow (bij Berlijn), Duitsland. Naast de hoogste technische normen, uitstekende robuustheid en 24/7/365-bedrijf voor een zeer efficiënte werking bieden sonicatoren van Hielscher een eenvoudige en betrouwbare bediening. Hoge efficiëntie, slimme software, een intuïtief menu, automatische gegevensregistratie en afstandsbediening via een browser 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 voorkant (punt) van de sonotrode (ook bekend als ultrasone probe of hoorn) en is de belangrijkste factor die ultrasone cavitatie beïnvloedt. Hogere amplitudes betekenen intensere cavitatie. De vereiste cavitatie-intensiteit hangt sterk af van het reactietype, de gebruikte chemische reagentia en de beoogde resultaten van de specifieke sonochemische reactie. Dit betekent dat de amplitude nauwkeurig instelbaar moet zijn om de intensiteit van de akoestische cavitatie op het ideale niveau af te stemmen. Alle sonicatoren van Hielscher kunnen via een intelligente digitale regeling betrouwbaar en nauwkeurig op de ideale amplitude worden ingesteld. Daarnaast kunnen boosterhoorns worden gebruikt om de amplitude mechanisch te verlagen of te verhogen. De industriële ultrasone processoren van Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu in 24/7-bedrijf worden toegepast. Voor nog hogere amplitudes zijn ultrasone sonotroden op maat beschikbaar.
Nauwkeurige temperatuurregeling tijdens sonochemische reacties
In de cavitatiehotspot kunnen extreem hoge temperaturen van vele duizenden graden Celsius worden waargenomen. Deze extreme temperaturen zijn echter plaatselijk beperkt tot het zeer kleine binnenste en de omgeving van de imploderende cavitatiebel. In de oplossing als geheel is de temperatuurstijging door de implosie van één of enkele cavitatiebellen verwaarloosbaar. Continue, intense sonicatie gedurende langere perioden kan echter een geleidelijke stijging van de temperatuur van de vloeistof als geheel veroorzaken. Deze temperatuurstijging draagt bij aan veel chemische reacties en wordt vaak als gunstig beschouwd. Verschillende chemische reacties hebben echter verschillende optimale reactietemperaturen. Bij de behandeling van warmtegevoelige materialen kan temperatuurregeling noodzakelijk zijn. Om ideale thermische omstandigheden tijdens sonochemische processen mogelijk te maken, biedt Hielscher Ultrasonics diverse geavanceerde oplossingen voor nauwkeurige temperatuurregeling tijdens sonochemische processen, zoals sonochemische reactoren en doorstroomcellen met koelmantels.
Onze sonochemische doorstroomcellen en reactoren zijn verkrijgbaar met koelmantels, die een effectieve warmteafvoer ondersteunen. Voor continue temperatuurbewaking zijn sonicatoren van Hielscher uitgerust met een aansluitbare temperatuursensor, die in de vloeistof kan worden geplaatst om de temperatuur van de vloeistof als geheel voortdurend te meten. Met geavanceerde software kan een temperatuurbereik worden ingesteld. Wanneer de temperatuurgrens wordt overschreden, pauzeert de sonicator automatisch totdat de temperatuur in de vloeistof tot een bepaalde ingestelde waarde is gedaald, waarna de sonicatie automatisch wordt hervat. Alle temperatuurmetingen en andere belangrijke ultrasone procesgegevens worden automatisch op een ingebouwde SD-kaart geregistreerd en kunnen eenvoudig worden bekeken voor procescontrole.
Temperatuur is een cruciale parameter van sonochemische processen. De geavanceerde technologie van Hielscher helpt u de temperatuur van uw sonochemische toepassing binnen het ideale temperatuurbereik te houden.
- hoge efficiëntie
- ultramoderne technologie
- eenvoudig en veilig te bedienen
- betrouwbaarheid & robuustheid
- batch & inline
- voor elk volume
- intelligente software
- slimme functies (bijv. gegevensregistratie)
- CIP (reiniging ter plaatse)
Sonochemische reactor: Intense sonicatie en de daaruit voortvloeiende cavitatie brengen chemische reacties op gang en intensiveren deze, en kunnen zelfs reactieroutes veranderen.
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 vervaardigt ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties voor mengtoepassingen, dispersie, emulgering en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Voorbeelden van ultrasoon verbeterde chemische reacties versus conventionele reacties
De onderstaande tabel geeft een overzicht van verschillende veelvoorkomende chemische reacties. Voor elk reactietype worden de conventioneel uitgevoerde reactie en de ultrasoon geïntensiveerde reactie vergeleken op opbrengst en omzettingssnelheid.
| Reactie | Reactietijd – conventioneel | Reactietijd – ultrasoon | Opbrengst – conventioneel (%) | Opbrengst – ultrasoon (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Aldercyclisatie | 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% |
| Michaeladditie 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-Schmidtcondensatie | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Ullmannkoppeling van 2-joodnitrobenzeen | 2 h | 2h | minder dan 1,5% | 70,4% |
| Reformatskyreactie | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(vgl. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Uitgegeven in 2019 door Wiley)
Literatuur / Referenties
- 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 vervaardigt ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties in formaten van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.