Sonochemie en sonochemische reactoren
Sonochemie is het gebied van de chemie waar ultrageluid met hoge intensiteit wordt gebruikt om chemische reacties (synthese, katalyse, afbraak, polymerisatie, hydrolyse enz.) op te wekken, te versnellen en te wijzigen. Ultrasoon gegenereerde cavitatie wordt gekenmerkt door unieke energie-intensieve omstandigheden die chemische reacties bevorderen en intensiveren. Snellere reactiesnelheden, hogere opbrengsten en het gebruik van groene, mildere reagentia maken van sonochemie een zeer voordelig hulpmiddel om verbeterde chemische reacties te verkrijgen.
sonochemie
Sonochemie is het onderzoeks- en verwerkingsgebied waarbij moleculen een chemische reactie ondergaan door de toepassing van ultrasone trillingen met een hoge intensiteit (bijv. 20 kHz). Het fenomeen dat verantwoordelijk is voor sonochemische reacties is akoestische cavitatie. Akoestische of ultrasone cavitatie treedt op wanneer krachtige ultrasone geluidsgolven worden gekoppeld in een vloeistof of slurry. Door de afwisselende hoge-druk/lage-drukcycli die worden veroorzaakt door krachtige ultrasone geluidsgolven in de vloeistof, worden vacuümbellen (cavitatieholtes) gegenereerd die gedurende verschillende drukcycli groeien. Wanneer de cavitatievacuümbel een bepaalde grootte bereikt waarbij deze niet meer energie kan absorberen, implodeert de vacuümbel heftig en ontstaat er een zeer energiedichte hotspot. Deze lokaal optredende hot spot wordt gekenmerkt door zeer hoge temperaturen, drukken en microstromen van extreem snelle vloeistofstralen.

De gesloten batchreactor van roestvrij staal is uitgerust met de Ultrasone UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akoestische cavitatie en effecten van ultrasoonbehandeling met hoge intensiteit
Akoestische cavitatie, vaak ook ultrasone cavitatie genoemd, kan onderscheiden worden in twee vormen, stabiele en voorbijgaande cavitatie. Tijdens stabiele cavitatie oscilleert de cavitatiebel vele malen rond zijn evenwichtsradius, terwijl tijdens voorbijgaande cavitatie een kortstondige bel dramatische volumeveranderingen ondergaat in een paar akoestische cycli en eindigt in een gewelddadige instorting (Suslick 1988). Stabiele en voorbijgaande cavitatie kunnen gelijktijdig optreden in de oplossing en een bel die stabiele cavitatie ondergaat kan een voorbijgaande cavitatie worden. De implosie van de bel, die karakteristiek is voor voorbijgaande cavitatie en sonicatie met hoge intensiteit, creëert verschillende fysische condities waaronder zeer hoge temperaturen van 5000-25.000 K, drukken tot enkele 1000 bar en vloeistofstromen met snelheden tot 1000 m/s. Aangezien het instorten/exploderen van cavitatiebellen in minder dan een nanoseconde gebeurt, kunnen zeer hoge verwarmings- en koelsnelheden van meer dan 1011 K/s waargenomen worden. Dergelijke hoge verwarmingssnelheden en drukverschillen kunnen reacties in gang zetten en versnellen. Wat betreft de vloeistofstromen die ontstaan, hebben deze hogesnelheidsmicrojets vooral grote voordelen als het gaat om heterogene vast-vloeibaar slurries. De vloeistofstralen botsen op het oppervlak met de volledige temperatuur en druk van de instortende bel en veroorzaken erosie via botsingen tussen deeltjes en plaatselijk smelten. Bijgevolg wordt een aanzienlijk verbeterde massaoverdracht in de oplossing waargenomen.
Ultrasone cavitatie wordt het meest effectief opgewekt in vloeistoffen en oplosmiddelen met een lage dampspanning. Daarom zijn media met een lage dampspanning gunstig voor sonochemische toepassingen.
Als gevolg van ultrasone cavitatie kunnen de intense krachten die worden opgewekt reacties omleiden naar efficiëntere routes, zodat vollediger omzettingen en/of de productie van ongewenste bijproducten worden vermeden.
De energiedichte ruimte die ontstaat door het uiteenvallen van cavitatiebellen wordt hotspot genoemd. Ultrasoon geluid met een lage frequentie en hoog vermogen in het bereik van 20 kHz en de mogelijkheid om hoge amplitudes te creëren is algemeen erkend voor het genereren van intense hot-spots en de gunstige sonochemische omstandigheden.
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. open vat) of als inline-proces met behulp van een reactor met gesloten stromingscellen.
sonosynthese
Sonosynthese of sonochemische synthese is de toepassing van ultrasoon gegenereerde cavitatie om chemische reacties op gang te brengen en te bevorderen. Ultrasoon geluid met een hoog vermogen (bijvoorbeeld bij 20 kHz) heeft sterke effecten op moleculen en chemische verbindingen. De sonochemische effecten van intense sonicatie kunnen bijvoorbeeld 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 aan nanogestructureerde materialen. Voorbeelden van nanomaterialen die via sonosynthese worden geproduceerd zijn nanodeeltjes (NP's) (bijv. gouden NP's, zilveren NP's), pigmenten, kernschil nanodeeltjes, nano-hydroxyapatiet, organische metaalframes (MOF's)actieve farmaceutische ingrediënten (API's), met microsferen versierde nanodeeltjes, nanocomposieten en vele andere materialen.
Voorbeelden: Ultrasone omestering van methylesters van vetzuren (biodiesel) of de omestering van polyolen met behulp van ultrageluid.

TEM-afbeelding (A) en de deeltjesgrootteverdeling (B) van zilveren nanodeeltjes (Ag-NP's), die sonochemisch zijn gesynthetiseerd onder optimale omstandigheden.
Ook veel toegepast is de ultrasoon gestimuleerde kristallisatie (sonokristallisatie), waarbij ultrageluid wordt gebruikt om oververzadigde oplossingen te produceren, kristallisatie/neerslag te initiëren en de kristalgrootte en -morfologie te regelen via ultrasone procesparameters. Klik hier voor meer informatie over sonokristallisatie!
sonokatalyse
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 selectiviteit.
Er zijn talloze katalytische processen die veel baat hebben bij de toepassing van ultrageluid en de sonochemische effecten ervan. Elke heterogene faseoverdrachtkatalyse (PTC)-reactie waarbij twee of meer onmengbare vloeistoffen of een vloeistof/vaste stofsamenstelling betrokken zijn, heeft baat bij sonicatie, de sonochemische energie en de verbeterde massaoverdracht.
De vergelijkende analyse van stille en ultrasoon ondersteunde katalytische natte peroxide-oxidatie van fenol in water liet bijvoorbeeld zien dat sonicatie de energiebarrière van de reactie verlaagde, maar geen invloed had op het reactietraject. De activeringsenergie voor de oxidatie van fenol over RuI3 katalysator tijdens sonicatie bleek 13 kJ mol te zijn.-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 nanostructuren zoals metalen, legeringen, metaalverbindingen, niet-metalen 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, sonofentonreacties (Fentonachtige processen), sonokatalytische afbraak enz.
Lees meer over sonokatalyse en specifieke toepassingen!
Sonicatie verbetert klikchemie zoals azide-alkyne cycloadditionreacties!
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 apparatuur kan eenvoudig worden gebruikt voor batch (open bekerglas) en continue inline sonificatie met behulp van een sonochemische flowcel. Sonochemie met inbegrip van sonosynthese, sonokatalyse, afbraak of polymerisatie worden veel gebruikt in de chemie, nanotechnologie, materiaalkunde, farmaceutica, microbiologie en andere industrieën.

industriële ultrasone machine UIP2000hdT (2kW) met sonochemische inline reactor.
Sonochemische apparatuur met hoge prestaties
Hielscher Ultrasonics is uw topleverancier van innovatieve, state-of-the-art ultrasone apparaten, sonochemische flowcellen, reactoren en accessoires voor efficiënte en betrouwbare sonochemische reacties. Alle Hielscher ultrasone apparaten worden exclusief ontworpen, geproduceerd en getest in het hoofdkantoor van Hielscher Ultrasonics in Teltow (bij Berlijn), Duitsland. Naast de hoogste technische normen en uitstekende robuustheid en een 24/7/365 werking voor een zeer efficiënte werking, zijn de Hielscher ultrasoontoestellen eenvoudig en betrouwbaar te bedienen. Hoge efficiëntie, slimme software, intuïtief menu, automatische gegevensprotocollering en browserafstandsbediening zijn slechts enkele kenmerken die Hielscher Ultrasonics onderscheiden van andere fabrikanten van sonochemische apparatuur.
Nauwkeurig instelbare amplitudes
De amplitude is de verplaatsing aan de voorkant (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 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 ultrasoontoestellen kunnen via een intelligente digitale besturing betrouwbaar en nauwkeurig worden ingesteld op de ideale amplitude. Booster hoorns kunnen ook worden gebruikt om de amplitude mechanisch te verlagen of te verhogen. Ultrasoon’ Industriële ultrasone processors kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes verkrijgbaar.
Nauwkeurige temperatuurregeling tijdens sonochemische reacties
In de cavitatie hot-spot kunnen extreem hoge temperaturen van vele duizenden graden Celsius worden waargenomen. Deze extreme temperaturen zijn echter plaatselijk beperkt tot de minuscule binnenkant en omgeving van de imploderende cavitatiebel. In de bulkoplossing is de temperatuurstijging als gevolg van de implosie van één of enkele cavitatiebellen verwaarloosbaar. Maar continue, intense sonificatie gedurende langere perioden kan een incrementele stijging van de temperatuur van de bulkvloeistof veroorzaken. Deze temperatuurstijging draagt bij aan veel chemische reacties en wordt vaak als gunstig beschouwd. Verschillende chemische reacties hebben echter verschillende optimale reactietemperaturen. Wanneer hittegevoelige materialen worden behandeld, 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 flowcellen uitgerust met koelmantels.
Onze sonochemische flowcellen en reactoren zijn verkrijgbaar met koelmantels die zorgen voor een effectieve warmteafvoer. Voor continue temperatuurbewaking zijn Hielscher ultrasone apparaten uitgerust met een insteekbare temperatuursensor die in de vloeistof kan worden gestoken voor een constante meting van de bulktemperatuur. Met geavanceerde software kan een temperatuurbereik worden ingesteld. Wanneer de temperatuurlimiet wordt overschreden, pauzeert de ultrasoon automatisch tot de temperatuur in de vloeistof is gedaald tot een bepaald instelpunt en begint dan automatisch weer te sonificeren. Alle temperatuurmetingen en andere belangrijke ultrasone procesgegevens worden automatisch opgeslagen op een ingebouwde SD-kaart en kunnen eenvoudig worden herzien voor procescontrole.
Temperatuur is een cruciale parameter bij sonochemische processen. De geavanceerde technologie van Hielscher helpt u om de temperatuur van uw sonochemische toepassing binnen het ideale temperatuurbereik te houden.
- hoog rendement
- ultramoderne technologie
- eenvoudig en veilig te bedienen
- betrouwbaarheid & robuustheid
- batch & inline
- voor elk volume
- intelligente software
- slimme functies (bijv. dataprotocollering)
- CIP (clean-in-place)

Sonochemische reactor: Intense sonicatie en resulterende cavitatie initieert en intensiveert chemische reacties en kan zelfs pathways omschakelen.
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.
Voorbeelden van ultrasoon verbeterde chemische reacties versus conventionele reacties
De tabel hieronder geeft een overzicht van verschillende veelvoorkomende chemische reacties. Voor elk reactietype worden de conventioneel uitgevoerde reactie en de ultrasoon geïntensiveerde reactie vergeleken wat betreft opbrengst en omzettingssnelheid.
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% |
(cf. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Gepubliceerd 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 produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.