Reakcje i synteza sonochemiczna
Sonochemia to zastosowanie ultradźwięków w reakcjach i procesach chemicznych. Mechanizmem wywołującym efekty sonochemiczne w cieczach jest zjawisko kawitacji akustycznej.
Laboratoryjne i przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są wykorzystywane w szerokim zakresie procesów sonochemicznych. Kawitacja ultradźwiękowa intensyfikuje i przyspiesza reakcje chemiczne, takie jak synteza i kataliza.
Reakcje sonochemiczne
W reakcjach i procesach chemicznych można zaobserwować następujące efekty sonochemiczne:
- zwiększenie szybkości reakcji
- zwiększenie wydajności reakcji
- efektywniejsze wykorzystanie energii
- sonochemiczne metody zmiany ścieżki reakcji
- poprawa skuteczności katalizatorów przeniesienia fazowego
- wyeliminowanie stosowania katalizatorów przeniesienia fazowego
- stosowanie odczynników surowych lub technicznych
- aktywacja metali i ciał stałych
- zwiększenie reaktywności odczynników lub katalizatorów (kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o katalizie wspomaganej ultradźwiękami)
- udoskonalenie syntezy cząstek
- powlekanie nanocząstek
7 homogenizatorów ultradźwiękowych modelu UIP1000hdT (7x 1kW mocy ultradźwiękowej) zainstalowanych jako zespół do reakcji sonochemicznych na skalę przemysłową.
Zalety reakcji chemicznych intensyfikowanych ultradźwiękami
Reakcje chemiczne wspomagane ultradźwiękami stanowią ugruntowaną technikę intensyfikacji procesów w dziedzinie syntezy i przetwarzania chemicznego. Dzięki wykorzystaniu mocy fal ultradźwiękowych reakcje te oferują liczne korzyści w porównaniu z metodami konwencjonalnymi, usprawniając katalizę i syntezę chemiczną. Niezwykle duża szybkość konwersji, doskonała wydajność, zwiększona selektywność, poprawiona efektywność energetyczna i zmniejszony wpływ na środowisko to główne zalety reakcji sonochemicznych.
Poniższa tabela przedstawia wybrane istotne zalety reakcji wspomaganych ultradźwiękami w porównaniu z konwencjonalnymi reakcjami chemicznymi:
| Reakcja | Czas reakcji Metoda konwencjonalna |
Czas reakcji Ultradźwięki |
Wydajność Metoda konwencjonalna (%) |
Wydajność Ultradźwięki (%) |
|---|---|---|---|---|
| Cyklizacja Dielsa–Aldera | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Utlenianie indanu do indan-1-onu | 3 h | 3 h | mniej niż 27% | 73% |
| Redukcja metoksyaminosilanu | brak reakcji | 3 h | 0% | 100% |
| Epoksydacja długołańcuchowych nienasyconych estrów kwasów tłuszczowych | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Utlenianie aryloalkanów | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Addycja Michaela nitroalkanów do monopodstawionych α,β-nienasyconych estrów | 2 dni | 2 h | 85% | 90% |
| Utlenianie 2-oktanolu nadmanganianem | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Synteza chalkonów przez kondensację Claisena–Schmidta | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Sprzęganie Ullmanna 2-jodonitrobenzenu | 2 h | 2h | mniej niż 1,5% | 70,4% |
| Reakcja Reformatskiego | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Kawitacja ultradźwiękowa w cieczach
Kawitacja to powstawanie, wzrost i implozyjne zapadanie się pęcherzyków w cieczy. Zapadanie się pęcherzyków kawitacyjnych powoduje intensywne lokalne nagrzewanie (~5000 K), wysokie ciśnienia (~1000 atm), olbrzymie szybkości nagrzewania i chłodzenia (>10⁹ K/sec) oraz strumienie cieczy (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kawitacja z wykorzystaniem urządzenia UIP1000hd:
Pęcherzyki kawitacyjne są pęcherzykami próżniowymi. Próżnia powstaje wskutek obecności szybko poruszającej się powierzchni po jednej stronie i cieczy wykazującej bezwładność po drugiej. Powstałe różnice ciśnień służą do pokonania sił kohezji i adhezji w cieczy.
Kawitację można wytwarzać na różne sposoby, na przykład za pomocą dysz Venturiego, dysz wysokociśnieniowych, szybkiego ruchu obrotowego lub przetworników ultradźwiękowych. We wszystkich tych układach energia wejściowa jest przekształcana w tarcie, turbulencje, fale i kawitację. Udział energii wejściowej przekształcanej w kawitację zależy od kilku czynników opisujących ruch urządzenia wytwarzającego kawitację w cieczy.
Wielkość przyspieszenia jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na efektywne przekształcanie energii w kawitację. Większe przyspieszenie powoduje większe różnice ciśnień. To z kolei zwiększa prawdopodobieństwo powstawania pęcherzyków próżniowych zamiast fal rozchodzących się w cieczy. Zatem im większe przyspieszenie, tym większy udział energii przekształcanej w kawitację. W przypadku przetwornika ultradźwiękowego wielkość przyspieszenia jest opisywana amplitudą drgań.
Większe amplitudy skutkują efektywniejszym wytwarzaniem kawitacji. Przemysłowe urządzenia Hielscher Ultrasonics mogą wytwarzać amplitudy do 115 µm. Te duże amplitudy umożliwiają uzyskanie wysokiego współczynnika przekazywania mocy, co z kolei pozwala osiągać duże gęstości mocy do 100 W/cm³.
Oprócz odpowiedniej wielkości przyspieszenia należy zapewnić taki sposób przyspieszania cieczy, który powoduje minimalne straty związane z turbulencjami, tarciem i wytwarzaniem fal. Optymalnym sposobem osiągnięcia tego celu jest ruch w jednym kierunku.
Reaktor ultradźwiękowy o mocy 16 000 watów do transestryfikacji w trybie przepływowym wspomaganej sonochemicznie.
- otrzymywanie aktywowanych metali przez redukcję soli metali
- wytwarzanie aktywowanych metali przez sonikację
- sonochemiczna synteza cząstek przez strącanie tlenków metali (Fe, Cr, Mn, Co), np. do zastosowania jako katalizatory
- nanoszenie metali lub halogenków metali na nośniki metodą impregnacji
- przygotowywanie roztworów aktywowanych metali
- reakcje z udziałem metali za pośrednictwem związków organoelementowych wytwarzanych in situ
- reakcje z udziałem niemetalicznych ciał stałych
- krystalizacja i strącanie metali, stopów, zeolithes i innych ciał stałych
- modyfikacja morfologii powierzchni i wielkości cząstek przez zderzenia między cząstkami przy dużej prędkości
- tworzenie amorficznych materiałów nanostrukturalnych, w tym metali przejściowych o dużej powierzchni właściwej, stopów, węglików, tlenków i koloidów
- aglomeracja kryształów
- wygładzanie i usuwanie pasywującej powłoki tlenkowej
- mikromanipulacja (frakcjonowanie) małych cząstek
- dyspergowanie ciał stałych
- otrzymywanie koloidów (Ag, Au, CdS o rozmiarze Q)
- interkalacja cząsteczek gościa do nieorganicznych warstwowych ciał stałych pełniących funkcję gospodarza
- sonochemia polimerów
- degradacja i modyfikacja polimerów
- synteza polimerów
- sonoliza zanieczyszczeń organicznych w wodzie
Urządzenia sonochemiczne
Większość wymienionych procesów sonochemicznych można dostosować do pracy w trybie przepływowym. Chętnie pomożemy w doborze urządzeń sonochemicznych do potrzeb danego procesu. Do badań i testowania procesów zalecamy nasze urządzenia laboratoryjne lub zestaw UIP1000hdT.
W razie potrzeby dostępne są urządzenia i reaktory ultradźwiękowe z certyfikatami FM i ATEX (np. UIP1000-Exd) do sonikacji łatwopalnych substancji chemicznych i formulacji produktów w środowiskach niebezpiecznych.
Kawitacja ultradźwiękowa zmienia reakcje otwarcia pierścienia
Sonikacja stanowi alternatywny wobec ciepła, ciśnienia, światła lub elektryczności mechanizm inicjowania reakcji chemicznych. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth i ich zespół z Wydziału Chemii Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign wykorzystali moc ultradźwięków do wywoływania reakcji otwarcia pierścienia i sterowania nimi. Podczas sonikacji reakcje chemiczne prowadziły do powstania produktów innych niż przewidywane przez reguły symetrii orbitali (Nature 2007, 446, 423). Zespół połączył wrażliwe na oddziaływania mechaniczne izomery 1,2-dipodstawionego benzocyklobutenu z dwoma łańcuchami glikolu polietylenowego, zastosował energię ultradźwiękową i przeanalizował roztwory w całej objętości za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego C13 . Widma wykazały, że zarówno izomery cis, jak i trans dają ten sam produkt otwarcia pierścienia, oczekiwany dla izomeru trans. Podczas gdy energia cieplna powoduje przypadkowe ruchy Browna reagentów, energia mechaniczna sonikacji nadaje kierunek ruchom atomów. Efekty kawitacyjne skutecznie ukierunkowują zatem energię przez odkształcanie cząsteczki, zmieniając kształt powierzchni energii potencjalnej.
Sonikatory z sondą, takie jak UP400St , intensyfikują syntezę nanocząstek. Metoda sonochemiczna jest prosta, skuteczna, szybka i wykorzystuje nietoksyczne substancje chemiczne w łagodnych warunkach.
Sonikatory o wysokiej wydajności do sonochemii
Hielscher Ultrasonics dostarcza procesory ultradźwiękowe do laboratoriów i przemysłu. Wszystkie sonikatory Hielscher to bardzo mocne i wytrzymałe urządzenia ultradźwiękowe, zbudowane do ciągłej pracy 24/7 pod pełnym obciążeniem. Sterowanie cyfrowe, programowalne ustawienia, monitorowanie temperatury, automatyczna rejestracja danych i zdalne sterowanie przez przeglądarkę to tylko niektóre funkcje sonikatorów Hielscher. Urządzenia Hielscher Ultrasonics zaprojektowano z myślą o wysokiej wydajności i wygodnej obsłudze, a użytkownicy cenią ich bezpieczną i łatwą obsługę. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher zapewniają amplitudy do 200µm i idealnie nadają się do wymagających zastosowań. Aby uzyskać jeszcze większe amplitudy, dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Hielscher Ultrasonics produkuje homogenizatory ultradźwiękowe o wysokiej wydajności do mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji w skali laboratoryjnej, pilotażowej i przemysłowej.
Literatura / Źródła
- 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 produkuje homogenizatory ultradźwiękowe o wysokiej wydajności w rozmiarach od laboratoryjnych po przemysłowe.