Reakcje sonochemiczne i synteza
Sonochemia jest stosowanie ultradźwięków do chemicznych reakcji i procesów. Mechanizm który powoduje efekty sonochemiczne w cieczach jest zjawisko kawitacji akustycznych.
Urządzenia laboratoryjne i przemysłowe firmy Hielscher ultrasonic mają szerokie zastosowanie w procesach sonochemicznych. Kawitacja ultradźwiękowa intensyfikuje i przyspiesza reakcje chemiczne, takie jak synteza i kataliza.
Reakcja sonochemiczna
Następujące skutki sonochemiczne mogą być obserwowane w chemicznych reakcjach i procesach:
- wzrost szybkości reakcji
- wzrost wydajności reakcji
- bardziej efektywne wykorzystanie energii
- Metody sonochemiczne do zwiany ścieżki reakcji
- poprawa wydajności katalizatorów przeniesienia fazowego
- unikanie katalizatorów przeniesienia fazowego
- wykorzystanie przybliżonych wskaźników lub technicznych odczynników
- Aktywacja metali i bryłów
- wzrost reaktywności odczynników lub katalizatorów (Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowo wspieranej katalizy )
- poprawa syntezy cząsteczek
- powłoka nanocząstek
7 homogenizatorów ultradźwiękowych model UIP1000hdT (7x 1kW mocy ultradźwiękowej) zainstalowany jako klaster do reakcji sonochemicznych na skalę przemysłową.
Zalety ultradźwiękowo zintensyfikowanych reakcji chemicznych
Reakcje chemiczne promowane ultradźwiękami są uznaną techniką intensyfikacji procesów w dziedzinie syntezy i przetwarzania chemicznego. Wykorzystując moc fal ultradźwiękowych, reakcje te oferują liczne korzyści w porównaniu z konwencjonalnymi metodami, poprawiając katalizę chemiczną i syntezę. Turboszybkie współczynniki konwersji, doskonała wydajność, zwiększona selektywność, lepsza efektywność energetyczna i zmniejszony wpływ na środowisko to główne zalety reakcji sonochemicznych.
Tabela przedstawia kilka istotnych zalet reakcji promowanej ultradźwiękami w porównaniu z konwencjonalnymi reakcjami chemicznymi:
| reakcja | Czas reakcji Konwencjonalny |
Czas reakcji ultradźwięki |
wydajność Konwencjonalne (%) |
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 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% |
| Nadmanganianowe utlenianie 2-oktanolu | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Synteza chalkonów metodą kondensacji CLaisena-Schmidta | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Sprzęganie 2-jodonitrobenzenu metodą UIllmanna | 2 h | 2H | mniej niż 1,5% | 70.4% |
| Reakcja Reformatsky'ego | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Kawitacja ultradźwiękowa w cieczy
Kawitacja, czyli powstawanie, wzrost i implozyjne zapadanie się pęcherzyków w cieczy. Zapadanie się kawitacyjne powoduje intensywne lokalne ogrzewanie (~5000 K), wysokie ciśnienie (~1000 atm) oraz ogromne szybkości ogrzewania i chłodzenia (>109 K/s) i strumieni cieczy (~400 km/h). (1998 R. Suslick)
Kawitacja przy użyciu UIP1000hd:
Pęcherzyki kawitacyjne są pęcherzyki próżniowe. Próżnia jest tworzona przez szybką ruchomość powierzchni na jednej stronie i obojętnej cieczy na drugiej stronie. Powstałe różnice ciśnienia służą do pokonania spójności i siły przyczepności w cieczy.
Kawitacja może być produkowana w różnych sposobach, przy pomocy dyszy venturiego, z dyszą wysokiego ciśnienia, z rotacją wysokiej prędkości lub przetworników ultradźwiękowych. We wszystkich tych systemach wejściowa energia jest przekształcona na tarcie, turbulencje, fale i kawitacje. Część wprowadzanej energii, która jest przekształcana na kawitacje zależy od kilku czynników opisujących przepływu urządzeń wytwarzających kawitację w cieczy.
Intensywność przyspieszenia jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na efektywne przekształcenie energii kawitacji. Większe przyspieszenie tworzy większą różnice ciśnienia. To z kolei zwiększa prawdopodobieństwo powstawania próżnych baniek zamiast tworzenia fali rozmnożeniowych przez płyn. W związku z tym wyższe przyspieszenie powoduje wyższą część energii, która jest przekształcana na kawitacje. W przypadku ultradźwiękowego przetwornika intensywność przyspieszenia jest opisana przez amplitudę oscylacji.
Wyższe amplitudy powodują bardziej efektywne tworzenie kawitacji. Urządzenia przemysłowe Hielscher Ultrasonics mogą tworzyć amplitudy do 115 µm. Te wysokie amplitudy pozwalają na wysoki współczynnik transmisji mocy, co z kolei pozwala na tworzenie dużych gęstości mocy do 100 W/cm³.
Oprócz intensywności, płyn należy być przyspieszony w sposób który stwarza minimalne straty przez turbulencje, tarcie i tworzenie fali. Na to optymalny sposób jest jednostronny kierunek ruchu.
Reaktor ultradźwiękowy o mocy 16 000 W do sonochemicznie wzmocnionej transestryfikacji inline.
- przygotowanie metali aktywnych przez zmniejszenie soli metali
- wytwarzanie metali aktywnych przez sonikację
- sonochemiczna synteza cząsteczek przez wytrącanie tlenków metali (Fe, Cr, Mn, Co), np. do wykorzystania jako katalizatory
- Impregnacja metali lub halogenki metali na podporach
- przygotowanie roztworów aktywowanych metali
- reakcje z udziałem metali za pomocą gatunków organoelementów generowanych in situ
- reakcje z udziałem niemetalicznych brył
- krystalizacja i wytrącanie metali, stopów, zeolitów i innych ciał stałych
- modyfikacja morfologii powierzchni i rozmiaru cząstek przez kolizje międzycząstkowej przy dużej prędkości
- powstawanie amorficznych nanostrukturalnych materiałów, w tym metale, stopy, węgliki, tlenki i koloidy które mają wysoką przemianę powierzchni
- aglomeracji kryształów
- wygładzanie i usuwanie pasywacja tlenku glinu
- mikromanipulacja (frakcjonowanie) małych cząstek
- dyspersji ciał stałych
- przygotowanie koloidów (Ag, Au, płyt CdS wielkości Q)
- Interkalacja cząsteczek gościnnych do hosta nieorganicznych warstwy ciał stałych
- Sonochemia polimerów
- degradacja i modyfikacja polimerów
- synteza polimerów
- sonolysja zanieczyszczeń organicznych w wodzie
Sprzęt sonochemiczny
Większość wspomnianych procesów sonochemicznych może być doposażona do pracy wstawkowej. Z przyjemnością pomożemy w wyborze sprzętu sonochemicznego do Twoich potrzeb przetwarzania. Do badań i testowania procesów polecamy nasze urządzenia laboratoryjne lub Zestaw UIP1000hdT.
Jeśli jest to wymagane, urządzenia ultradźwiękowe i reaktory z certyfikatem FM i ATEX (np. UIP1000-Exd) są dostępne do sonikacja łatwopalnych substancji chemicznych i preparaty produktów w niebezpiecznych środowiskach.
Kawitacja ultradźwiękowa zmienia reakcje otwierania pierścieni
Ultradźwięki są alternatywnym mechanizmem do ciepła, ciśnienia, światła lub elektryczności w celu zainicjowania reakcji chemicznych. Jeffrey S. MooreCharles R. Hickenboth i ich zespół w firmie Wydział chemii na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign wykorzystali moc ultradźwięków do wyzwalania i manipulowania reakcjami otwierania pierścieni. Pod wpływem sonikacji reakcje chemiczne generowały produkty różne od tych przewidywanych przez zasady symetrii orbitalnej (Nature 2007, 446, 423). Grupa połączyła mechanicznie wrażliwe 1,2-dipodstawione izomery benzocyklobutenu z dwoma łańcuchami glikolu polietylenowego, zastosowała energię ultradźwiękową i przeanalizowała roztwory masowe za pomocą C13 spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego. Widma wykazały, że zarówno izomery cis, jak i trans dostarczają tego samego produktu otwartego pierścieniem, oczekiwanego od izomeru trans. Podczas gdy energia cieplna powoduje losowe ruchy Browna reagentów, energia mechaniczna ultradźwięków nadaje kierunek ruchom atomów. Dlatego efekty kawitacyjne skutecznie kierują energią poprzez naprężenie cząsteczki, przekształcając powierzchnię energii potencjalnej.
Ultradźwięki typu sondowego jako UP400St zintensyfikować syntezę nanocząstek. Trasa sonochemiczna jest prosta, skuteczna, szybka i działa z nietoksycznymi chemikaliami w łagodnych warunkach.
Wysokowydajne ultradźwięki dla sonochemii
Hielscher Ultrasonics dostarcza procesory ultradźwiękowe dla laboratoriów i przemysłu. Wszystkie ultrasonografy Hielscher są bardzo mocnymi i wytrzymałymi urządzeniami ultradźwiękowymi i są przeznaczone do ciągłej pracy 24/7 pod pełnym obciążeniem. Cyfrowe sterowanie, programowalne ustawienia, monitorowanie temperatury, automatyczne protokołowanie danych i zdalne sterowanie przez przeglądarkę to tylko kilka cech ultrasonografów Hielscher. Zaprojektowane z myślą o wysokiej wydajności i wygodnej obsłudze, użytkownicy cenią sobie bezpieczną i łatwą obsługę sprzętu Hielscher Ultrasonics. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher zapewniają amplitudy do 200 µm i są idealne do ciężkich zastosowań. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspersji, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
Literatura / Referencje
- 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 wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do rozmiar przemysłowy.