Sonochemia i reaktory sonochemiczne

Sonochemia to dziedzina chemii, w której ultradźwięki o wysokiej intensywności wykorzystuje się do wywoływania, przyspieszania i modyfikowania reakcji chemicznych (syntezy, katalizy, degradacji, polimeryzacji, hydrolizy itp.). Kawitacja generowana ultradźwiękowo charakteryzuje się wyjątkowymi warunkami o dużej gęstości energii, które sprzyjają reakcjom chemicznym i je intensyfikują. Większa szybkość reakcji, wyższa wydajność oraz stosowanie ekologicznych, łagodniejszych odczynników sprawiają, że sonochemia jest bardzo korzystnym narzędziem usprawniania reakcji chemicznych.

Sonochemia

Sonochemia to dziedzina badań i procesów technologicznych, w której cząsteczki ulegają reakcji chemicznej wskutek zastosowania ultradźwięków o wysokiej intensywności (np. 20 kHz). Zjawiskiem odpowiedzialnym za reakcje sonochemiczne jest kawitacja akustyczna. Kawitacja akustyczna, czyli ultradźwiękowa, występuje, gdy fale ultradźwiękowe o dużej mocy są sprzęgane z cieczą lub zawiesiną. Wskutek naprzemiennych cykli wysokiego i niskiego ciśnienia wywoływanych w cieczy przez fale ultradźwiękowe o dużej mocy powstają pęcherzyki próżniowe (pustki kawitacyjne), które rosną przez kilka cykli ciśnienia. Gdy próżniowy pęcherzyk kawitacyjny osiąga określony rozmiar, przy którym nie może już pochłaniać więcej energii, gwałtownie imploduje i tworzy gorący punkt o bardzo dużej gęstości energii. Ten lokalnie występujący gorący punkt charakteryzuje się bardzo wysokimi temperaturami i ciśnieniami oraz mikroprzepływami niezwykle szybkich strug cieczy.

Kawitacja akustyczna i skutki działania ultradźwięków o wysokiej intensywności

Kawitację akustyczną, często nazywaną również kawitacją ultradźwiękową, można podzielić na dwie formy: kawitację stabilną i przejściową. Podczas kawitacji stabilnej pęcherzyk kawitacyjny wielokrotnie oscyluje wokół swojego promienia równowagowego, natomiast podczas kawitacji przejściowej krótkotrwały pęcherzyk ulega gwałtownym zmianom objętości w ciągu kilku cykli akustycznych, a jego istnienie kończy się gwałtownym zapadnięciem (Suslick 1988). Kawitacja stabilna i przejściowa mogą występować w roztworze jednocześnie, a pęcherzyk podlegający kawitacji stabilnej może stać się pustką przejściową. Implozja pęcherzyka, charakterystyczna dla kawitacji przejściowej i sonikacji o wysokiej intensywności, wytwarza różne warunki fizyczne, w tym bardzo wysokie temperatury wynoszące 5000–25 000 K, ciśnienia sięgające kilku 1000 bar oraz strugi cieczy o prędkościach do 1000m/s. Ponieważ zapadanie się lub implozja pęcherzyków kawitacyjnych zachodzi w czasie krótszym niż nanosekunda, można zaobserwować bardzo wysokie szybkości nagrzewania i chłodzenia przekraczające 10¹¹ K/s. Tak wysokie szybkości nagrzewania i różnice ciśnienia mogą inicjować i przyspieszać reakcje. Powstające szybkie mikrostrugi cieczy przynoszą szczególnie duże korzyści w przypadku niejednorodnych zawiesin ciało stałe–ciecz. Strugi cieczy uderzają w powierzchnię z pełną temperaturą i ciśnieniem zapadającego się pęcherzyka i powodują erozję wskutek zderzeń między cząstkami, a także miejscowe topienie. W rezultacie obserwuje się znacznie lepszy transport masy w roztworze.

Kawitacja ultradźwiękowa jest generowana najskuteczniej w cieczach i rozpuszczalnikach o niskiej prężności par. Dlatego media o niskiej prężności par sprzyjają zastosowaniom sonochemicznym.
W wyniku kawitacji ultradźwiękowej powstające silne oddziaływania mogą zmieniać ścieżki reakcji na bardziej efektywne, dzięki czemu unika się pełniejszych konwersji i/lub wytwarzania niepożądanych produktów ubocznych.
Obszar o dużej gęstości energii powstający wskutek zapadania się pęcherzyków kawitacyjnych nazywa się gorącym punktem. Ultradźwięki o niskiej częstotliwości, w zakresie 20kHz, i dużej mocy oraz możliwość uzyskiwania wysokich amplitud stanowią ugruntowany sposób generowania intensywnych gorących punktów i korzystnych warunków sonochemicznych.

Ultradźwiękowa aparatura laboratoryjna oraz przemysłowe reaktory ultradźwiękowe do komercyjnych procesów sonochemicznych są łatwo dostępne i sprawdzone jako niezawodne, wydajne oraz przyjazne dla środowiska w skali laboratoryjnej, pilotażowej i w pełni przemysłowej. Reakcje sonochemiczne można prowadzić okresowo (tj. w otwartym naczyniu) lub w procesie przepływowym z użyciem zamkniętego reaktora z komorą przepływową.

Sonosynteza

Sonosynteza, czyli synteza sonochemiczna, polega na wykorzystaniu kawitacji generowanej ultradźwiękowo do inicjowania i wspomagania reakcji chemicznych. Ultradźwięki o dużej mocy (np. przy 20 kHz) silnie oddziałują na cząsteczki i wiązania chemiczne. Przykładowo efekty sonochemiczne wynikające z intensywnej sonikacji mogą prowadzić do rozszczepiania cząsteczek, tworzenia wolnych rodników i/lub zmiany ścieżek reakcji chemicznych. Synteza sonochemiczna jest zatem intensywnie wykorzystywana do wytwarzania lub modyfikacji szerokiej gamy materiałów nanostrukturalnych. Przykładami nanomateriałów wytwarzanych za pomocą sonosyntezy są nanocząstki (NPs) (np. nanocząstki złota, nanocząstki srebra), pigmenty, nanocząstki typu rdzeń–powłoka, nanohydroksyapatyt, struktury metaloorganiczne (MOFs), aktywne składniki farmaceutyczne (APIs), nanocząstki dekorowane mikrosferami, nanokompozyty i wiele innych materiałów.
Przykłady: Ultradźwiękowa transestryfikacja estrów metylowych kwasów tłuszczowych (biodiesel) lub transestryfikacja polioli z wykorzystaniem ultradźwięków.

Obraz TEM (A) i rozkład wielkości cząstek (B) nanocząstek srebra (Ag-NPs), które zsyntetyzowano sonochemicznie w optymalnych warunkach.

Szeroko stosowana jest również krystalizacja wspomagana ultradźwiękami (sonokrystalizacja), w której ultradźwięki o dużej mocy służą do wytwarzania roztworów przesyconych, inicjowania krystalizacji / wytrącania oraz sterowania wielkością i morfologią kryształów za pomocą parametrów procesu ultradźwiękowego. Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o sonokrystalizacji!

Sonokataliza

Sonikacja zawiesiny lub roztworu chemicznego może znacznie usprawnić reakcje katalityczne. Energia sonochemiczna skraca czas reakcji i poprawia transport ciepła oraz masy, co następnie prowadzi do zwiększenia stałych szybkości reakcji chemicznych, wydajności i selektywności.
Istnieje wiele procesów katalitycznych, które odnoszą ogromne korzyści z zastosowania ultradźwięków o dużej mocy i ich efektów sonochemicznych. Każda heterogeniczna reakcja katalizy przeniesienia fazowego (PTC) obejmująca co najmniej dwie niemieszające się ciecze lub układ ciecz–ciało stałe korzysta z sonikacji, energii sonochemicznej oraz lepszego transportu masy.
Przykładowo analiza porównawcza katalitycznego utleniania fenolu w wodzie nadtlenkiem w fazie ciekłej, prowadzonego bez ultradźwięków oraz ze wspomaganiem ultradźwiękowym, wykazała, że sonikacja obniżała barierę energetyczną reakcji, lecz nie wpływała na jej ścieżkę. Stwierdzono, że energia aktywacji utleniania fenolu w obecności RuI₃ jako katalizatora podczas sonikacji wynosiła 13 kJ mol^-1, co stanowiło wartość czterokrotnie mniejszą w porównaniu z procesem utleniania bez ultradźwięków (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Kataliza sonochemiczna jest z powodzeniem wykorzystywana do wytwarzania produktów chemicznych oraz mikro- i nanostrukturalnych materiałów nieorganicznych, takich jak metale, stopy, związki metali, materiały niemetaliczne i kompozyty nieorganiczne. Typowymi przykładami PTC wspomaganej ultradźwiękami są transestryfikacja wolnych kwasów tłuszczowych do estru metylowego (biodiesel), hydroliza, zmydlanie olejów roślinnych, reakcja sono-Fentona (procesy typu Fentona), degradacja sonokatalityczna itp.
Przeczytaj więcej o sonokatalizie i konkretnych zastosowaniach!
Sonikacja usprawnia chemię klik, na przykład reakcje cykloaddycji azydek–alkin!

Inne zastosowania sonochemiczne

Ze względu na wszechstronność zastosowań, niezawodność i prostą obsługę systemy sonochemiczne, takie jak UP400St lub UIP2000hdT, są cenione jako wydajne urządzenia do prowadzenia reakcji chemicznych. Urządzenia sonochemiczne Hielscher Ultrasonics można łatwo wykorzystywać do sonikacji okresowej (w otwartej zlewce) oraz ciągłej sonikacji przepływowej z użyciem sonochemicznej komory przepływowej. Sonochemia, obejmująca sonosyntezę, sonokatalizę, degradację lub polimeryzację, jest szeroko stosowana w chemii, nanotechnologii, materiałoznawstwie, farmacji, mikrobiologii oraz innych branżach.

Wysokowydajna aparatura sonochemiczna

Hielscher Ultrasonics to Twój czołowy dostawca innowacyjnych, najnowocześniejszych sonikatorów, sonochemicznych komór przepływowych, reaktorów i akcesoriów do wydajnych i niezawodnych reakcji sonochemicznych. Wszystkie sonikatory Hielscher są projektowane, produkowane i testowane wyłącznie w siedzibie Hielscher Ultrasonics w Teltow (w pobliżu Berlina) w Niemczech. Oprócz najwyższych standardów technicznych, wyjątkowej wytrzymałości i możliwości pracy 24/7/365 zapewniającej wysoką efektywność sonikatory Hielscher cechują się łatwą i niezawodną obsługą. Wysoka wydajność, inteligentne oprogramowanie, intuicyjne menu, automatyczne rejestrowanie danych i zdalne sterowanie przez przeglądarkę to tylko niektóre cechy wyróżniające Hielscher Ultrasonics spośród innych producentów aparatury sonochemicznej.

Precyzyjna regulacja amplitud

Amplituda to przemieszczenie na przedniej powierzchni (końcówce) sonotrody (znanej również jako sonda ultradźwiękowa) i jest głównym czynnikiem wpływającym na kawitację ultradźwiękową. Wyższe amplitudy oznaczają intensywniejszą kawitację. Wymagana intensywność kawitacji silnie zależy od rodzaju reakcji, stosowanych odczynników chemicznych i docelowych rezultatów konkretnej reakcji sonochemicznej. Oznacza to, że amplituda powinna być precyzyjnie regulowana, aby dostosować intensywność kawitacji akustycznej do idealnego poziomu. We wszystkich sonikatorach Hielscher można niezawodnie i precyzyjnie ustawić idealną amplitudę za pomocą inteligentnego sterowania cyfrowego. Dodatkowo można stosować wzmacniacze amplitudy do jej mechanicznego zmniejszania lub zwiększania. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy 24/7. Do uzyskiwania jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie.

Precyzyjna kontrola temperatury podczas reakcji sonochemicznych

W gorącym punkcie kawitacyjnym można zaobserwować niezwykle wysokie temperatury sięgające wielu tysięcy stopni Celsjusza. Te ekstremalne temperatury są jednak ograniczone lokalnie do bardzo małego wnętrza i otoczenia implodującego pęcherzyka kawitacyjnego. W całej objętości roztworu wzrost temperatury wskutek implozji pojedynczego lub kilku pęcherzyków kawitacyjnych jest pomijalny. Jednak ciągła, intensywna sonikacja przez dłuższy czas może powodować stopniowy wzrost temperatury całej objętości cieczy. Ten wzrost temperatury sprzyja wielu reakcjom chemicznym i często jest uznawany za korzystny. Różne reakcje chemiczne mają jednak różne optymalne temperatury reakcji. Podczas obróbki materiałów wrażliwych na ciepło kontrola temperatury może być konieczna. Aby zapewnić idealne warunki termiczne podczas procesów sonochemicznych, Hielscher Ultrasonics oferuje różne zaawansowane rozwiązania do precyzyjnej kontroli temperatury w tych procesach, takie jak reaktory sonochemiczne i komory przepływowe wyposażone w płaszcze chłodzące.
Nasze sonochemiczne komory przepływowe i reaktory są dostępne z płaszczami chłodzącymi, które wspomagają skuteczne odprowadzanie ciepła. Do ciągłego monitorowania temperatury sonikatory Hielscher są wyposażone w podłączany czujnik temperatury, który można umieścić w cieczy w celu stałego pomiaru temperatury całej jej objętości. Zaawansowane oprogramowanie umożliwia ustawienie zakresu temperatury. Po przekroczeniu granicznej temperatury sonikator automatycznie wstrzymuje pracę, aż temperatura cieczy obniży się do określonej wartości zadanej, a następnie automatycznie wznawia sonikację. Wszystkie pomiary temperatury oraz inne ważne dane procesu ultradźwiękowego są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD i można je łatwo przeglądać w celu kontroli procesu.
Temperatura jest kluczowym parametrem procesów sonochemicznych. Zaawansowana technologia Hielscher pomaga utrzymywać temperaturę danego zastosowania sonochemicznego w idealnym zakresie.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: