Sonochemia i reaktory sonochemiczne

Sonochemia to dziedzina chemii, w której ultradźwięki o wysokiej intensywności są wykorzystywane do wywoływania, przyspieszania i modyfikowania reakcji chemicznych (synteza, kataliza, degradacja, polimeryzacja, hydroliza itp.). Kawitacja generowana ultradźwiękami charakteryzuje się wyjątkowymi warunkami o dużej gęstości energii, które promują i intensyfikują reakcje chemiczne. Szybsze tempo reakcji, wyższa wydajność i zastosowanie zielonych, łagodniejszych odczynników sprawiają, że sonochemia staje się bardzo korzystnym narzędziem w celu uzyskania ulepszonych reakcji chemicznych.

przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia).

Sonochemia to dziedzina badań i przetwarzania, w której cząsteczki ulegają reakcji chemicznej z powodu zastosowania ultradźwięków o wysokiej intensywności (np. 20 kHz). Zjawiskiem odpowiedzialnym za reakcje sonochemiczne jest kawitacja akustyczna. Kawitacja akustyczna lub ultradźwiękowa występuje, gdy silne fale ultradźwiękowe są sprzężone z cieczą lub zawiesiną. Ze względu na naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia / niskiego ciśnienia spowodowane przez fale ultradźwiękowe mocy w cieczy, generowane są pęcherzyki próżniowe (kawitacyjne puste przestrzenie), które rosną w ciągu kilku cykli ciśnienia. Gdy kawitacyjny pęcherzyk próżniowy osiągnie określony rozmiar, w którym nie może wchłonąć więcej energii, pęcherzyk próżniowy imploduje gwałtownie i tworzy gorący punkt o dużej gęstości energii. Ten lokalnie występujący gorący punkt charakteryzuje się bardzo wysokimi temperaturami, ciśnieniami i mikrostrumieniami niezwykle szybkich strumieni cieczy.

Kawitacja akustyczna i efekty ultradźwięków o wysokiej intensywności

Kawitację akustyczną, często nazywaną również kawitacją ultradźwiękową, można podzielić na dwie formy: kawitację stabilną i przejściową. Podczas stabilnej kawitacji pęcherzyk kawitacyjny oscyluje wiele razy wokół swojego promienia równowagi, podczas gdy podczas kawitacji przejściowej, w której krótkotrwały pęcherzyk ulega dramatycznym zmianom objętości w kilku cyklach akustycznych i kończy się gwałtownym zapadnięciem (Suslick 1988). Stabilna i przejściowa kawitacja może występować jednocześnie w roztworze, a pęcherzyk przechodzący stabilną kawitację może stać się przejściową wnęką. Implozja pęcherzyków, która jest charakterystyczna dla kawitacji przejściowej i sonikacji o wysokiej intensywności, tworzy różne warunki fizyczne, w tym bardzo wysokie temperatury 5000-25 000 K, ciśnienia do kilku 1000 barów i strumienie cieczy o prędkościach do 1000 m/s. Ponieważ zapadanie się/wybuch pęcherzyków kawitacyjnych następuje w czasie krótszym niż nanosekunda, bardzo wysokie szybkości ogrzewania i chłodzenia przekraczające 10¹¹ K/s. Tak wysokie szybkości nagrzewania i różnice ciśnień mogą inicjować i przyspieszać reakcje. Jeśli chodzi o występujące strumienie cieczy, te szybkie mikrostrumienie wykazują szczególnie duże korzyści, jeśli chodzi o heterogeniczne zawiesiny ciało stałe-ciecz. Strumienie cieczy uderzają w powierzchnię z pełną temperaturą i ciśnieniem zapadającego się pęcherzyka i powodują erozję poprzez zderzenia międzycząsteczkowe, a także miejscowe topnienie. W rezultacie obserwuje się znacznie lepszy transfer masy w roztworze.

Kawitacja ultradźwiękowa jest najskuteczniej generowana w cieczach i rozpuszczalnikach o niskim ciśnieniu pary. Dlatego media o niskim ciśnieniu pary są korzystne dla zastosowań sonochemicznych.
W wyniku kawitacji ultradźwiękowej powstałe intensywne siły mogą przełączać ścieżki reakcji na bardziej wydajne szlaki, dzięki czemu unika się pełniejszych konwersji i/lub wytwarzania niepożądanych produktów ubocznych.
Przestrzeń o dużej gęstości energii utworzona przez zapadnięcie się pęcherzyków kawitacyjnych nazywana jest hot-spotem. Ultradźwięki o niskiej częstotliwości i dużej mocy w zakresie 20 kHz oraz zdolność do tworzenia wysokich amplitud są dobrze znane z generowania intensywnych hot-spotów i korzystnych warunków sonochemicznych.

Ultradźwiękowy sprzęt laboratoryjny, a także przemysłowe reaktory ultradźwiękowe do komercyjnych procesów sonochemicznych są łatwo dostępne i sprawdzone jako niezawodne, wydajne i przyjazne dla środowiska w skali laboratoryjnej, pilotażowej i w pełni przemysłowej. Reakcje sonochemiczne mogą być przeprowadzane jako wsadowe (tj. w otwartym naczyniu) lub w linii przy użyciu reaktora z zamkniętą komorą przepływową.

sono-synteza

Sono-synteza lub synteza sonochemiczna polega na zastosowaniu kawitacji generowanej ultradźwiękami w celu zainicjowania i promowania reakcji chemicznych. Ultradźwięki o dużej mocy (np. 20 kHz) wykazują silny wpływ na cząsteczki i wiązania chemiczne. Na przykład, efekty sonochemiczne wynikające z intensywnej sonikacji mogą powodować rozszczepianie cząsteczek, tworzenie wolnych rodników i/lub przełączanie szlaków 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. NPs złota, NPs srebra), pigmenty, nanocząstki typu core-shell, nanohydroksyapatyt, struktury metaloorganiczne (MOF)aktywne składniki farmaceutyczne (API), nanocząstki dekorowane mikrosferami, nanokompozyty i wiele innych materiałów.
Przykłady: Ultradźwiękowa transestryfikacja estrów metylowych kwasów tłuszczowych (biodiesel) lub transestryfikacja polioli przy użyciu ultradźwięków.

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

Szeroko stosowana jest również krystalizacja promowana ultradźwiękami (sono-krystalizacja), w której ultradźwięki mocy są wykorzystywane do wytwarzania przesyconych roztworów, inicjowania krystalizacji / wytrącania oraz kontrolowania wielkości kryształów i morfologii za pomocą parametrów procesu ultradźwiękowego. Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o sonokrystalizacji!

sonokataliza

Sonikowanie zawiesiny chemicznej lub roztworu może znacznie poprawić reakcje katalityczne. Energia sonochemiczna skraca czas reakcji, poprawia przenoszenie ciepła i masy, co następnie skutkuje zwiększeniem stałych szybkości chemicznej, wydajności i selektywności.
Istnieje wiele procesów katalitycznych, które drastycznie korzystają z zastosowania ultradźwięków mocy i jej efektów sonochemicznych. Każda heterogeniczna reakcja katalizy przeniesienia fazowego (PTC) obejmująca dwie lub więcej niemieszających się cieczy lub kompozycję ciecz-ciało stałe, korzysta z sonikacji, energii sonochemicznej i ulepszonego przenoszenia masy.
Przykładowo, analiza porównawcza cichego i wspomaganego ultradźwiękami katalitycznego mokrego utleniania nadtlenku fenolu w wodzie wykazała, że sonikacja zmniejszyła barierę energetyczną reakcji, ale nie miała wpływu na ścieżkę reakcji. Energia aktywacji utleniania fenolu nad RuI₃ podczas sonikacji wynosiła 13 kJ mol^-1który był czterokrotnie mniejszy w porównaniu do procesu cichego utleniania (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Kataliza sonochemiczna jest z powodzeniem stosowana do wytwarzania produktów chemicznych, a także do produkcji materiałów nieorganicznych o strukturze mikronowej i nanostrukturalnej, takich jak metale, stopy, związki metali, materiały niemetalowe 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 podobne do Fentona), degradacja sonokatalityczna itp.
Dowiedz się więcej o sonokatalizie i jej konkretnych zastosowaniach!
Sonikacja poprawia chemię kliknięć, taką jak reakcje cykloaddycji azydkowo-alkilowej!

Inne zastosowania sonochemiczne

Ze względu na ich wszechstronne zastosowanie, niezawodność i prostą obsługę, systemy sonochemiczne, takie jak UP400St lub UIP2000hdT są cenione jako wydajny sprzęt do reakcji chemicznych. Urządzenia sonochemiczne firmy Hielscher Ultrasonics mogą być z łatwością wykorzystywane do sonikacji wsadowej (otwarta zlewka) i ciągłej sonikacji inline przy użyciu sonochemicznej celi przepływowej. Sonochemia, w tym sonosynteza, sonokataliza, degradacja lub polimeryzacja, jest szeroko stosowana w chemii, nanotechnologii, materiałoznawstwie, farmacji, mikrobiologii, a także w innych gałęziach przemysłu.

Wysokowydajny sprzęt sonochemiczny

Hielscher Ultrasonics jest czołowym dostawcą innowacyjnych, najnowocześniejszych ultrasonografów, sonochemicznych komór przepływowych, reaktorów i akcesoriów do wydajnych i niezawodnych reakcji sonochemicznych. Wszystkie ultrasonografy Hielscher są projektowane, produkowane i testowane wyłącznie w siedzibie Hielscher Ultrasonics w Teltow (niedaleko Berlina) w Niemczech. Oprócz najwyższych standardów technicznych i wyjątkowej wytrzymałości oraz pracy 24/7/365 dla wysoce wydajnej pracy, ultradźwięki Hielscher są łatwe i niezawodne w obsłudze. Wysoka wydajność, inteligentne oprogramowanie, intuicyjne menu, automatyczne protokołowanie danych i zdalne sterowanie przez przeglądarkę to tylko kilka cech, które odróżniają Hielscher Ultrasonics od innych producentów sprzętu sonochemicznego.

Precyzyjnie regulowana amplituda

Amplituda to przemieszczenie z przodu (końcówki) sonotrody (znanej również jako sonda ultradźwiękowa lub róg) i jest głównym czynnikiem wpływającym na kawitację ultradźwiękową. Wyższe amplitudy oznaczają bardziej intensywną kawitację. Wymagana intensywność kawitacji silnie zależy od rodzaju reakcji, zastosowanych odczynników chemicznych i docelowych wyników konkretnej reakcji sonochemicznej. Oznacza to, że amplituda powinna być precyzyjnie regulowana w celu dostrojenia intensywności kawitacji akustycznej do idealnego poziomu. Wszystkie ultradźwięki Hielscher można niezawodnie i precyzyjnie regulować za pomocą inteligentnego sterowania cyfrowego do idealnej amplitudy. Rogi wzmacniające mogą być dodatkowo używane do mechanicznego zmniejszania lub zwiększania amplitudy. Ultradźwięki’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe.

Precyzyjna kontrola temperatury podczas reakcji sonochemicznych

W gorącym punkcie kawitacji można zaobserwować ekstremalnie wysokie temperatury rzędu wielu tysięcy stopni Celsjusza. Jednak te ekstremalne temperatury są ograniczone lokalnie do niewielkiego wnętrza i otoczenia implodującego pęcherzyka kawitacyjnego. W roztworze masowym wzrost temperatury w wyniku implozji pojedynczego lub kilku pęcherzyków kawitacyjnych jest znikomy. Jednak ciągła, intensywna sonikacja przez dłuższy czas może powodować stopniowy wzrost temperatury cieczy luzem. Ten wzrost temperatury przyczynia się do wielu reakcji chemicznych i jest często uważany za korzystny. Jednak różne reakcje chemiczne mają różne optymalne temperatury reakcji. W przypadku obróbki materiałów wrażliwych na ciepło konieczna może być kontrola temperatury. Aby zapewnić idealne warunki termiczne podczas procesów sonochemicznych, firma Hielscher Ultrasonics oferuje różne zaawansowane rozwiązania do precyzyjnej kontroli temperatury podczas procesów sonochemicznych, takie jak reaktory sonochemiczne i komory przepływowe wyposażone w płaszcze chłodzące.
Nasze sonochemiczne komórki przepływowe i reaktory są dostępne z płaszczami chłodzącymi, które wspomagają skuteczne rozpraszanie ciepła. W celu ciągłego monitorowania temperatury, ultradźwięki Hielscher są wyposażone w podłączany czujnik temperatury, który można włożyć do cieczy w celu ciągłego pomiaru temperatury nasypowej. Zaawansowane oprogramowanie umożliwia ustawienie zakresu temperatury. Po przekroczeniu limitu temperatury ultradźwiękowiec automatycznie zatrzymuje się, aż temperatura w cieczy obniży się do określonego punktu nastawy i ponownie rozpocznie automatyczną sonikację. Wszystkie pomiary temperatury, a także inne ważne dane procesu ultradźwiękowego są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD i mogą być łatwo przeglądane w celu kontroli procesu.
Temperatura jest kluczowym parametrem procesów sonochemicznych. Opracowana przez firmę Hielscher technologia pomaga utrzymać temperaturę aplikacji sonochemicznej w idealnym zakresie temperatur.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: