Sonochemia i reaktory sonochemiczne

Sonochemia jest dziedziną chemii, w której ultradźwięki o wysokim natężeniu są wykorzystywane do wywoływania, przyspieszania i modyfikowania reakcji chemicznych (syntezy, katalizy, degradacji, polimeryzacji, hydrolizy itp.). Ultradźwiękowo generowana kawitacja charakteryzuje się unikalnymi warunkami o dużej gęstości energii, które promują i intensyfikują reakcje chemiczne. Szybsze tempo reakcji, wyższa wydajność oraz zastosowanie ekologicznych, łagodniejszych odczynników czynią z sonochemii bardzo korzystne narzędzie w celu uzyskania ulepszonych reakcji chemicznych.

przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia).

Sonochemia jest dziedziną badań i przetwórstwa, w której cząsteczki ulegają reakcji chemicznej w wyniku zastosowania ultradźwięków o wysokim natężeniu (np. 20 kHz). Zjawiskiem odpowiedzialnym za reakcje sonochemiczne jest kawitacja akustyczna. Akustyczna lub ultradźwiękowa kawitacja występuje, gdy silne fale ultradźwiękowe są sprzężone z cieczą lub zawiesiną. W wyniku naprzemiennych cykli wysokie/niskie ciśnienie, wywołanych przez silne fale ultradźwiękowe w cieczy, powstają pęcherzyki próżniowe (pustki kawitacyjne), które rosną przez kilka cykli ciśnieniowych. Kiedy kawitacyjny pęcherzyk próżniowy osiągnie pewien rozmiar, przy którym nie jest w stanie zaabsorbować więcej energii, pęcherzyk próżniowy imploduje gwałtownie i tworzy wysokoenergetyczny punkt gorący. Ten lokalnie występujący gorący punkt charakteryzuje się bardzo wysokimi temperaturami, ciśnieniem i mikrostrumieniowaniem niezwykle szybkich strumieni cieczy.

Kawitacja akustyczna i efekty ultradźwięków o wysokiej intensywności

Kawitacja akustyczna, często nazywana również kawitacją ultradźwiękową, może być rozróżniona na dwie formy, kawitację stabilną i przejściową. Podczas kawitacji stabilnej, pęcherzyk kawitacyjny oscyluje wielokrotnie wokół swojego promienia równowagi, podczas gdy podczas kawitacji przejściowej, w której krótkotrwały pęcherzyk ulega dramatycznym zmianom objętości w ciągu kilku cykli akustycznych i kończy się gwałtownym upadkiem (Suslick 1988). Kawitacja stabilna i przejściowa mogą występować jednocześnie w roztworze, a pęcherzyk poddany kawitacji stabilnej może stać się kawitacją przejściową. Implozja pęcherzyka, która jest charakterystyczna dla kawitacji przejściowej i sonikacji o wysokiej intensywności, stwarza 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/implozja pęcherzyków kawitacyjnych zachodzi w czasie krótszym niż nanosekunda, bardzo wysokie szybkości grzania 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 mikrorozpylacze wykazują szczególnie duże korzyści w przypadku heterogenicznych zawiesin typu ciało stałe-ciecz. Strumienie cieczy uderzają w powierzchnię z pełną temperaturą i ciśnieniem zapadającego się pęcherzyka i powodują erozję poprzez zderzenia międzycząsteczkowe, jak również lokalne topnienie. W konsekwencji obserwuje się znacznie lepsze przenoszenie masy w roztworze.

Kawitacja ultradźwiękowa jest najbardziej efektywnie generowana w cieczach i rozpuszczalnikach o niskich ciśnieniach par. Dlatego też, media o niskich ciśnieniach par są korzystne dla zastosowań sonochemicznych.
W wyniku kawitacji ultradźwiękowej powstające intensywne siły mogą zmienić przebieg reakcji na bardziej wydajny, dzięki czemu unika się pełniejszej konwersji i/lub powstawania niepożądanych produktów ubocznych.
Gęsta energetycznie przestrzeń powstała w wyniku zapadania się pęcherzyków kawitacyjnych nazywana jest hot-spot. Niska częstotliwość, wysoka moc ultradźwięków w zakresie 20kHz i zdolność do tworzenia wysokich amplitud jest dobrze ugruntowana dla generowania intensywnych hot-spotów i korzystnych warunków sonochemicznych.

Laboratoryjne urządzenia ultradźwiękowe, jak również 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 proces wsadowy (tj. w naczyniu otwartym) lub liniowy z wykorzystaniem zamkniętych reaktorów przepływowych.

Sono syntezę

Sono-synteza lub synteza sonochemiczna polega na zastosowaniu kawitacji generowanej ultradźwiękami w celu inicjowania i promowania reakcji chemicznych. Ultradźwięki o dużej mocy (np. 20 kHz) wykazują silne działanie na cząsteczki i wiązania chemiczne. Na przykład, efekty sonochemiczne wynikające z intensywnej sonikacji mogą prowadzić do rozszczepiania cząsteczek, tworzenia wolnych rodników i/lub przełączania szlaków chemicznych. Synteza sonochemiczna jest zatem intensywnie wykorzystywana do wytwarzania lub modyfikacji szerokiego zakresu materiałów nanostrukturalnych. Przykładami nanomateriałów wytwarzanych w procesie sonochemicznej syntezy są nanocząstki (NPs) (np. NPs złota, NPs srebra), pigmenty, nanocząstki typu core-shell, nano-hydroksyapatyt, metaloorganiczne struktury (MOFs)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 wspomagana ultradźwiękami (sono-krystalizacja), gdzie ultradźwięki są wykorzystywane do wytwarzania przesyconych roztworów, inicjowania krystalizacji/trącania oraz kontrolowania wielkości i morfologii kryształów poprzez ultradźwiękowe parametry procesu. Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o sono-krystalizacji!

Sono-Katalizy

Sonikowanie zawiesiny chemicznej lub roztworu może znacząco poprawić reakcje katalityczne. Energia sonochemiczna skraca czas reakcji, poprawia wymianę ciepła i masy, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia stałych szybkości reakcji chemicznych, wydajności i selektywności.
Istnieje wiele procesów katalitycznych, w których zastosowanie ultradźwięków i ich efektów sonochemicznych przynosi znaczące korzyści. Każda heterogeniczna reakcja katalizy z przeniesieniem faz (PTC), w której biorą udział dwie lub więcej niemieszających się cieczy lub mieszanina ciecz-ciało stałe, korzysta z sonikacji, energii sonochemicznej i ulepszonego transferu masy.
Na przykład, analiza porównawcza cichego i wspomaganego ultradźwiękami katalitycznego utleniania fenolu w wodzie metodą mokrą nadtlenkową wykazała, że sonikacja zmniejsza barierę energetyczną reakcji, ale nie ma wpływu na jej przebieg. Energia aktywacji dla utleniania fenolu nad RuI₃ katalizatora podczas sonikacji wyniosła 13 kJ mol^-1która była czterokrotnie mniejsza w porównaniu z cichym procesem utleniania (57 kJ mol^-1). (Rokhina i in., 2010)
Kataliza sonochemiczna jest z powodzeniem stosowana do wytwarzania produktów chemicznych, a także do wytwarzania mikro- i nanostrukturalnych materiałów nieorganicznych, takich jak metale, stopy, związki metali, materiały niemetaliczne i kompozyty nieorganiczne. Typowymi przykładami wspomaganych ultradźwiękami procesów PTC są transestryfikacja wolnych kwasów tłuszczowych do estrów metylowych (biodiesel), hydroliza, zmydlanie olejów roślinnych, reakcja sono-Fentona (procesy podobne do Fentona), degradacja sonokatalityczna itp.
Dowiedz się więcej o sono-katalizie i jej specyficznych zastosowaniach!
Sonikacja usprawnia chemię typu "click", taką jak reakcje cykloaddycji azydkowo-alkilowej!

Inne zastosowania sonochemiczne

Ze względu na ich wszechstronne zastosowanie, niezawodność i prostą obsługę, systemy sonochemiczne, takie jak np. UP400St lub UIP2000hdT są cenione jako wydajne urządzenia do przeprowadzania reakcji chemicznych. Urządzenia sonochemiczne firmy Hielscher Ultrasonics mogą być z łatwością stosowane do sonikacji okresowej (otwarte zlewki) i ciągłej (inline) z wykorzystaniem sonochemicznej celi przepływowej. Sonochemia obejmująca sonosyntezę, sonokatalizę, degradację lub polimeryzację znajduje szerokie zastosowanie w chemii, nanotechnologii, materiałoznawstwie, farmacji, mikrobiologii jak również w innych gałęziach przemysłu.

Wysokowydajne urządzenia sonochemiczne

Hielscher Ultrasonics jest wiodącym dostawcą innowacyjnych, najnowocześniejszych ultradźwiękowców, sonochemicznych cel przepływowych, reaktorów i akcesoriów do wydajnych i niezawodnych reakcji sonochemicznych. Wszystkie ultradźwięki firmy Hielscher są projektowane, produkowane i testowane wyłącznie w siedzibie firmy Hielscher Ultrasonics w Teltow (koło Berlina) w Niemczech. Oprócz najwyższych standardów technicznych i wyjątkowej solidności oraz pracy w trybie 24/7/365, zapewniającym wysoką wydajność, ultradźwiękowce 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 wyróżniają Hielscher Ultrasonics spośród innych producentów urządzeń sonochemicznych.

Precyzyjnie regulowane amplitudy

Amplituda to przemieszczenie w przedniej części (końcówce) 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 zależy od rodzaju reakcji, użytych odczynników chemicznych oraz docelowych wyników danej reakcji sonochemicznej. Oznacza to, że amplituda powinna być precyzyjnie ustawiana, aby intensywność kawitacji akustycznej była na idealnym poziomie. Wszystkie ultradźwiękowe urządzenia firmy Hielscher można niezawodnie i precyzyjnie ustawić na idealną amplitudę za pomocą inteligentnego sterowania cyfrowego. W celu mechanicznego zmniejszenia lub zwiększenia amplitudy można dodatkowo zastosować tuby wzmacniające. Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo duże amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością pracować w trybie ciągłym w trybie 24/7. Dla jeszcze większych amplitud dostępne są indywidualne sondy ultradźwiękowe.

Precyzyjna kontrola temperatury podczas reakcji sonochemicznych

W kawitacyjnym hot-spot można zaobserwować ekstremalnie wysokie temperatury rzędu wielu tysięcy stopni Celsjusza. Jednakże, te ekstremalne temperatury są ograniczone lokalnie do niewielkiego wnętrza i otoczenia implodującego pęcherzyka kawitacyjnego. W roztworze objętościowym, wzrost temperatury spowodowany implozją pojedynczego lub kilku pęcherzyków kawitacyjnych jest pomijalny. Jednak ciągła, intensywna sonikacja przez dłuższy czas może powodować przyrostowy wzrost temperatury cieczy. Ten wzrost temperatury przyczynia się do wielu reakcji chemicznych i jest często uważany za korzystny. Jednak różne reakcje chemiczne mają różne optymalne temperatury reakcji. Podczas obróbki materiałów wrażliwych na ciepło, kontrola temperatury może być konieczna. Aby zapewnić idealne warunki termiczne w procesach sonochemicznych, firma Hielscher Ultrasonics oferuje różne zaawansowane rozwiązania do precyzyjnej regulacji temperatury w procesach sonochemicznych, takie jak reaktory sonochemiczne i komory przepływowe wyposażone w płaszcze chłodzące.
Nasze przepływowe komory sonochemiczne i reaktory są dostępne z płaszczem chłodzącym, który wspomaga efektywne odprowadzanie ciepła. Do ciągłej kontroli temperatury ultradźwięki firmy Hielscher wyposażone są w czujnik temperatury, który można umieścić w cieczy w celu ciągłego pomiaru temperatury. Przemyślane oprogramowanie umożliwia ustawienie zakresu temperatury. Po przekroczeniu temperatury granicznej ultradźwiękowiec automatycznie przerywa pracę, aż temperatura w cieczy obniży się do określonego punktu nastawy i ponownie rozpoczyna automatyczną sonikację. Wszystkie pomiary temperatury jak również inne ważne dane procesowe ultradźwięków są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD i mogą być w prosty sposób przeglądane w celu kontroli procesu.
Temperatura jest decydującym parametrem w procesach sonochemicznych. Dopracowana technologia firmy Hielscher pomaga utrzymać temperaturę w Państwa aplikacji sonochemicznej w idealnym zakresie temperatur.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: