Ekstrakcja katalityczna wspomagana ultradźwiękami

Reaktory ultradźwiękowe Hielscher są wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu do wspomagania i ulepszania procesu ekstrakcji katalitycznej (CEP) lub tak zwanej ekstrakcji z przeniesieniem fazowym (PTE). Ekstrakcja katalityczna obejmuje heterogeniczny, niemieszający się układ faz, taki jak ciecz-ciecz lub ciecz-ciało stałe. Ultradźwiękowe siły ścinające i kawitacyjne znacznie poprawiają szybkość rozpuszczania substancji rozpuszczonych, prowadząc do szybszej i pełniejszej ekstrakcji. Dodatkowo efekt ten można wykorzystać do zmniejszenia ilości używanego rozpuszczalnika lub kwasu. Jako sprawdzona technika, ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami jest coraz częściej stosowana ze względu na rosnące zapotrzebowanie na przyjazne dla środowiska techniki ekstrakcji ze skróconym czasem ekstrakcji i zmniejszonym zużyciem rozpuszczalników organicznych.

Ekstrakcja katalityczna/ekstrakcja z przeniesieniem fazy – Podstawy

Termin “Ekstrakcja katalityczna (CEP) lub ekstrakcja z przeniesieniem fazy (PTE) opisuje rozkład ciecz-ciecz lub ciało stałe-ciecz, gdy koncentruje się na ekstrakcji i usuwaniu analitów. Dlatego ciekły lub stały rozcieńczalnik musi zostać zdyspergowany/ zemulgowany w rozpuszczalniku (faza ciekła). Przez termin “ekstrahent” opisana jest tylko substancja czynna w rozpuszczalniku (tj. jednorodna "faza organiczna").’ który składa się z ekstrahenta, rozcieńczalnika i/lub modyfikatora), który jest przede wszystkim odpowiedzialny za przenoszenie substancji rozpuszczonej z "wodnego roztworu".’ do "organicznego’ faza. [IUPAC]. Substancja docelowa, która jest ekstrahowana, nazywana jest ekstraktem.
Tradycyjne metody ekstrakcji, takie jak ekstrakcja soxhleta, maceracja, mikrofale, perkolacja, ekstrakcja pod chłodnicą zwrotną i destylacja z parą wodną lub ekstrakcja turbo są często powolne i nieefektywne i/lub wymagają dużej ilości niebezpiecznych rozpuszczalników, co powoduje kosztowny i czasochłonny proces, który jest szkodliwy dla środowiska.
Ultradźwięki to sprawdzona alternatywa dla konwencjonalnych metod ekstrakcji, zapewniająca szybszą i pełniejszą ekstrakcję przy użyciu mniejszej ilości niebezpiecznych rozpuszczalników lub bez nich! Ultradźwięki to potężna technika ekologicznego, przyjaznego dla środowiska przetwarzania.

Zasada ekstrakcji katalitycznej wspomaganej ultradźwiękami

W celu ekstrakcji substancji, niemieszające się fazy muszą zostać wymieszane, tak aby substancja, która ma zostać wyekstrahowana, mogła zostać rozpuszczona z fazy nośnika do fazy rozpuszczalnika. Najczęściej ekstrakcje z przeniesieniem fazowym przeprowadza się z fazy rozproszonej do fazy ciągłej, co oznacza, że kropelki i cząstki muszą być jednorodnie rozproszone w rozpuszczalniku.
Ultradźwięki mocy to dobrze znana technologia mieszania i ekstrakcji, która ma kilka pozytywnych skutków dla procesu ekstrakcji:

Korzyści z ekstrakcji ultradźwiękowej:

• przerwać warstwy graniczne
• przezwyciężyć siły van der Waalsa
• przenieść nienasyconą ciecz na powierzchnię styku
• zmniejszyć lub wyeliminować potrzebę korzystania z usług agentów transferowych
• skrócenie czasu, obniżenie temperatury i/lub stężenia
• mniejszy nadmiar w porównaniu do objętości wymaganej do pełnego nasycenia
• mniejsza objętość do rafinacji (np. przez destylację, odparowanie, suszenie)
• brak reaktorów z ciągłym mieszaniem (CSR)
• oszczędzanie energii
• brak dozowania, ale przetwarzanie w linii
• użycie mniej kwaśnego lub tańszego rozpuszczalnika
• unikaj rozpuszczalników, zamiast nich używaj roztworów wodnych
• przetwarzanie zawiesin o wysokim stężeniu ciał stałych lub wysokiej lepkości
• Zielone przetwarzanie: przyjazne dla środowiska
• stosować kwasy organiczne, takie jak kwas jabłkowy lub cytrynowy
• unikanie wieloetapowych procesów ekstrakcji

ekstrakcja ciecz-ciecz

Proces konwencjonalny: Ekstrakcja ciecz-ciecz to metoda podziału polegająca na ekstrakcji substancji z jednej fazy ciekłej do innej fazy ciekłej w oparciu o substancje’ względnej rozpuszczalności w dwóch różnych niemieszających się fazach ciekłych. Zastosowanie ultradźwięków poprawia szybkość, z jaką substancja rozpuszczona jest przenoszona między dwiema fazami dzięki wysokiej wydajności mieszania, emulgacja, i Rozpuszczenie!
Ekstrakcja ciecz-ciecz to technika separacji służąca do izolowania i zatężania cennych składników z roztworu wodnego przy użyciu rozpuszczalnika organicznego. Ekstrakcja ciecz-ciecz jest często stosowana, gdy inne techniki separacji (np. destylacja) są nieskuteczne. Ekstrakcja ciecz-ciecz jest stosowana w przemyśle farmaceutycznym. & kosmetycznym (związki aktywne, API, substancje zapachowe), a także w przemyśle spożywczym i rolniczym, w chemii organicznej i nieorganicznej, przemyśle petrochemicznym i hydrometalurgii.

Problem: Powszechnym problemem jest niemieszalność faz ciekłych (rozpuszczalnik i rozcieńczalnik są niemieszalne), dlatego wymagana jest odpowiednia metoda mieszania. Ponieważ równomierne wymieszanie obu faz ciekłych sprzyja przenoszeniu faz między rozcieńczalnikiem a rozpuszczalnikiem, kluczowe znaczenie ma niezawodna metoda dyspergowania lub emulgowania. Im drobniejsza mieszanina i im większa powierzchnia kontaktu między obiema fazami, tym lepiej rozpuszczalnik może przemieszczać się z jednej fazy ciekłej do drugiej. Konwencjonalne procesy ekstrakcji w większości przypadków nie promują transferu masy, przez co proces ekstrakcji jest powolny i często niekompletny. Aby poprawić ekstrakcję, często stosuje się nadmierne ilości rozpuszczalnika, co sprawia, że proces jest kosztowny i zanieczyszcza środowisko.
 

 
Rozwiązanie: Ultradźwiękowa ekstrakcja ciecz-ciecz przewyższa tradycyjne techniki ekstrakcji ciecz-ciecz w różnych punktach:
Ultradźwięki mocy mieszają ze sobą dwie lub więcej faz ciekłych w sposób niezawodny i łatwy. Poprzez ultradźwięki, kropelki mogą być zredukowane do nano-rozmiaru, tak że drobne mikro- i nanoemulsje są uzyskiwane. W ten sposób generowane siły kawitacyjne promują przenoszenie masy między fazami ciekłymi. Ponieważ sonikacja może być prowadzona w ciągłym systemie inline, duże objętości i ciecze o wysokiej lepkości mogą być obsługiwane bez problemów.
Ale także mikroekstrakcja, np. do celów analitycznych, może być również ulepszona przez sonikację (np. mikroekstrakcja na bazie cieczy jonowej z emulgowaniem ultradźwiękowym).

Korzyści z ekstrakcji ultradźwiękowej:
Potężne siły ultradźwiękowe – generowane przez ultradźwięki o niskiej częstotliwości/wysokiej mocy – pomaga

• przekształcanie kropelek
• unikać środków do przenoszenia emulsji lub katalizatorów amfifilowych
• unikać stosowania detergentów lub środków powierzchniowo czynnych
• unikać katalizatorów amfifilowych, detergentów lub środków powierzchniowo czynnych
• generowanie turbulentnych, niestabilnych emulsji bez warstw środka powierzchniowo czynnego

Ekstrakcja ciał stałych i cieczy ulepszona przez ultradźwięki

Celem ekstrakcji ciało stałe-ciecz lub ekstrakcji do fazy stałej (SPE) jest oddzielenie analitów rozpuszczonych lub zawieszonych w ciekłej mieszaninie i wyizolowanie ich z matrycy zgodnie z ich właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Dlatego izolat jest wymywany z sorbentów za pomocą odpowiedniego rozpuszczalnika. Wyekstrahowana substancja nazywana jest eluentem.
Konwencjonalne techniki SPE to maceracja, ekstrakcja soxhleta, perkolacja, połączenie refluksu i destylacji z parą wodną lub szybkie mieszanie / turboekstrakcja. Ekstrakcja ciało stałe-ciecz jest powszechną procedurą oddzielania związków w biologii, chemii, a także w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i kosmetycznym. Ekstrakcja metali jest również znana jako ługowanie.
Problem: Konwencjonalne techniki SPE są znane jako czasochłonne i wymagają stosunkowo dużych ilości rozpuszczalników, które są w większości niebezpieczne dla środowiska i zanieczyszczają je. Wysokie temperatury procesu mogą nawet prowadzić do zniszczenia wrażliwych termicznie ekstraktów.
Rozwiązanie: Dzięki ultradźwiękowo wspomaganej ekstrakcji ciało stałe-ciecz, typowe problemy tradycyjnej SPE mogą być normalnie przezwyciężone. Ponieważ sonikacja zapewnia drobny rozkład ciał stałych w fazie rozpuszczalnika, dostępna jest większa granica międzyfazowa, dzięki czemu poprawia się przenoszenie masy substancji docelowej do rozpuszczalnika. Powoduje to szybszą i pełniejszą ekstrakcję, podczas gdy zużycie rozpuszczalnika jest zmniejszone lub całkowicie uniknięte (zamiast tego należy użyć wody jako fazy ciekłej). Dzięki zastosowaniu ultradźwięków mocy, ekstrakcja w fazie stałej może być przeprowadzona bardziej wydajne, ekonomiczne i przyjazne dla środowiska. Ze względu na redukcję lub unikanie zanieczyszczających lub niebezpiecznych rozpuszczalników, ekstrakcję ultradźwiękową można uznać za przyjazną dla środowiska Zielony proces. Z ekonomicznego punktu widzenia koszty procesu są niższe dzięki oszczędności energii, rozpuszczalnika i czasu.

ultradźwiękowa ekstrakcja rozpuszczalnikowa

W przypadku ekstrakcji rozpuszczalnikiem, rozpuszczalnik (np. rozpuszczalnik organiczny) jest używany do rozpuszczenia i oddzielenia związku od innej cieczy (np. fazy wodnej). Ogólnie rzecz biorąc, bardziej polarne substancje rozpuszczone rozpuszczają się w bardziej polarnym rozpuszczalniku, a mniej polarne substancje rozpuszczone w mniej polarnym rozpuszczalniku. Stosując ekstrakcję rozpuszczalnikową, możliwe jest oddzielenie utlenionych tiofenów (sulfotlenków, sulfonów) z fazy olejowej przy użyciu acetonitrylu lub innych rozpuszczalników polarnych. Ekstrakcja rozpuszczalnikowa jest również stosowana do ekstrakcji materiałów, takich jak uran, pluton lub tor z roztworów kwasowych do trifosforanów fosforoorganicznych.N-fosforan butylu (proces PUREX).
Zmniejsz zużycie rozpuszczalników: Zastosowanie ultradźwięków minimalizuje użycie rozpuszczalników w procesie i optymalizuje ładunek produktu w rozpuszczalniku. Prowadzi to również do szybszej i bardziej kompletnej ekstrakcji.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o odsiarczaniu utleniającym wspomaganym ultradźwiękami!

Ekstrakcja Soxhleta wspomagana ultradźwiękami

Ekstrakcja Soxhleta to technika ekstrakcji ciało stałe-ciecz często stosowana w laboratoriach syntetycznych i analitycznych. Ekstrakcja Soxhleta jest stosowana głównie wtedy, gdy substancja ma ograniczoną rozpuszczalność w rozpuszczalniku, a zanieczyszczenie jest nierozpuszczalne w tym rozpuszczalniku.
Ultradźwięki można z powodzeniem łączyć z ekstrakcją Soxhleta, co skutkuje zwiększoną wydajnością i krótszym czasem ekstrakcji.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ekstrakcji Soxhleta wspomaganej ultradźwiękami!

Ekstrakcja w stopionych materiałach przy użyciu sonikacji

Ekstrakcje ciecz-ciecz mogą być wykonywane w mieszaninach, w których jedna lub obie fazy ciekłe są stopione, takie jak stopione sole lub stopione metale, takie jak rtęć. Potężna sonikacja inline w ultradźwiękowych reaktorach przepływowych pozwala na przetwarzanie nawet cieczy o wysokiej lepkości, takich jak stopione.

Ługowanie wspomagane ultradźwiękami

Ługowanie opisuje użycie kwasów, rozpuszczalników lub gorącej wody w celu selektywnego rozpuszczenia substancji rozpuszczonej z obojętnego, nierozpuszczalnego stałego nośnika. Ługowanie jest często stosowane w górnictwie do wydobywania metali z rud.
Korzyści z ługowania ultradźwiękowego:

• mycie małych otworów materiałów porowatych
• przezwyciężyć selektywność membran
• niszczenie ciał stałych, rozwarstwianie i deaglomeracja ciał stałych
• usuwanie warstw pasywnych
• usuwanie warstw tlenków
• zwilżanie wszystkich powierzchni materiałów, w szczególności cieczy o wysokim napięciu powierzchniowym
• przerzedzanie ścinające

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ługowaniu ultradźwiękowym!

Sonikatory Hielscher dla dowolnej wielkości produkcji

Sonikacja w skali laboratoryjnej, stołowej i produkcyjnej: Wszystkie urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są zbudowane do pracy 24h/7d, nawet ultradźwiękowe homogenizatory laboratoryjne mogą przetwarzać znaczne objętości w trybie wsadowym lub przepływowym. Ultradźwięki stołowe i przemysłowe są zaprojektowane i zbudowane w klasie przemysłowej, dzięki czemu duże objętości i wysokie lepkości mogą być przetwarzane bez problemów – nawet w wymagających warunkach, takich jak wysokie ciśnienie i wysoka temperatura (np. w połączeniu z nadkrytycznym CO2, w procesach wytłaczania itp.) Wytrzymałe ultradźwięki firmy Hielscher są w stanie obsługiwać rozpuszczalniki, ciecze ścierne i substancje żrące. Odpowiednie akcesoria umożliwiają optymalne dostosowanie systemu ultradźwiękowego do wymagań procesu ekstrakcji. Do instalacji w środowiskach niebezpiecznych, z oceną ATEX lub FM Systemy ultradźwiękowe w wykonaniu przeciwwybuchowym są dostępne.
Dzięki temu solidne i wydajne sonikatory Hielscher oraz szeroka gama akcesoriów umożliwiają sonikację materiałów takich jak gorąca woda / ciecze, kwasy, stopione metale, stopione sole, rozpuszczalniki (np. metanol, heksan; organiczne, polarne rozpuszczalniki, np. acetonitryl).

Schemat blokowy: Etapy ekstrakcji ultradźwiękowej z przeniesieniem fazy