Reacții și sinteză sonochimice
Sonochimia este aplicarea ultrasunetelor în reacțiile și procesele chimice. Mecanismul care cauzează efectele sonochimice în lichide este fenomenul de cavitație acustică.
Dispozitivele cu ultrasunete Hielscher de laborator și industriale sunt utilizate într-o gamă largă de procese sonochimice. Cavitația ultrasonică intensifică și accelerează reacțiile chimice precum sinteza și cataliza.
Reacții sonochimice
Următoarele efecte sonochimice pot fi observate în reacțiile și procesele chimice:
- creșterea vitezei de reacție
- creșterea producției reacției
- utilizarea mai eficientă a energiei
- metode sonochimice pentru schimbarea căii de reacție
- îmbunătățirea performanței catalizatorilor de transfer de fază
- evitarea catalizatorilor de transfer de fază
- utilizarea reactivilor bruți sau tehnici
- activarea metalelor și a solidelor
- creșterea reactivității reactivilor sau a catalizatorilor (faceți clic aici pentru a citi mai multe despre cataliza asistată de ultrasunete)
- îmbunătățirea sintezei particulelor
- acoperirea nanoparticulelor
7 omogenizatoare cu ultrasunete ale modelului UIP1000hdT (putere ultrasonică 7x 1kW) instalate în cluster pentru reacții sonochimice la scară industrială.
Avantajele reacțiilor chimice intensificate cu ultrasunete
Reacțiile chimice promovate cu ultrasunete reprezintă o tehnică consacrată de intensificare a proceselor în domeniul sintezei și prelucrării chimice. Valorificând puterea undelor ultrasonice, aceste reacții oferă numeroase avantaje față de metodele convenționale, îmbunătățind cataliza și sinteza chimică. Vitezele de conversie turbo-rapide, randamentele excelente, selectivitatea sporită, eficiența energetică îmbunătățită și impactul redus asupra mediului sunt principalele avantaje ale reacțiilor sonochimice.
Tabelul de mai jos prezintă câteva avantaje importante ale reacțiilor promovate cu ultrasunete față de reacțiile chimice convenționale:
| Reacție | Timp de reacție convențional |
Timp de reacție cu ultrasunete |
Randament convențional (%) |
Randament cu ultrasunete (%) |
|---|---|---|---|---|
| Ciclizare Diels-Alder | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oxidarea indanului la indane-1-one | 3 h | 3 h | mai puțin de 27% | 73% |
| Reducerea metoxiaminosilanului | nicio reacție | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidarea esterilor grași nesaturați cu catenă lungă | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidarea arilalcanilor | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Adiția Michael a nitroalcanilor la esteri α,β-nesaturați monosubstituiți | 2 zile | 2 h | 85% | 90% |
| Oxidarea compusului 2-octanol cu permanganat | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Sinteza calconelor prin condensare Claisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Cuplarea Ullmann a compusului 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2h | mai puțin de 1,5% | 70,4% |
| Reacția Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Cavitația ultrasonică în lichide
Cavitația, adică formarea, creșterea și colapsul imploziv al bulelor într-un lichid. Colapsul cavitațional produce o încălzire locală intensă (~5000 K), presiuni ridicate (~1000 atm), viteze enorme de încălzire și răcire (>10⁹ K/sec) și jeturi de lichid (~400 km/h). (Suslick 1998)
Cavitație generată cu UIP1000hd:
Bulele de cavitație sunt bule de vid. Vidul este creat de o suprafață care se mișcă rapid pe o parte și de un lichid inert pe cealaltă. Diferențele de presiune rezultate servesc la învingerea forțelor de coeziune și adeziune din lichid.
Cavitația poate fi produsă în diferite moduri, de exemplu cu duze Venturi, duze de înaltă presiune, rotație de mare viteză sau traductoare ultrasonice. În toate aceste sisteme, energia de intrare este transformată în frecare, turbulențe, unde și cavitație. Fracțiunea din energia de intrare care este transformată în cavitație depinde de mai mulți factori care descriu mișcarea echipamentului generator de cavitație în lichid.
Intensitatea accelerației este unul dintre cei mai importanți factori care influențează transformarea eficientă a energiei în cavitație. O accelerație mai mare creează diferențe de presiune mai mari. Aceasta, la rândul său, crește probabilitatea formării bulelor de vid în locul formării undelor care se propagă prin lichid. Astfel, cu cât accelerația este mai mare, cu atât este mai mare fracțiunea din energie care este transformată în cavitație. În cazul unui traductor ultrasonic, intensitatea accelerației este descrisă de amplitudinea oscilației.
Amplitudinile mai mari conduc la o generare mai eficientă a cavitației. Dispozitivele industriale Hielscher Ultrasonics pot genera amplitudini de până la 115 µm. Aceste amplitudini ridicate permit un raport ridicat de transmitere a puterii, ceea ce permite, la rândul său, obținerea unor densități de putere ridicate de până la 100 W/cm³.
Pe lângă intensitate, lichidul ar trebui accelerat astfel încât să se producă pierderi minime sub formă de turbulențe, frecare și generare de unde. În acest scop, modul optim este o direcție unilaterală de mișcare.
Reactor cu ultrasunete de 16.000 de wați pentru transesterificare inline îmbunătățită sonochimic.
- prepararea metalelor activate prin reducerea sărurilor metalice
- generarea metalelor activate prin sonicare
- sinteza sonochimică a particulelor prin precipitarea oxizilor metalici (Fe, Cr, Mn, Co), de ex. pentru utilizare drept catalizatori
- impregnarea metalelor sau a halogenurilor metalice pe suporturi
- prepararea soluțiilor de metale activate
- reacții care implică metale prin intermediul speciilor organoelement generate in situ
- reacții care implică solide nemetalice
- cristalizarea și precipitarea metalelor, aliajelor, zeoliților și a altor solide
- modificarea morfologiei suprafeței și a dimensiunii particulelor prin coliziuni interparticulare de mare viteză
- formarea materialelor nanostructurate amorfe, inclusiv metale de tranziție cu suprafață specifică mare, aliaje, carburi, oxizi și coloizi
- aglomerarea cristalelor
- netezirea și îndepărtarea stratului de oxid pasivant
- micromanipularea (fracționarea) particulelor mici
- dispersarea solidelor
- prepararea coloizilor (Ag, Au, CdS de dimensiune Q)
- intercalarea moleculelor oaspete în solide anorganice stratificate gazdă
- sonochimia polimerilor
- degradarea și modificarea polimerilor
- sinteza polimerilor
- sonoliza poluanților organici din apă
Echipamente sonochimice
Majoritatea proceselor sonochimice menționate pot fi adaptate pentru a funcționa inline. Vom fi bucuroși să vă ajutăm să alegeți echipamentul sonochimic potrivit nevoilor dumneavoastră de procesare. Pentru cercetare și pentru testarea proceselor, vă recomandăm dispozitivele noastre de laborator sau setul UIP1000hdT.
Dacă este necesar, dispozitive și reactoare cu ultrasunete certificate FM și ATEX (de ex. UIP1000-Exd) sunt disponibile pentru sonicarea substanțelor chimice inflamabile și a formulărilor de produse în medii periculoase.
Cavitația ultrasonică modifică reacțiile de deschidere a ciclului
Ultrasonicarea este un mecanism alternativ la căldură, presiune, lumină sau electricitate pentru inițierea reacțiilor chimice. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth și echipa lor de la Facultatea de Chimie a Universității Illinois din Urbana-Champaign au folosit puterea ultrasunetelor pentru a declanșa și manipula reacții de deschidere a ciclului. Sub sonicare, reacțiile chimice au generat produși diferiți de cei preziși de regulile de simetrie orbitală (Nature 2007, 446, 423). Grupul a legat de două lanțuri de polietilenglicol izomeri sensibili mecanic ai compusului 1,2-disubstituted benzocyclobutene, a aplicat energie ultrasonică și a analizat soluțiile în masă folosind spectroscopia C13 de rezonanță magnetică nucleară. Spectrele au arătat că atât izomerul cis, cât și izomerul trans furnizează același produs cu ciclul deschis, cel așteptat de la izomerul trans. În timp ce energia termică provoacă mișcarea browniană aleatorie a reactanților, energia mecanică a ultrasonicării conferă o direcție mișcărilor atomice. Prin urmare, efectele cavitaționale direcționează eficient energia prin tensionarea moleculei, remodelând suprafața de energie potențială.
Sonicatoarele cu sondă precum UP400St intensifică sinteza nanoparticulelor. Calea sonochimică este simplă, eficace, rapidă și funcționează cu substanțe chimice netoxice în condiții blânde.
Ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru sonochimie
Hielscher Ultrasonics furnizează procesoare cu ultrasunete pentru laborator și industrie. Toate ultrasonicatoarele Hielscher sunt aparate cu ultrasunete foarte puternice și robuste, construite pentru funcționare continuă 24/7 la sarcină maximă. Controlul digital, setările programabile, monitorizarea temperaturii, înregistrarea automată a datelor și controlul de la distanță prin browser sunt doar câteva dintre caracteristicile ultrasonicatoarelor Hielscher. Echipamentele Hielscher Ultrasonics sunt concepute pentru performanță ridicată și operare confortabilă, iar utilizatorii apreciază manipularea lor sigură și ușoară. Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher furnizează amplitudini de până la 200µm și sunt ideale pentru aplicații solicitante. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:
| Volumul șarjei | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500mL | 10 până la 200mL/min | UP100H |
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 până la 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | cluster de UIP16000 |
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersare, emulsionare și extracție la scară de laborator, pilot și industrială.
Literatură / Referințe
- 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 produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la laborator până la dimensiune industrială.