Sonochimia și reactoarele sonochimice
Sonochimia este domeniul chimiei în care ultrasunetele de înaltă intensitate sunt utilizate pentru a induce, accelera și modifica reacțiile chimice (sinteză, cataliză, degradare, polimerizare, hidroliză etc.). Cavitația generată ultrasonically se caracterizează prin condiții unice dense de energie, care promovează și intensifică reacțiile chimice. Ratele de reacție mai rapide, randamentele mai mari și utilizarea reactivilor verzi și mai blânzi transformă sonochimia într-un instrument foarte avantajos pentru a obține reacții chimice îmbunătățite.
Sonochimie
Sonochemistry este domeniul de cercetare și prelucrare în care moleculele suferă o reacție chimică din cauza aplicării ultrasonication de înaltă intensitate (de exemplu, 20 kHz). Fenomenul responsabil pentru reacțiile sonochimice este cavitația acustică. Cavitația acustică sau ultrasonică apare atunci când undele puternice cu ultrasunete sunt cuplate într-un lichid sau suspensie. Datorită ciclurilor alternative de înaltă presiune / joasă presiune cauzate de undele cu ultrasunete de putere din lichid, se generează bule de vid (goluri cavitaționale), care cresc pe parcursul mai multor cicluri de presiune. Când bula de vid cavitațională atinge o anumită dimensiune în care nu poate absorbi mai multă energie, bula de vid face implozie violentă și creează un punct fierbinte foarte dens din punct de vedere energetic. Acest punct fierbinte local se caracterizează prin temperaturi foarte ridicate, presiuni și micro-streaming de jeturi de lichid extrem de rapide.
Reactorul cu lot închis din oțel inoxidabil este echipat cu ultrasonicator UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Cavitație acustică și efectele ultrasonication de înaltă intensitate
Cavitația acustică, adesea numită și cavitație cu ultrasunete, se poate distinge în două forme, cavitație stabilă și tranzitorie. În timpul cavitației stabile, bula de cavitație oscilează de mai multe ori în jurul razei sale de echilibru, în timp ce în timpul cavitației tranzitorii, în care o bulă de scurtă durată suferă modificări dramatice de volum în câteva cicluri acustice și se termină într-un colaps violent (Suslick 1988). Cavitația stabilă și tranzitorie poate apărea simultan în soluție și o bulă supusă cavitației stabile poate deveni o cavitate tranzitorie. Implozia cu bule, care este caracteristică pentru cavitație tranzitorie și sonicare de mare intensitate, creează diverse condiții fizice, inclusiv temperaturi foarte ridicate de 5000-25.000 K, presiuni de până la mai multe 1000 bar, și fluxuri lichide cu viteze de până la 1000m / s. Deoarece colapsul / implozia bulelor de cavitație are loc în mai puțin de o nanosecundă, rate foarte mari de încălzire și răcire depășesc 1011 K/s pot fi observate. Astfel de rate ridicate de încălzire și diferențe de presiune pot iniția și accelera reacțiile. În ceea ce privește fluxurile lichide care apar, aceste microjeturi de mare viteză prezintă beneficii deosebit de mari atunci când vine vorba de suspensii solide-lichide eterogene. Jeturile de lichid lovesc suprafața cu temperatura și presiunea completă a bulei care se prăbușește și provoacă eroziune prin coliziunea interparticulelor, precum și topirea localizată. În consecință, se observă un transfer de masă semnificativ îmbunătățit în soluție.
Cavitația cu ultrasunete este cel mai eficient generată în lichide și solvenți cu presiuni scăzute de vapori. Prin urmare, mediile cu presiuni scăzute de vapori sunt favorabile pentru aplicații sonochimice.
Ca urmare a cavitației cu ultrasunete, forțele intense create pot schimba căile de reacții la căi mai eficiente, astfel încât conversiile mai complete și / sau producția de subproduse nedorite sunt evitate.
Spațiul dens energetic creat prin prăbușirea bulelor de cavitație se numește punct fierbinte. Ultrasunetele de joasă frecvență, de mare putere în intervalul de 20kHz și capacitatea de a crea amplitudini mari sunt bine stabilite pentru generarea de puncte fierbinți intense și condițiile sonochimice favorabile.
Echipamente de laborator cu ultrasunete, precum și reactoare industriale cu ultrasunete pentru procese sonochimice comerciale sunt ușor disponibile și dovedite ca fiind fiabile, eficiente, și ecologice pe laborator, pilot și complet industriale scară. Reacțiile sonochimice pot fi efectuate ca lot (adică vas deschis) sau proces în linie folosind un reactor cu celule cu flux închis.
sono-sinteză
Sono-sinteza sau sinteza sonochimică este aplicarea cavitației generate ultrasonically pentru a iniția și promova reacții chimice. Ultrasonication de mare putere (de exemplu, la 20 kHz) prezintă efecte puternice asupra moleculelor și legăturilor chimice. De exemplu, efectele sonochimice care rezultă din sonicare intensă poate duce la divizarea moleculelor, crearea radicalilor liberi, și / sau schimbarea căilor chimice. Prin urmare, sinteza sonochimică este intens utilizată pentru fabricarea sau modificarea unei game largi de materiale nanostructurate. Exemple de nanomateriale produse prin sonosinteză sunt nanoparticulele (NPs) (de exemplu, NPs de aur, NPs de argint), pigmenții, nanoparticulele de miez-shell, nano-hidroxiapatită, cadre organice metalice (MOF), ingrediente farmaceutice active (API), nanoparticule decorate cu microsfere, nanocompozite, printre multe alte materiale.
Exemple: Transesterificarea cu ultrasunete a esterilor metilici ai acizilor grași (biodiesel) sau transesterificarea poliolilor cu ultrasunete.
Imaginea TEM (A) și distribuția dimensiunii particulelor (B) a nanoparticulelor de argint (Ag-NPs), care au fost sintetizate sonochimic în condiții optime.
De asemenea, aplicat pe scară largă este cristalizarea promovată ultrasonically (sono-cristalizare), în cazul în care puterea-ultrasunete este utilizat pentru a produce soluții suprasaturate, pentru a iniția cristalizarea / precipitarea, și de a controla dimensiunea cristalului și morfologia prin parametrii procesului cu ultrasunete. Faceți clic aici pentru a afla mai multe despre sono-cristalizare!
sono-cataliză
Sonicarea unei suspensii sau soluții chimice poate îmbunătăți semnificativ reacțiile catalitice. Energia sonochimică reduce timpul de reacție, îmbunătățește transferul de căldură și masă, ceea ce duce ulterior la creșterea constantelor ratei chimice, a randamentelor și a selectivităților.
Există numeroase procese catalitice, care beneficiază drastic de aplicarea ultrasunetelor de putere și a efectelor sale sonochimice. Orice reacție eterogenă de cataliză de transfer de fază (PTC) care implică două sau mai multe lichide nemiscibile sau o compoziție lichid-solid, beneficiază de sonicare, energia sonochimică și transferul de masă îmbunătățit.
De exemplu, analiza comparativă a oxidării silențioase și ultrasonically asistate catalitic umed peroxid de fenol în apă a arătat că sonicare redus bariera energetică a reacției, dar nu a avut nici un impact asupra căii de reacție. Energia de activare pentru oxidarea fenolului peste RuI3 catalizator în timpul sonicare sa dovedit a fi 13 kJ mol-1, care a fost de patru ori mai mic în comparație cu procesul de oxidare silențioasă (57 kJ mol-1). (Rokhina și colab., 2010)
Cataliza sonochimică este utilizată cu succes pentru fabricarea produselor chimice, precum și pentru fabricarea materialelor anorganice micronice și nanostructurate, cum ar fi metalele, aliajele, compușii metalici, materialele nemetalice și compozitele anorganice. Exemple comune de PTC asistat ultrasonically sunt transesterificarea acizilor grași liberi în esteri metilici (biodiesel), hidroliză, saponificarea uleiurilor vegetale, reacția sono-Fenton (procese asemănătoare Fenton), degradarea sonocatalitică etc.
Citiți mai multe despre sono-cataliză și aplicații specifice!
Sonicare îmbunătățește chimia clicurilor, cum ar fi reacțiile de cicloadiție azidă-alchin!
Alte aplicații sonochimice
Datorită utilizării lor versatile, fiabilității și funcționării simple, sistemele sonochimice, cum ar fi UP400St sau UIP2000hdT sunt evaluate ca echipamente eficiente pentru reacțiile chimice. Hielscher Ultrasonics dispozitive sonochimice pot fi ușor utilizate pentru lot (pahar deschis) și sonicare continuă inline folosind o celulă de flux sonochimice. Sonochimia, inclusiv sono-sinteza, sono-cataliza, degradarea sau polimerizarea, sunt utilizate pe scară largă în chimie, nanotehnologie, știința materialelor, farmaceutice, microbiologie, precum și în alte industrii.
ultrasonicator industrial UIP2000hdT (2kW) cu reactor sonochimic în linie.
Echipamente sonochimice de înaltă performanță
Hielscher Ultrasonics este furnizorul dvs. de top de ultrasonicators inovatoare, de ultimă generație, celulă de flux sonochimic, reactoare și accesorii pentru reacții sonochimice eficiente și fiabile. Toate ultrasonicators Hielscher sunt exclusiv proiectate, fabricate și testate la sediul Hielscher Ultrasonics în Teltow (lângă Berlin), Germania. Pe lângă cele mai înalte standarde tehnice și robustețe remarcabilă și funcționare 24/7/365 pentru o funcționare extrem de eficientă, ultrasonicators Hielscher sunt ușor și fiabil de operat. Eficiență ridicată, software inteligent, meniu intuitiv, protocolare automată a datelor și telecomandă browser sunt doar câteva caracteristici care disting Hielscher Ultrasonics de alți producători de echipamente sonochimice.
Amplitudini reglabile cu precizie
Amplitudinea este deplasarea în partea din față (vârful) sonotrodei (cunoscută și sub numele de sondă cu ultrasunete sau corn) și este principalul factor de influență al cavitației cu ultrasunete. Amplitudinile mai mari înseamnă cavitație mai intensă. Intensitatea necesară a cavitației depinde puternic de tipul de reacție, de reactivii chimici utilizați și de rezultatele vizate ale reacției sonochimice specifice. Aceasta înseamnă că amplitudinea trebuie să fie reglabilă cu precizie pentru a regla intensitatea cavitației acustice la nivelul ideal. Toate ultrasonicators Hielscher pot fi ajustate în mod fiabil și precis printr-un control digital inteligent la amplitudinea ideală. Coarnele de rapel pot fi utilizate suplimentar pentru a reduce sau crește mecanic amplitudinea. Ultrasonics’ Procesoarele industriale cu ultrasunete pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile.
Control precis al temperaturii în timpul reacțiilor sonochimice
În punctul fierbinte de cavitație, pot fi observate temperaturi extrem de ridicate de multe mii de grade Celsius. Cu toate acestea, aceste temperaturi extreme sunt limitate local la interiorul minuscul și la împrejurimile bulei de cavitație care implodează. În soluția în vrac, creșterea temperaturii de la implozie cu una sau câteva bule de cavitație este neglijabilă. Dar sonicare continuă, intensă pentru perioade mai lungi poate provoca o creștere incrementală a temperaturii lichidului în vrac. Această creștere a temperaturii contribuie la multe reacții chimice și este adesea considerată benefică. Cu toate acestea, diferite reacții chimice au temperaturi optime de reacție diferite. Când sunt tratate materiale sensibile la căldură, poate fi necesar controlul temperaturii. Pentru a permite condiții termice ideale în timpul proceselor sonochimice, Hielscher Ultrasonics oferă diverse soluții sofisticate pentru controlul precis al temperaturii în timpul proceselor sonochimice, ar fi reactoare sonochimice și celule de flux echipate cu mantale de răcire.
Celulele noastre cu flux sonochimic și reactoarele sunt disponibile cu mantale de răcire, care susțin o disipare eficientă a căldurii. Pentru monitorizarea continuă a temperaturii, ultrasonicators Hielscher sunt echipate cu un senzor de temperatură pluggable, care poate fi introdus în lichid pentru măsurarea constantă a temperaturii în vrac. Software-ul sofisticat permite setarea unui interval de temperatură. Când limita de temperatură este depășită, ultrasonicator se întrerupe automat până când temperatura din lichid a scăzut la un anumit punct de referință și începe automat sonicare din nou. Toate măsurătorile de temperatură, precum și alte date importante de proces cu ultrasunete sunt înregistrate automat pe un card SD încorporat și pot fi revizuite cu ușurință pentru controlul procesului.
Temperatura este un parametru crucial al proceselor sonochimice. Tehnologia elaborată de Hielscher vă ajută să mențineți temperatura aplicației sonochimice în intervalul ideal de temperatură.
- eficiență ridicată
- tehnologie de ultimă generație
- ușor și sigur de operat
- fiabilitate & robustețe
- Lot & Inline
- pentru orice volum
- Software inteligent
- Caracteristici inteligente (de exemplu, protocoale de date)
- CIP (curățare pe loc)
Reactor sonochimic: sonicare intensă și cavitație rezultată inițiază și intensifică reacțiile chimice și poate schimba chiar căi.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:
| Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500 ml | 10 până la 200 ml/min | UP100H |
| 10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 până la 20L | 00.2 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 | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersie, emulsionare și extracție pe laborator, pilot și scară industrială.
Exemple pentru reacția chimică îmbunătățită ultrasonically vs reacțiile convenționale
Tabelul de mai jos oferă o imagine de ansamblu asupra mai multor reacții chimice comune. Pentru fiecare tip de reacție, reacția convențională față de reacția intensificată ultrasonically sunt comparate în ceea ce privește randamentul și viteza de conversie.
| reacție | Timp de reacție – Convențional | Timp de reacție – Ultrasonics | face – Convenționale (%) | face – Ultrasonics (%) |
|---|---|---|---|---|
| Ciclizarea Diels-Alder | 35 ore | 3.5 ore | 77.9 | 97.3 |
| Oxidarea indanului la indane-1-onă | 3 ore | 3 ore | mai puțin de 27% | 73% |
| Reducerea metoxiaminosilanului | nici o reacție | 3 ore | 0% | 100% |
| Epoxidarea esterilor grași nesaturați cu lanț lung | 2 ore | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidarea arilalcanilor | 4 ore | 4 ore | 12% | 80% |
| Michael adăugarea de nitroalcani la esteri monosubstituiți α,β-nesaturați | 2 zile | 2 ore | 85% | 90% |
| Oxidarea permanganatului de 2-octanol | 5 ore | 5 ore | 3% | 93% |
| Sinteza calconelor prin condensare CLaisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Cuplarea UIllmann a 2-iodonitrobenzenului | 2 ore | 2Ore | mai puțin bronz 1,5% | 70.4% |
| Reacția Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(cf. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, prima ediție. Publicat în 2019 de Wiley)
Literatură / Referințe
- 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.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la Laborator spre dimensiunea industrială.