Sonochimia este domeniul chimiei în care ultrasunetele de mare intensitate sunt utilizate pentru a induce, accelera și modifica reacțiile chimice (sinteză, catalizare, degradare, polimerizare, hidroliză etc.). Cavitația generată ultrasonically se caracterizează prin condiții unice densă de energie, care promovează și intensifică reacțiile chimice. Ratele de reacție mai rapide, randamentele mai mari și utilizarea reactivilor verzi și mai ușori transformă sonochimia într-un instrument foarte avantajos pentru a obține reacții chimice îmbunătățite.

Sonochemistry

Sonochemistry este domeniul de cercetare și prelucrare în care moleculele suferă o reacție chimică din cauza aplicării ultrasonication de mare intensitate (de exemplu, 20 kHz). Fenomenul responsabil pentru reacțiile sonochimice este cavitația acustică. Cavitația acustică sau cu ultrasunete apare atunci când undele ultrasonice puternice 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 mai multe cicluri de presiune. Când balonul de vid cavitațional atinge o anumită dimensiune în cazul 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 lichide extrem de rapide.

Cavitație acustică și efectele ultrasonication de mare intensitate

Cavitația acustică, adesea numită și cavitație cu ultrasunete, poate fi distinsă în două forme, cavitație stabilă și tranzitorie. În timpul cavitației stabile, bula de cavitație oscilează de 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 ale volumului 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 diferite condiții fizice, inclusiv temperaturi foarte ridicate de 5000-25.000 K, presiuni de până la mai multe 1000 bari 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 mai mari de 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 eterogene solid-lichid. Jeturile lichide afectează suprafața cu temperatura și presiunea completă a bulei care se prăbușește și provoacă eroziune prin coliziune interparticulară, precum și topire 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 wit presiuni scăzute de vapori. Prin urmare, mediile cu presiuni scăzute de vapori sunt favorabile pentru aplicațiile sonochimice.
Ca urmare a cavitației cu ultrasunete, forțele intense create pot comuta căile de reacții pe rute mai eficiente, astfel încât să fie evitate conversiile mai complete și / sau producția de subproduse nedorite.
Spațiul dens de energie creat de 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 ridicate 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 procesele sonochimice comerciale sunt ușor disponibile și dovedite ca fiabile, eficiente, și ecologice pe laborator, pilot și pe scară complet industrială. Reacțiile sonochimice pot fi efectuate ca lot (adică navă deschisă) 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) arată efecte puternice asupra moleculelor și legături chimice. De exemplu, efectele sonochimice care rezultă din sonicare intensă poate duce la divizarea moleculelor, crearea de radicali liberi, și / sau schimbarea căilor chimice. Sinteza sonochimică este, prin urmare, intens utilizată pentru fabricarea sau modificarea unei game largi de materiale nano-structurate. Exemple de nanomateriale produse prin sono-sinteză sunt nanoparticulele (NPs) (de exemplu, NPs de aur, NPs de argint), pigmenții, nanoparticulele de cochilie de bază, nano hidroxiapatită. cadre organice metalice (MOF), ingrediente farmaceutice active (API), nanoparticule decorate cu microsferă, nano-compozite printre multe alte materiale.
Exemple: Transesterificarea cu ultrasunete a esterilor metilici ai acizilor grași (biodiesel) sau transesterificarea poliolilor cu ajutorul ultrasunetelor.

Imagine TEM (A) și distribuția dimensiunii particulelor (B) de nanoparticule 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 o folosit pentru a produce soluții suprasaturate, pentru a iniția cristalizare / precipitații, și de control dimensiunea cristalului și morfologie prin parametrii procesului cu ultrasunete. Click aici pentru a afla mai multe despre sono-cristalizare!

Sono-Cataliza

Sonicarea unei suspensii chimice sau a unei soluții poate îmbunătăți semnificativ reacțiile catalitice. Energia sonochimică reduce timpul de reacție, îmbunătățește transferul de căldură și masă, ceea ce duce ulterior la creșterea constantelor, randamentelor și selectivităților ratei chimice.
Există numeroase procese catalitice, care beneficiază drastic de aplicarea ultrasunetelor de putere și a efectelor sale sonochimice. Orice reacție eterogenă de transfer de fază (PTC) care implică două sau mai multe lichide nemiscibile sau o compoziție lichid-solidă, beneficiază de sonicare, de energia sonochimică și de transferul de masă îmbunătățit.
De exemplu, analiza comparativă a oxidării catalitice catalolitice catalitice a fenolului în apă a arătat că sonicarea a redus bariera energetică a reacției, dar nu a avut niciun 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 de}, care a fost de patru ori mai mică în comparație cu procesul de oxidare silențios (57 kJ mol^{-1 de}). (Rokhina et al, 2010)
Cataliza sonochimică este utilizată cu succes pentru fabricarea produselor chimice, precum și pentru fabricarea de materiale anorganice nano- și nanostructurate, ar fi metale, aliaje, compuși metalici, materiale nemetalice și compozite anorganice. Exemple comune de PTC asistată ultrasonically sunt transesterificarea acizilor grași liberi în ester metilic (biodiesel), hidroliză, saponificarea uleiurilor vegetale, reacția sono-Fenton (procese asemănătoare Fenton), degradarea sonocatalitică etc.
Citiți mai multe despre sono-cataliza și aplicațiile specifice!
Sonicare îmbunătățește chimia clic, cum ar fi reacțiile cicloloaddition azide-alchină!

Alte aplicații sonochimice

Datorită utilizării lor versatile, fiabilității și funcționării simple, sistemele sonochimice, ar fi UP400St sau UIP2000hdT sunt evaluate ca echipamente eficiente pentru reacții chimice. Hielscher ultrasonics dispozitive sonochimice pot fi utilizate cu ușurință pentru lot (pahar deschis) și sonicare continuă inline folosind o celulă de flux sonochimic. Sonochimistry, inclusiv sono-sinteza, sono-cataliza, degradare, sau polimerizare sunt utilizate pe scară largă în chimie, nanotehnologie, știința materialelor, farmaceutice, microbiologie, precum și în alte industrii.

Echipamente sonochimice de înaltă performanță

Hielscher Ultrasonics este furnizorul de top de ultrasonicators inovatoare, de ultimă generație, celule de flux sonochimice, reactoare și accesorii pentru reacții sonochimice eficiente și fiabile. Toate ultrasonicators Hielscher sunt proiectate exclusiv, 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 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-ului 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) sonotrodului (cunoscută și sub numele de sondă cu ultrasunete sau corn) și este principalul factor de influență al cavitației cu ultrasunete. Amplitudinile mai mari înseamnă o cavitație mai intensă. Intensitatea necesară a cavitației depinde în mare măsură de tipul de reacție, reactivii chimici utilizați și rezultatele țintite ale reacției sonochimice specifice. Aceasta înseamnă că amplitudinea trebuie să fie precis reglabilă 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 a crește amplitudinea mecanic. Ultrasonics’ procesoare industriale cu ultrasunete poate oferi amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor de rulat continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mare, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile.

Controlul precis al temperaturii în timpul reacțiilor sonochimice

În focarul de cavitație, se pot observa temperaturi extrem de ridicate de multe mii de grade Celsius. Cu toate acestea, aceste temperaturi extreme sunt limitate la nivel local la interiorul minute și împrejurimile bulei de cavitație imploding. În soluția în vrac, creșterea temperaturii de la implozie o singură sau câteva bule de cavitație este neglijabilă. Dar sonicare continuă, intensă pentru perioade mai lungi poate provoca o creștere incrementală a temperaturii lichidului 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. Atunci când sunt tratate materiale sensibile la căldură, poate fi necesară 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 jachete de răcire.
Celulele și reactoarele noastre cu flux sonochimic sunt disponibile cu jachete de răcire, care susțin o disipare eficientă a căldurii. Pentru monitorizarea continuă a temperaturii, ultrasonicators Hielscher sunt echipate cu un senzor de temperatură conectabil, 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 automat pauze până când temperatura în lichid a scăzut la un anumit punct stabilit și începe sonicare automat 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 hielscher vă ajută să mențineți temperatura aplicației sonochimice în intervalul de temperatură ideal.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre: