Сонохимические реакции и синтез

Сонохимия – это применение ультразвука к химическим реакциям и процессам. Механизмом, вызывающим сонохимические эффекты в жидкостях, является явление акустической кавитации.

Ультразвуковые лабораторные и промышленные приборы Hielscher используются в широком спектре сонохимических процессов. Ультразвуковая кавитация усиливает и ускоряет химические реакции, такие как синтез и катализ.

Сонохимические реакции

В химических реакциях и процессах можно наблюдать следующие сонохимические эффекты:

• увеличение скорости реакции
• Увеличение производительности реакции
• Более эффективное использование энергии
• Сонохимические методы переключения хода реакции
• Повышение производительности катализаторов фазового переноса
• Исключение использования катализаторов фазового переноса
• использование сырых или технических реагентов
• активация металлов и твердых тел
• повышение реакционной способности реагентов или катализаторов (Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом катализе)
• Совершенствование синтеза частиц
• покрытие наночастицами

Преимущества ультразвуковых интенсифицированных химических реакций

Ультразвуковые химические реакции являются признанным методом интенсификации процессов в области химического синтеза и переработки. Используя силу ультразвуковых волн, эти реакции имеют множество преимуществ по сравнению с традиционными методами, улучшая химический катализ и синтез. Турбо-быстрые коэффициенты конверсии, отличный выход, повышенная селективность, повышенная энергоэффективность и сниженное воздействие на окружающую среду являются основными преимуществами сонохимических реакций.

Продувка стола демонстрирует некоторые заметные преимущества реакции с ультразвуковым давлением по сравнению с обычными химическими реакциями:

Ультразвуковая кавитация в жидкостях

Кавитация, то есть образование, рост и имплозивное схлопывание пузырьков в жидкости. Кавитационный коллапс приводит к интенсивному локальному нагреву (~5000 К), высокому давлению (~1000 атм) и огромным скоростям нагрева и охлаждения (>109 К/с) и жидкие струйные течения (~400 км/ч). (Suslick 1998)

Кавитация с использованием метода УИП1000HD:

Кавитационные пузыри – это вакуумные пузыри. Вакуум создается быстро движущейся поверхностью с одной стороны и инертной жидкостью с другой. Возникающие в результате перепады давлений служат для преодоления сил сцепления и адгезии внутри жидкости.

Кавитация может быть произведена различными способами, такими как форсунки Вентури, форсунки высокого давления, высокоскоростное вращение или ультразвуковые преобразователи. Во всех этих системах входная энергия преобразуется в трение, турбулентность, волны и кавитацию. Доля входной энергии, которая преобразуется в кавитацию, зависит от нескольких факторов, описывающих движение кавитационного генерирующего оборудования в жидкости.

Интенсивность ускорения является одним из важнейших факторов, влияющих на эффективное преобразование энергии в кавитацию. Более высокое ускорение создает большую разницу давлений. Это, в свою очередь, увеличивает вероятность создания вакуумных пузырей вместо создания волн, распространяющихся по жидкости. Таким образом, чем выше ускорение, тем выше доля энергии, которая преобразуется в кавитацию. В случае ультразвукового преобразователя интенсивность ускорения описывается амплитудой колебаний.

Более высокие амплитуды приводят к более эффективному созданию кавитации. Промышленные устройства Hielscher Ultrasonics могут создавать амплитуды до 115 мкм. Эти высокие амплитуды обеспечивают высокий коэффициент передачи мощности, что, в свою очередь, позволяет создавать высокую плотность мощности до 100 Вт/см³.

Помимо интенсивности, жидкость должна быть ускорена таким образом, чтобы создать минимальные потери с точки зрения турбулентности, трения и генерации волн. Для этого оптимальным способом является одностороннее направление движения.

Ультразвук используется из-за его воздействия в таких процессах, как:

• Получение активированных металлов путем восстановления солей металлов
• Генерация активированных металлов методом ультразвука
• сонохимический синтез частиц путем осаждения оксидов металлов (Fe, Cr, Mn, Co), например, для использования в качестве катализаторов
• пропитка металлов или галогенидов металлов на опорах
• приготовление растворов активированных металлов
• реакции с участием металлов с помощью элементорганических соединений, генерируемых in situ
• реакции с участием неметаллических твердых тел
• кристаллизация и осаждение металлов, сплавов, цеолитов и других твердых веществ
• изменение морфологии поверхности и размера частиц при высокоскоростных столкновениях между частицами
  • Формирование аморфных наноструктурированных материалов, в том числе переходных металлов с большой площадью поверхности, сплавов, карбидов, оксидов и коллоидов
  • агломерация кристаллов
  • Сглаживание и удаление пассивирующего оксидного покрытия
  • Микроманипуляции (фракционирование) мелких частиц
• диспергирование твердых частиц
• получение коллоидов (Ag, Au, CdS размера Q)
• Интеркаляция гостевых молекул в неорганические слоистые твердые тела хозяина
• Сонохимия полимеров
  • деградация и модификация полимеров
  • синтез полимеров
• сонолиз органических загрязнителей в воде

Сонохимическое оборудование

Большинство из упомянутых сонохимических процессов могут быть модернизированы для работы в потоке. Мы будем рады помочь Вам в выборе сонохимического оборудования для Ваших производственных нужд. Для проведения исследований и тестирования процессов мы рекомендуем наши лабораторные приборы или Комплект UIP1000hdT.

При необходимости ультразвуковые приборы и реакторы, сертифицированные FM и ATEX (например, UIP1000-Exd) доступны для ультразвуковой обработки легковоспламеняющихся химических веществ и составов продуктов в опасных средах.

Ультразвуковые кавитационные изменения Реакции размыкания кольца

Ультразвук является альтернативным механизму для инициирования химических реакций по отношению к теплу, давлению, свету или электричеству. Джеффри С. Мур, Чарльз Р. Хикенбот и их команда в Химический факультет Иллинойского университета в Урбане-Шампейне использует ультразвуковую энергию для запуска и манипулирования реакциями размыкания колец. При ультразвуковой обработке химические реакции генерировали продукты, отличные от предсказанных правилами орбитальной симметрии (Nature 2007, 446, 423). Группа связала механически чувствительные 1,2-дизамещенные изомеры бензоциклобутена с двумя цепями полиэтиленгликоля, применила ультразвуковую энергию и проанализировала объемные растворы с помощью С¹³ Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Спектры показали, что оба цис- и транс-изомера дают один и тот же продукт с кольцевым открытием, который ожидается от транс-изомера. В то время как тепловая энергия вызывает случайное броуновское движение реагентов, механическая энергия ультразвука задает направление движениям атомов. Таким образом, кавитационные эффекты эффективно направляют энергию, напрягая молекулу, изменяя форму поверхности потенциальной энергии.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для сонохимии

Hielscher Ultrasonics поставляет ультразвуковые процессоры для лабораторий и промышленности. Все ультразвуковые аппараты Hielscher являются очень мощными и надежными ультразвуковыми аппаратами и предназначены для непрерывной работы в режиме 24/7 при полной нагрузке. Цифровое управление, программируемые настройки, мониторинг температуры, автоматическое протоколирование данных и удаленное управление через браузер - это лишь некоторые из особенностей ультразвуковых аппаратов Hielscher. Разработанное для обеспечения высокой производительности и комфортной работы, пользователи ценят безопасное и простое обращение с ультразвуковым оборудованием Hielscher. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher обеспечивают амплитуду до 200μм и идеально подходят для тяжелых условий эксплуатации. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: