Сонохимические реакции и синтез
Сонохимия – это применение ультразвука к химическим реакциям и процессам. Механизмом, вызывающим сонохимические эффекты в жидкостях, является акустическая кавитация.
Лабораторные и промышленные ультразвуковые устройства Hielscher используются в широком спектре сонохимических процессов. Ультразвуковая кавитация интенсифицирует и ускоряет химические реакции, такие как синтез и катализ.
Сонохимические реакции
В химических реакциях и процессах могут наблюдаться следующие сонохимические эффекты:
- повышение скорости реакции
- увеличение выхода продуктов реакции
- более эффективное использование энергии
- сонохимические методы изменения пути протекания реакции
- повышение эффективности катализаторов межфазного переноса
- отказ от использования катализаторов межфазного переноса
- использование неочищенных реагентов или реагентов технической чистоты
- активация металлов и твёрдых веществ
- повышение реакционной способности реагентов или катализаторов (нажмите здесь, чтобы узнать больше о катализе с применением ультразвука)
- улучшение синтеза частиц
- нанесение покрытий на наночастицы
7 ультразвуковых гомогенизаторов модели UIP1000hdT (7x 1kW ультразвуковой мощности), установленных в виде кластера для сонохимических реакций в промышленном масштабе.
Преимущества химических реакций, интенсифицированных ультразвуком
Химические реакции, активируемые ультразвуком, представляют собой проверенный метод интенсификации процессов в области химического синтеза и переработки. Благодаря использованию энергии ультразвуковых волн эти реакции обеспечивают многочисленные преимущества по сравнению с традиционными методами, улучшая химический катализ и синтез. Сверхвысокая скорость превращения, превосходный выход продуктов, повышенная селективность, улучшенная энергоэффективность и сниженное воздействие на окружающую среду – основные преимущества сонохимических реакций.
В таблице ниже показаны некоторые существенные преимущества реакций, активируемых ультразвуком, по сравнению с традиционными химическими реакциями:
| Реакция | Время реакции Традиционный метод |
Время реакции Ультразвук |
Выход Традиционный метод (%) |
Выход Ультразвук (%) |
|---|---|---|---|---|
| Циклизация Дильса–Альдера | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Окисление индана до indane-1-one | 3 h | 3 h | менее 27% | 73% |
| Восстановление метоксиаминосилана | реакция не происходит | 3 h | 0% | 100% |
| Эпоксидирование длинноцепочечных ненасыщенных сложных эфиров жирных кислот | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Окисление арилалканов | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Присоединение нитроалканов к монозамещённым α,β-ненасыщенным сложным эфирам по Михаэлю | 2 дня | 2 h | 85% | 90% |
| Окисление 2-octanol перманганатом | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Синтез халконов путём конденсации Кляйзена–Шмидта | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Сочетание 2-iodonitrobenzene по Ульману | 2 h | 2h | менее 1,5% | 70,4% |
| Реакция Реформатского | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ультразвуковая кавитация в жидкостях
Кавитация – это образование, рост и имплозивное схлопывание пузырьков в жидкости. Кавитационное схлопывание вызывает интенсивный локальный нагрев (~5000 K), высокие давления (~1000 atm), чрезвычайно высокие скорости нагрева и охлаждения (>10⁹ K/sec), а также струйные потоки жидкости (~400 km/h). (Suslick 1998)
Кавитация с использованием UIP1000hd:
Кавитационные пузырьки – это вакуумные пузырьки. Вакуум создаётся быстро движущейся поверхностью с одной стороны и инертной жидкостью с другой. Возникающие перепады давления позволяют преодолеть силы когезии и адгезии в жидкости.
Кавитацию можно создавать различными способами, например с помощью сопел Вентури, сопел высокого давления, высокоскоростного вращения или ультразвуковых преобразователей. Во всех этих системах подводимая энергия преобразуется в трение, турбулентность, волны и кавитацию. Доля подводимой энергии, преобразуемой в кавитацию, зависит от нескольких факторов, описывающих движение оборудования, создающего кавитацию, в жидкости.
Величина ускорения – один из важнейших факторов, влияющих на эффективность преобразования энергии в кавитацию. Более высокое ускорение создаёт более высокие перепады давления. Это, в свою очередь, повышает вероятность образования вакуумных пузырьков вместо волн, распространяющихся в жидкости. Таким образом, чем выше ускорение, тем больше доля энергии, преобразуемой в кавитацию. В случае ультразвукового преобразователя величина ускорения описывается амплитудой колебаний.
Более высокие амплитуды обеспечивают более эффективное создание кавитации. Промышленные устройства Hielscher Ultrasonics могут создавать амплитуды до 115 µm. Эти высокие амплитуды обеспечивают высокий коэффициент передачи мощности, что, в свою очередь, позволяет создавать высокую плотность мощности до 100 W/cm³.
Помимо величины ускорения, важно ускорять жидкость таким образом, чтобы свести к минимуму потери на турбулентность, трение и образование волн. Для этого оптимально движение в одном направлении.
Ультразвуковой реактор мощностью 16 000 ватт для сонохимически интенсифицированной переэтерификации в потоке.
- получение активированных металлов восстановлением солей металлов
- получение активированных металлов путём обработки ультразвуком
- сонохимический синтез частиц путём осаждения оксидов металлов (Fe, Cr, Mn, Co), например для использования в качестве катализаторов
- нанесение металлов или галогенидов металлов на носители методом пропитки
- получение активированных растворов металлов
- реакции с участием металлов посредством элементоорганических частиц, образующихся in situ
- реакции с участием неметаллических твёрдых веществ
- кристаллизация и осаждение металлов, сплавов, цеолитов и других твёрдых веществ
- изменение морфологии поверхности и размера частиц посредством высокоскоростных межчастичных столкновений
- образование аморфных наноструктурированных материалов, включая переходные металлы с высокой площадью поверхности, сплавы, карбиды, оксиды и коллоиды
- агломерация кристаллов
- сглаживание и удаление пассивирующего оксидного покрытия
- микроманипуляция (фракционирование) мелких частиц
- диспергирование твёрдых веществ
- получение коллоидов (Ag, Au, квантоворазмерный CdS)
- интеркаляция молекул-гостей в неорганические слоистые твёрдые вещества-хозяева
- сонохимия полимеров
- деструкция и модификация полимеров
- синтез полимеров
- сонолиз органических загрязняющих веществ в воде
Сонохимическое оборудование
Большинство упомянутых сонохимических процессов можно адаптировать для работы в потоке. Мы будем рады помочь вам выбрать сонохимическое оборудование для ваших технологических задач. Для исследований и испытаний процессов мы рекомендуем наши лабораторные устройства или комплект UIP1000hdT.
При необходимости доступны ультразвуковые устройства и реакторы, сертифицированные по FM и ATEX (например, UIP1000-Exd), для обработки ультразвуком легковоспламеняющихся химических веществ и составов продуктов во взрывоопасных средах.
Ультразвуковая кавитация изменяет реакции раскрытия цикла
Обработка ультразвуком представляет собой альтернативный механизм инициирования химических реакций наряду с нагревом, давлением, светом или электричеством. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth и их команда с химического факультета Иллинойсского университета в Урбане–Шампейне использовали ультразвуковую мощность для инициирования реакций раскрытия цикла и управления ими. При обработке ультразвуком химические реакции давали продукты, отличающиеся от предсказанных правилами орбитальной симметрии (Nature 2007, 446, 423). Группа связала механически чувствительные изомеры 1,2-disubstituted benzocyclobutene с двумя цепями полиэтиленгликоля, применила ультразвуковую энергию и проанализировала растворы в объёме с помощью C13 спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Спектры показали, что и цис-, и транс-изомеры дают один и тот же продукт с раскрытым циклом, ожидаемый для транс-изомера. В то время как тепловая энергия вызывает случайное броуновское движение реагентов, механическая энергия обработки ультразвуком задаёт направление движению атомов. Поэтому кавитационные эффекты эффективно направляют энергию, деформируя молекулу и изменяя поверхность потенциальной энергии.
Ультразвуковые устройства зондового типа, такие как UP400St, интенсифицируют синтез наночастиц. Сонохимический путь прост, эффективен, быстр и позволяет работать с нетоксичными химическими веществами в мягких условиях.
Высокопроизводительные ультразвуковые устройства для сонохимии
Hielscher Ultrasonics поставляет ультразвуковые процессоры для лабораторий и промышленности. Все ультразвуковые устройства Hielscher представляют собой очень мощные и прочные ультразвуковые машины, рассчитанные на непрерывную работу 24/7 при полной нагрузке. Цифровое управление, программируемые настройки, контроль температуры, автоматическое протоколирование данных и дистанционное управление через браузер – лишь некоторые функции ультразвуковых устройств Hielscher. Оборудование Hielscher Ultrasonics разработано для высокой производительности и удобной эксплуатации, и пользователи ценят безопасность и простоту обращения с ним. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher обеспечивают амплитуды до 200µm и идеально подходят для работы в тяжёлых условиях. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу.
Таблица ниже даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых устройств:
| Объём партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500mL | от 10 до 200mL/min | UP100H |
| от 10 до 2000mL | от 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| от 0,1 до 20L | от 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| от 10 до 100L | от 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | от 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | выше | кластер из UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Задайте нам вопрос!
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.
Литература / Ссылки
- 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 производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лабораторных до промышленных размеров.