Сонохимия и сонохимические реакторы

Сонохимия — это область химии, в которой ультразвук высокой интенсивности используется для индуцирования, ускорения и модификации химических реакций (синтез, катализ, деградация, полимеризация, гидролиз и т. д.). Ультразвуковая кавитация характеризуется уникальными энергоемкими условиями, которые способствуют и усиливают химические реакции. Более высокая скорость реакций, более высокий выход и использование зеленых, более мягких реагентов превращают сонохимию в очень выгодный инструмент для получения улучшенных химических реакций.

Сонохимия

Сонохимия — это область исследований и обработки, в которой молекулы вступают в химическую реакцию из-за применения ультразвука высокой интенсивности (например, 20 кГц). Явлением, ответственным за сонохимические реакции, является акустическая кавитация. Акустическая или ультразвуковая кавитация возникает, когда мощные ультразвуковые волны соединяются с жидкостью или суспензией. Из-за чередования циклов высокого и низкого давления, вызванных мощными ультразвуковыми волнами в жидкости, образуются вакуумные пузырьки (кавитационные пустоты), которые растут в течение нескольких циклов давления. Когда кавитационный пузырь вакуума достигает определенного размера, при котором он не может поглощать больше энергии, пузырь вакуума сильно взрывается и создает горячую точку с высокой энергетической плотностью. Эта локально возникающая горячая точка характеризуется очень высокими температурами, давлением и микропотоками чрезвычайно быстрых струй жидкости.

Акустическая кавитация и эффекты высокоинтенсивного ультразвука

Акустическую кавитацию, часто также называемую ультразвуковой кавитацией, можно разделить на две формы: стабильную и переходную кавитацию. Во время стабильной кавитации пузырь кавитации колеблется много раз вокруг своего равновесного радиуса, в то время как во время переходной кавитации, при которой короткоживущий пузырь претерпевает резкие изменения объема в течение нескольких акустических циклов и заканчивается сильным коллапсом (Suslick, 1988). Стабильная и переходная кавитация могут происходить одновременно в растворе, и пузырь, подвергающийся стабильной кавитации, может стать переходной полостью. Пузырьковая имплозия, характерная для переходной кавитации и высокоинтенсивной ультразвуковой обработки, создает различные физические условия, в том числе очень высокие температуры 5000–25 000 К, давления до нескольких 1000 бар и потоки жидкости со скоростями до 1000 м/с. Поскольку схлопывание/имплозия кавитационных пузырьков происходит менее чем за наносекунду, очень высокие скорости нагрева и охлаждения превышают 10¹¹ Можно наблюдать K/s. Такие высокие скорости нагрева и перепады давления могут инициировать и ускорять реакции. Что касается возникающих потоков жидкости, эти высокоскоростные микроструи демонстрируют особенно высокие преимущества, когда речь идет о гетерогенных твердо-жидких суспензиях. Струи жидкости ударяются о поверхность при полной температуре и давлении схлопывающегося пузыря и вызывают эрозию в результате столкновения между частицами, а также локального плавления. В результате наблюдается значительно улучшенный массоперенос в растворе.

Ультразвуковая кавитация наиболее эффективно создается в жидкостях и растворителях с низким давлением паров. Таким образом, среды с низким давлением паров подходят для применения в сонохимии.
В результате ультразвуковой кавитации создаваемые интенсивные силы могут переключать пути реакций на более эффективные пути, что позволяет избежать более полного преобразования и/или производства нежелательных побочных продуктов.
Энергоемкое пространство, созданное схлопыванием кавитационных пузырей, называется горячей точкой. Низкочастотный, мощный ультразвук в диапазоне 20 кГц и способность создавать высокие амплитуды хорошо зарекомендовали себя для генерации интенсивных горячих точек и благоприятных сонохимических условий.

Ультразвуковое лабораторное оборудование, а также промышленные ультразвуковые реакторы для коммерческих сонохимических процессов легко доступны и доказали свою надежность, эффективность и экологичность в лабораторном, пилотном и полностью промышленном масштабе. Сонохимические реакции могут осуществляться периодическим (т.е. в открытом сосуде) или поточным процессом с использованием реактора с закрытой проточной ячейкой.

Соносинтез

Соносинтез или сонохимический синтез — это применение ультразвуковой кавитации для инициирования и стимулирования химических реакций. Ультразвук высокой мощности (например, на частоте 20 кГц) оказывает сильное воздействие на молекулы и химические связи. Например, сонохимические эффекты, возникающие в результате интенсивной ультразвуковой обработки, могут привести к расщеплению молекул, образованию свободных радикалов и/или переключению химических путей. Поэтому сонохимический синтез интенсивно используется для изготовления или модификации широкого спектра наноструктурированных материалов. Примерами наноматериалов, полученных с помощью соносинтеза, являются наночастицы (НЧ) (например, золотые НЧ, серебряные НЧ), пигменты, наночастицы ядра-оболочки, нано-гидроксиапатит, металлические органические каркасы (MOF), активные фармацевтические ингредиенты (АФИ), наночастицы, декорированные микросферами, нанокомпозиты и многие другие материалы.
Примеры: Ультразвуковая переэтерификация метиловых эфиров жирных кислот (биодизель) или Переэтерификация полиолов с помощью ультразвука.

ПЭМ-изображение (А) и распределение его частиц по размерам (В) наночастиц серебра (Ag-NPs), которые были синтезированы сонохимическим путем в оптимальных условиях.

Также широко применяется ультразвуковая кристаллизация (сонокристаллизация), где силовой ультразвук используется для получения пересыщенных растворов, для инициирования кристаллизации / осаждения, а также для контроля размера и морфологии кристаллов с помощью ультразвуковых параметров процесса. Нажмите здесь, чтобы узнать больше о сонокристаллизации!

Сонокатализ

Ультразвуковая обработка химической суспензии или раствора позволяет значительно улучшить каталитические реакции. Сонохимическая энергия сокращает время реакции, улучшает тепло- и массообмен, что впоследствии приводит к увеличению константы химического нормы, выхода и селективности.
Существует множество каталитических процессов, которые значительно выигрывают от применения мощного ультразвука и его сонохимических эффектов. Любая реакция катализа с гетерогенным переносом фаз (PTC) с участием двух или более несмешивающихся жидкостей или композиции жидкость-твердое вещество выигрывает от ультразвука, сонохимической энергии и улучшенного массообмена.
Например, сравнительный анализ тихого и ультразвукового каталитического мокрого пероксидного окисления фенола в воде показал, что ультразвук снижает энергетический барьер реакции, но не оказывает влияния на ход реакции. Энергия активации для окисления фенола над RuI₃ установлено, что катализатор при ультразвуковой обработке составляет 13 кДж моль^-1, что было в четыре раза меньше по сравнению с процессом тихого окисления (57 кДж моль^-1). (Рохина и др., 2010)
Сонохимический катализ успешно используется для изготовления химических продуктов, а также для производства микрон- и наноструктурированных неорганических материалов, таких как металлы, сплавы, соединения металлов, неметаллические материалы и неорганические композиты. Распространенными примерами ультразвуковой ПТК являются переэтерификация свободных жирных кислот в метиловый эфир (биодизель), гидролиз, омыление растительных масел, соно-фентоновская реакция (фентоноподобные процессы), сонокаталитическая деградация и т.д.
Узнайте больше о сонокатализе и его применении!
Ультразвуковая обработка улучшает химию кликов, такую как азид-алкиновые реакции циклоприсоединения!

Другие применения в сонохимии

Благодаря своему универсальному применению, надежности и простоте в эксплуатации, такие сонохимические системы, как УП400Ст или УИП2000HDT ценятся как эффективное оборудование для проведения химических реакций. Ультразвуковые ультразвуковые устройства Hielscher могут быть легко использованы для периодической обработки (открытый стакан) и непрерывной поточной ультразвуковой обработки с использованием сонохимической проточной ячейки. Сонохимия, включая соносинтез, сонокатализ, деградацию или полимеризацию, широко используется в химии, нанотехнологиях, материаловедении, фармацевтике, микробиологии, а также в других отраслях промышленности.

Высокопроизводительное сонохимическое оборудование

Hielscher Ultrasonics является вашим ведущим поставщиком инновационных, современных ультразвуковых датчиков, сонохимических проточных ячеек, реакторов и аксессуаров для эффективных и надежных сонохимических реакций. Все ультразвуковые аппараты Hielscher эксклюзивно разработаны, изготовлены и испытаны в головном офисе Hielscher Ultrasonics в Тельтове (недалеко от Берлина), Германия. Помимо высочайших технических стандартов и выдающейся надежности, а также работы в режиме 24/7/365 для высокоэффективной работы, ультразвуковые аппараты Hielscher просты и надежны в эксплуатации. Высокая эффективность, интеллектуальное программное обеспечение, интуитивно понятное меню, автоматическое протоколирование данных и дистанционное управление через браузер – это лишь некоторые из особенностей, которые отличают Hielscher Ultrasonics от других производителей сонохимического оборудования.

Точно регулируемая амплитуда

Амплитуда — это смещение в передней части (кончике) сонотрода (также известного как ультразвуковой зонд или рупор) и является основным фактором, влияющим на ультразвуковую кавитацию. Более высокие амплитуды означают более интенсивную кавитацию. Требуемая интенсивность кавитации сильно зависит от типа реакции, используемых химических реагентов и целевых результатов конкретной сонохимической реакции. Это означает, что амплитуда должна быть точно отрегулирована, чтобы настроить интенсивность акустической кавитации до идеального уровня. Все ультразвуковые аппараты Hielscher могут быть надежно и точно отрегулированы с помощью интеллектуального цифрового управления до идеальной амплитуды. Для уменьшения или увеличения амплитуды механическим способом могут быть дополнительно использованы бустерные гудки. Ультразвук’ Промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.

Точный контроль температуры во время сонохимических реакций

В горячей точке кавитации могут наблюдаться чрезвычайно высокие температуры, составляющие многие тысячи градусов Цельсия. Тем не менее, эти экстремальные температуры локально ограничены мельчайшими внутренними частями и окружением схлопывающегося кавитационного пузыря. В сыпучем растворе повышение температуры от имплозии одного или нескольких кавитационных пузырьков незначительно. Но непрерывная, интенсивная ультразвуковая обработка в течение более длительных периодов времени может привести к постепенному повышению температуры объемной жидкости. Такое повышение температуры способствует многим химическим реакциям и часто считается полезным. Однако разные химические реакции имеют разную оптимальную температуру реакции. При обработке термочувствительных материалов может потребоваться контроль температуры. Для обеспечения идеальных тепловых условий во время сонохимических процессов компания Hielscher Ultrasonics предлагает различные сложные решения для точного контроля температуры во время сонохимических процессов, такие как сонохимические реакторы и проточные ячейки, оснащенные охлаждающими рубашками.
Наши сонохимические проточные ячейки и реакторы поставляются с охлаждающими рубашками, которые обеспечивают эффективный отвод тепла. Для непрерывного контроля температуры ультразвуковые аппараты Hielscher оснащены вставным датчиком температуры, который можно вставлять в жидкость для постоянного измерения объемной температуры. Сложное программное обеспечение позволяет устанавливать температурный диапазон. При превышении температурного предела ультразвуковой аппарат автоматически делает паузу до тех пор, пока температура в жидкости не снизится до определенного заданного значения, и снова начинает автоматическое ультразвуковое исследование. Все измерения температуры, а также другие важные данные ультразвукового процесса автоматически записываются на встроенную SD-карту и могут быть легко пересмотрены для управления процессом.
Температура является важнейшим параметром сонохимических процессов. Разработанная технология Hielscher поможет вам поддерживать температуру вашего сонохимического применения в идеальном температурном диапазоне.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: