Сонохимия – это область химии, где высокоинтенсивное УЗИ используется для индуцирования, ускорения и модификации химических реакций (синтез, катализ, деградация, полимеризация, гидролиз и т.д.). Ультрасонически генерируемая кавитация характеризуется уникальными энергоемкими условиями, которые способствуют и усиливают химические реакции. Более быстрые скорости реакции, более высокие урожаи и использование зеленых, более мягких реагентов превращают сонохимию в очень выгодный инструмент для получения улучшенных химических реакций.

Sonochemistry

Сонохимия – это область исследований и обработки, в которой молекулы подвергаются химической реакции из-за применения высокоинтенсивной ультразвуковой системы (например, 20 кГц). Явлением, ответственным за сонохимические реакции, является акустическая кавитация. Акустическая или ультразвуковая кавитация происходит, когда мощные ультразвуковые волны соединены в жидкость или суспензию. Из-за чередования циклов высокого и низкого давления, вызванных ультразвуковыми волнами питания в жидкости, генерируются вакуумные пузырьки (кавитации пустоты), которые растут в течение нескольких циклов давления. Когда кавитации вакуумный пузырь достигает определенного размера, где он не может поглощать больше энергии, вакуумный пузырь взрывается яростно и создает очень энергоемкие горячие точки. Эта локально возникаюющая горячая точка характеризуется очень высокими температурами, давлением и микростримингом чрезвычайно быстрых жидких струй.

Акустическая кавитация и эффекты высокоинтенсивной ультразвуковой системы

Акустическая кавитация, часто называемая ультразвуковой кавитацией, можно отличить на две формы, стабильную и преходящую кавитацию. Во время стабильной кавитации пузырь кавитации много раз колеблется вокруг своего равновесного радиуса, в то время как во время переходной кавитации, при которой недолговечный пузырь претерпевает резкие изменения объема в течение нескольких акустических циклов и заканчивается в насильственном коллапсе (Suslick 1988). Стабильная и преходящая кавитация может происходить одновременно в растворе и пузырь, проходящий стабильную кавитацию, может стать преходящей полостью. Пузырь взрыва, который характерен для преходящей кавитации и высокой интенсивности sonication, создает различные физические условия, включая очень высокие температуры 5000-25000 K, давление до нескольких 1000 бар, и жидкие потоки со скоростью до 1000 м / с. Так как коллапс/взрыв пузырьков кавитации происходит менее чем за наносекунду, очень высокие темпы нагрева и охлаждения превышают 10^{11 Год} K/s можно наблюдать. Такие высокие темпы нагрева и дифференциалы давления могут инициировать и ускорять реакции. Что касается происходящих жидких потоков, эти высокоскоростные микрореактивные самолеты показывают особенно высокие преимущества, когда дело доходит до неоднородных твердожидких шламов. Струи жидкости посягают на поверхность при полной температуре и давлении разрушающегося пузыря и вызывают эрозию в результате столкновения междучастицами, а также локализованного таяния. Следовательно, наблюдается значительно улучшенная массовая передача раствора.

Ультразвуковая кавитация наиболее эффективно генерируется в жидкостях и растворителях остроумие низкого давления пара. Таким образом, средства массовой информации с низким давлением пара являются благоприятными для сонохимических приложений.
В результате ультразвуковой кавитации созданные интенсивные силы могут переключать пути реакций на более эффективные маршруты, с тем чтобы избежать более полного преобразования и/или производства нежелательных побочных продуктов.
Энергоемкое пространство, созданное в результате обрушения пузырьков кавитации, называется горячей точкой. Низкочастотное, высокоэлитное УЗИ 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 экологию в лабораторных, экспериментальных и полностью промышленных масштабах. Сонохимические реакции могут осуществляться в качестве партии (т.е. открытого сосуда) или в режиме в строке с использованием реактора закрытой ячейки потока.

Sono-Синтез

Соно-синтез или сонохимический синтез – это применение ультрасонически генерируемой кавитации для инициирования и поощрения химических реакций. Высокомощная ультразвуковая энергия (например, при 20 кГц) показывает сильное воздействие на молекулы и химические связи. Например, сонохимические эффекты, возникающие в результате интенсивной звуковой обработки, могут привести к расщеплению молекул, созданию свободных радикалов и/или к переключению химических путей. Поэтому сонохимический синтез интенсивно используется для изготовления или модификации широкого спектра наноструктурированных материалов. Примерами наноматериалов, производимых с помощью соно-синтеза, являются наночастицы (NPs) (например, золотые NPs, серебряные NPs), пигменты, наночастицы сердечник-оболочки, наногидроксиапатит, металлические органические каркасы (MOFs), активные фармацевтические ингредиенты (API), микросфера украшенные наночастицы, нано-композиты среди многих других материалов.
Примеры: Ультразвуковая переэтерификация метиловых эфиров жирных кислот (биодизель) или переэтерификация полиолов с помощью ультразвука,

Изображение TEM (A) и распределение размера частиц (B) наночастиц серебра (Ag-NPs), которые были сонохимически синтезированы в оптимальных условиях.

Также широко применяется ультрасонически способствовали кристаллизации (соно-кристаллизации), где власть-ультразвук используется для производства супернасыщенных растворов, чтобы инициировать кристаллизации / осадков, а также контролировать размер кристалла и морфологии с помощью ультразвуковых параметров процесса. Нажмите здесь, чтобы узнать больше о соно-кристаллизации!

Sono-Катализ

Sonicating химической подвески или раствора может значительно улучшить каталитические реакции. Сонохимическая энергия сокращает время реакции, улучшает тепло и передачу массы, что впоследствии приводит к увеличению химических констант, урожаев и селективности.
Существует множество каталитических процессов, которые кардинально отличаются от применения силового ультразвука и его сонохимического воздействия. Любая неоднородная фаза переноса катализа (PTC) с участием двух или более неиммимных жидкостей или жидко-твердого состава, выигрывает от соника, сонохимической энергии и улучшенной передачи массы.
Например, сравнительный анализ бесшумного и ультрасонически-с помощью каталитического мокрого окисления фенола в воде показал, что звуковое воздействие уменьшило энергетический барьер реакции, но не повлияло на реакцию пути. Энергия активации для окисления фенола над RuI₃ катализатором во время sonication было установлено, что 13 kJ мол^-1, который был в четыре раза меньше по сравнению с тихим процессом окисления (57 kJ 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, металлические соединения, неметаллические материалы и неорганические композиты. Распространенными примерами ультрасонически ассистированного ПТК являются трансэстеризация свободных жирных кислот в метиловый эстер (биодизель), гидролиз, сапонификация растительных масел, соно-фентонная реакция (фентон-как процессы), сонокаталитическое деградация и т.д.
Узнайте больше о соно-катализе и конкретных приложениях!
Обработка ультразвуком улучшает химию щелчков, такую как реакции циклоприсоединения азид-алкина!

Другие сонохимические приложения

Благодаря их универсальному использованию, надежности и простой эксплуатации, сонохимические системы, такие как UP400St или UIP2000hdT ценятся как эффективное оборудование для химических реакций. Hielscher Ultrasonics sonochemical devices можно легко использовать для партии (открытого стакана) и непрерывной звуковой линии с помощью сонохимической клетки потока. Сонохимия, включая соно-синтез, соно-катализ, деградацию или полимеризацию, широко используется в химии, нанотехнологиях, материаловедении, фармацевтике, микробиологии, а также в других отраслях промышленности.

Высокоэстинное сонохимическое оборудование

Hielscher Ultrasonics является вашим главным поставщиком инновационных, современных ультразвуковых средств, сонохимических клеток потока, реакторов и аксессуаров для эффективных и надежных сонохимических реакций. Все ультразвуковые системы Hielscher предназначены исключительно для работы, производства и тестирования в штаб-квартире Hielscher Ultrasonics в Тельтоу (недалеко от Берлина), Германия. Помимо самых высоких технических стандартов и выдающейся надежности и 24/7/365 для высокоэффективной работы, ультразвуковые системы Hielscher просты и надежны в эксплуатации. Высокая эффективность, умное программное обеспечение, интуитивно понятное меню, автоматическая протокольная система данных и пульт дистанционного управления браузером — вот лишь несколько функций, которые отличают Hielscher Ultrasonics от других производителей сонохимического оборудования.

Точно регулируемые амплитуды

Амплитуда является смещение на передней (наконечник) сонотрода (также известный как ультразвуковой зонд или рога) и является основным фактором влияния ультразвуковой кавитации. Более высокие амплитуды означают более интенсивную кавитацию. Необходимая интенсивность кавитации сильно зависит от типа реакции, используемых химических реагентов и целевых результатов специфической сонохимической реакции. Это означает, что амплитуда должна быть точно регулируемой для того, чтобы настроить интенсивность акустической кавитации до идеального уровня. Все ультразвуковые средства Hielscher могут быть надежно и точно скорректированы с помощью интеллектуального цифрового управления к идеальной амплитуде. Бустер рога могут быть дополнительно использованы для уменьшения или увеличения амплитуды механически. Ультразвук’ промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечить очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200 мкм могут быть легко непрерывно запущены в 24 / 7 операции. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.

Точный контроль температуры во время сонохимических реакций

В горячей точке кавитации можно наблюдать чрезвычайно высокие температуры в тысячи градусов по Цельсию. Тем не менее, эти экстремальные температуры ограничены локально минутой интерьера и окружения взрыва кавитации пузыря. В растворе навалом повышение температуры при взрыве одного или нескольких пузырьков кавитации незначительно. Но непрерывная, интенсивная sonication в течение более длительных периодов может вызвать постепенное увеличение температуры навалом жидкости. Это повышение температуры способствует многим химическим реакциям и часто считается полезным. Однако различные химические реакции имеют различную оптимальную температуру реакции. При обработке теплочувствительных материалов может потребоваться контроль температуры. Для того, чтобы обеспечить идеальные тепловые условия во время сонохимических процессов, Hielscher Ultrasonics предлагает различные сложные решения для точного контроля температуры во время сонохимических процессов, таких как сонохимические реакторы и потоковые элементы, оснащенные охлаждающими куртками.
Наши сонохимические потоковые элементы и реакторы доступны с охлаждающими куртками, которые поддерживают эффективное рассеивание тепла. Для непрерывного мониторинга температуры ультразвуковые средства Hielscher оснащены подключенным датчиком температуры, который может быть вставлен в жидкость для постоянного измерения массовой температуры. Сложное программное обеспечение позволяет устанавливать температурный диапазон. Когда температурный предел превышен, ультразвуковой автоматически останавливается до тех пор, пока температура в жидкости не опустится до определенной установленной точки и не начнет автоматически звуковой снова. Все измерения температуры, а также другие важные ультразвуковые данные процесса автоматически регистрируются на встроенной SD-карте и могут быть легко пересмотрены для управления процессом.
Температура является важнейшим параметром сонохимических процессов. Разработанная технология Hielscher помогает поддерживать температуру вашего сонохимического применения в идеальном температурный диапазон.

В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов: