Sonochemické reakcie a syntéza
Sonochémia je aplikácia ultrazvuku na chemické reakcie a procesy. Mechanizmom spôsobujúcim sonochemické účinky v kvapalinách je jav akustickej kavitácie.
Ultrazvukové laboratórne a priemyselné zariadenia Hielscher sa používajú v širokej škále sonochemických procesov. Ultrazvuková kavitácia zintenzívňuje a urýchľuje chemické reakcie, ako sú syntéza a katalýza.
Sonochemické reakcie
Pri chemických reakciách a procesoch možno pozorovať nasledujúce sonochemické účinky:
- zvýšenie rýchlosti reakcie
- zvýšenie výťažku reakcie
- efektívnejšie využívanie energie
- sonochemické metódy na zmenu reakčnej dráhy
- zlepšenie účinnosti katalyzátorov fázového prenosu
- vylúčenie potreby katalyzátorov fázového prenosu
- použitie surových činidiel alebo činidiel technickej čistoty
- aktivácia kovov a tuhých látok
- zvýšenie reaktivity činidiel alebo katalyzátorov (kliknite sem a prečítajte si viac o katalýze podporovanej ultrazvukom)
- zlepšenie syntézy častíc
- povlakovanie nanočastíc
7 ultrazvukových homogenizátorov modelu UIP1000hdT (7x 1kW ultrazvukového výkonu) zapojených do zostavy na sonochemické reakcie v priemyselnom meradle.
Výhody chemických reakcií zintenzívnených ultrazvukom
Chemické reakcie podporované ultrazvukom sú zavedenou technikou intenzifikácie procesov v oblasti chemickej syntézy a spracovania. Využívaním energie ultrazvukových vĺn ponúkajú tieto reakcie oproti konvenčným metódam mnohé výhody a zlepšujú chemickú katalýzu a syntézu. Mimoriadne vysoké rýchlosti konverzie, vynikajúce výťažky, zvýšená selektivita, zlepšená energetická účinnosť a znížený vplyv na životné prostredie sú hlavnými výhodami sonochemických reakcií.
Nasledujúca tabuľka uvádza niektoré významné výhody reakcií podporovaných ultrazvukom v porovnaní s konvenčnými chemickými reakciami:
| Reakcia | Reakčný čas Konvenčná metóda |
Reakčný čas Ultrazvuk |
Výťažok Konvenčná metóda (%) |
Výťažok Ultrazvuk (%) |
|---|---|---|---|---|
| Dielsova–Alderova cyklizácia | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oxidácia indánu na indán-1-ón | 3 h | 3 h | menej ako 27% | 73% |
| Redukcia metoxyaminosilánu | žiadna reakcia | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidácia nenasýtených esterov mastných kyselín s dlhým reťazcom | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidácia arylalkánov | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michaelova adícia nitroalkánov na monosubstituované α,β-nenasýtené estery | 2 dni | 2 h | 85% | 90% |
| Oxidácia 2-oktanolu manganistanom | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Syntéza chalkónov Claisenovou–Schmidtovou kondenzáciou | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Ullmannovo kopulovanie 2-jódnitrobenzénu | 2 h | 2h | menej ako 1,5% | 70,4% |
| Reformatského reakcia | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách
Kavitácia, teda vznik, rast a implozívny kolaps bublín v kvapaline. Kavitačný kolaps spôsobuje intenzívny lokálny ohrev (~5000 K), vysoké tlaky (~1000 atm), mimoriadne vysoké rýchlosti ohrevu a ochladzovania (>10⁹ K/sec) a prúdové výstreky kvapaliny (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitácia pomocou UIP1000hd:
Kavitačné bubliny sú vákuové bubliny. Vákuum vzniká pôsobením rýchlo sa pohybujúceho povrchu na jednej strane a inertnej kvapaliny na druhej strane. Výsledné tlakové rozdiely slúžia na prekonanie kohéznych a adhéznych síl v kvapaline.
Kavitáciu možno vytvárať rôznymi spôsobmi, napríklad pomocou Venturiho dýz, vysokotlakových dýz, vysokorýchlostnej rotácie alebo ultrazvukových meničov. Vo všetkých týchto systémoch sa vstupná energia premieňa na trenie, turbulencie, vlny a kavitáciu. Podiel vstupnej energie, ktorý sa premieňa na kavitáciu, závisí od viacerých faktorov opisujúcich pohyb zariadenia vytvárajúceho kavitáciu v kvapaline.
Veľkosť zrýchlenia je jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich účinnú premenu energie na kavitáciu. Vyššie zrýchlenie vytvára väčšie tlakové rozdiely. To následne zvyšuje pravdepodobnosť vzniku vákuových bublín namiesto vzniku vĺn šíriacich sa kvapalinou. Čím vyššie je teda zrýchlenie, tým väčší je podiel energie, ktorý sa premieňa na kavitáciu. V prípade ultrazvukového meniča je veľkosť zrýchlenia opísaná amplitúdou kmitania.
Vyššie amplitúdy vedú k účinnejšiemu vytváraniu kavitácie. Priemyselné zariadenia spoločnosti Hielscher Ultrasonics dokážu vytvárať amplitúdy až do 115 µm. Tieto vysoké amplitúdy umožňujú vysoký podiel preneseného výkonu, čo následne umožňuje vytvárať vysoké hustoty výkonu až do 100 W/cm³.
Okrem veľkosti zrýchlenia je dôležité zrýchľovať kvapalinu tak, aby vznikali minimálne straty v dôsledku turbulencií, trenia a tvorby vĺn. Optimálny je na to pohyb v jednom smere.
Ultrazvukový reaktor s výkonom 16 000 wattov na sonochemicky intenzifikovanú prietokovú transesterifikáciu.
- príprava aktivovaných kovov redukciou kovových solí
- tvorba aktivovaných kovov sonikáciou
- sonochemická syntéza častíc zrážaním oxidov kovov (Fe, Cr, Mn, Co), napr. na použitie ako katalyzátory
- impregnácia nosičov kovmi alebo halogenidmi kovov
- príprava aktivovaných roztokov kovov
- reakcie zahŕňajúce kovy prostredníctvom organoprvkových častíc vytvorených in situ
- reakcie zahŕňajúce nekovové tuhé látky
- kryštalizácia a zrážanie kovov, zliatin, zeolitov a iných tuhých látok
- úprava morfológie povrchu a veľkosti častíc vysokorýchlostnými zrážkami medzi časticami
- tvorba amorfných nanoštruktúrovaných materiálov vrátane prechodných kovov s veľkým špecifickým povrchom, zliatin, karbidov, oxidov a koloidov
- aglomerácia kryštálov
- vyhladzovanie a odstraňovanie pasivačnej oxidovej vrstvy
- mikromanipulácia (frakcionácia) malých častíc
- dispergovanie tuhých látok
- príprava koloidov (Ag, Au, CdS s kvantovými rozmermi)
- interkalácia hosťujúcich molekúl do hostiteľských anorganických vrstevnatých tuhých látok
- sonochémia polymérov
- degradácia a modifikácia polymérov
- syntéza polymérov
- sonolýza organických znečisťujúcich látok vo vode
Sonochemické zariadenia
Väčšinu uvedených sonochemických procesov možno dodatočne upraviť na prietokovú prevádzku. Radi vám pomôžeme s výberom sonochemického zariadenia pre vaše potreby spracovania. Na výskum a testovanie procesov odporúčame naše laboratórne zariadenia alebo súpravu UIP1000hdT.
V prípade potreby sú k dispozícii ultrazvukové zariadenia a reaktory s certifikáciou FM a ATEX (napr. UIP1000-Exd) na sonikáciu horľavých chemikálií a produktových formulácií v nebezpečných prostrediach.
Ultrazvuková kavitácia mení reakcie otvárania kruhu
Ultrazvukové pôsobenie je alternatívnym mechanizmom iniciácie chemických reakcií k teplu, tlaku, svetlu alebo elektrine. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth a ich tím na Chemickej fakulte Illinoiskej univerzity v Urbana-Champaign využili ultrazvukový výkon na iniciovanie a riadenie reakcií otvárania kruhu. Pri sonikácii vznikali pri chemických reakciách produkty odlišné od produktov predpovedaných pravidlami orbitálnej symetrie (Nature 2007, 446, 423). Skupina naviazala mechanicky citlivé izoméry 1,2-disubstituovaného benzocyklobuténu na dva polyetylénglykolové reťazce, aplikovala ultrazvukovú energiu a analyzovala roztoky ako celok pomocou C13 spektroskopie nukleárnej magnetickej rezonancie. Spektrá ukázali, že cis aj trans izoméry poskytujú rovnaký produkt s otvoreným kruhom, a to produkt očakávaný pri trans izoméri. Zatiaľ čo tepelná energia spôsobuje náhodný Brownov pohyb reaktantov, mechanická energia ultrazvuku dáva pohybom atómov smer. Kavitačné účinky preto účinne usmerňujú energiu deformovaním molekuly, čím menia tvar povrchu potenciálnej energie.
Sondové ultrazvukové zariadenia, ako je UP400St zintenzívňujú syntézu nanočastíc. Sonochemický postup je jednoduchý, účinný, rýchly a využíva netoxické chemikálie za miernych podmienok.
Vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia pre sonochémiu
Hielscher Ultrasonics dodáva ultrazvukové procesory pre laboratóriá a priemysel. Všetky ultrazvukové zariadenia Hielscher sú veľmi výkonné a robustné ultrazvukové stroje skonštruované na nepretržitú prevádzku 24/7 pri plnom zaťažení. Digitálne ovládanie, programovateľné nastavenia, monitorovanie teploty, automatické zaznamenávanie údajov a diaľkové ovládanie prostredníctvom prehliadača sú len niektoré z funkcií ultrazvukových zariadení Hielscher. Používatelia oceňujú bezpečnú a jednoduchú obsluhu zariadení Hielscher Ultrasonics, ktoré sú navrhnuté na vysoký výkon a pohodlnú prevádzku. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher dosahujú amplitúdy až 200µm a sú ideálne na náročné aplikácie. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru.
Nasledujúca tabuľka uvádza orientačnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových zariadení:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zostava zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergovanie, emulgovanie a extrakciu v laboratórnom, poloprevádzkovom a priemyselnom meradle.
Literatúra / Referencie
- 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 vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórnej až po priemyselnú veľkosť.