Sonochemické reakcie a syntéza
Sonochémia je aplikácia ultrazvuku na chemické reakcie a procesy. Mechanizmus spôsobujúci sonochemické účinky v kvapalinách je fenomén akustickej kavitácie.
Ultrazvukové laboratórne a priemyselné zariadenia spoločnosti Hielscher sa používajú v širokej škále sonochemických procesov. Ultrazvuková kavitácia zintenzívňuje a urýchľuje chemické reakcie, ako je syntéza a katalýza.
Sonochemické reakcie
V chemických reakciách a procesoch možno pozorovať nasledujúce sonochemické účinky:
- zvýšenie rýchlosti reakcie
- zvýšenie reakčného výstupu
- efektívnejšie využívanie energie
- Sonochemické metódy na prepínanie reakčnej dráhy
- zlepšenie výkonu katalyzátorov na prenos fázy
- Vyhýbanie sa katalyzátorom na prenos fázy
- použitie surových alebo technických činidiel
- aktivácia kovov a pevných látok
- zvýšenie reaktivity činidiel alebo katalyzátorov (Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukom asistovanej katalýze)
- zlepšenie syntézy častíc
- poťahovanie nanočastíc
7 ultrazvukových homogenizátorov model UIP1000hdT (7x 1kW ultrazvukový výkon) inštalovaný ako klaster pre sonochemické reakcie v priemyselnom meradle.
Výhody ultrazvukovo zosilnených chemických reakcií
Ultrazvukom podporované chemické reakcie sú zavedenou technikou intenzifikácie procesov v oblasti chemickej syntézy a spracovania. Využitím sily ultrazvukových vĺn ponúkajú tieto reakcie oproti konvenčným metódam množstvo výhod a zlepšujú chemickú katalýzu a syntézu. Turborýchle miery konverzie, vynikajúce výnosy, zvýšená selektivita, zlepšená energetická účinnosť a znížený vplyv na životné prostredie sú hlavnými výhodami sonochemických reakcií.
Úder na stôl ukazuje niektoré významné výhody ultrazvukom podporovanej reakcie v porovnaní s konvenčnými chemickými reakciami:
| reakcia | Reakčný čas Konvenčný | Reakčný čas Ultrazvukom | výnos Konvenčné (%) | výnos Ultrazvuk (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alderova cyklizácia | 35 h | 3,5 h | 77.9 | 97.3 |
| Oxidácia indánu na indán-1-on | 3 h | 3 h | menej ako 27 % | 73% |
| Zníženie metoxyaminosilánu | žiadna reakcia | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidácia nenasýtených mastných esterov s dlhým reťazcom | 2 h | 15 minút | 48% | 92% |
| Oxidácia arylalkánov | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michael pridal nitroalkány do monosubstituovaných α β-nenasýtených esterov | 2 dni | 2 h | 85% | 90% |
| Oxidácia 2-oktanolu manganistanom | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Syntéza chalkónov kondenzáciou CLaisen-Schmidt | 60 minút | 10 min | 5% | 76% |
| UIllmannova spojka 2-jodonitrobenzénu | 2 h | 2H | menej opálenia 1,5 % | 70.4% |
| Reformatsky reakcia | 12h | 30 minút | 50% | 98% |
Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách
Kavitácia, teda tvorba, rast a imploziívny kolaps bublín v kvapaline. Kavitačný kolaps spôsobuje intenzívne lokálne zahrievanie (~5000 K), vysoké tlaky (~1000 atm) a enormné rýchlosti zahrievania a chladenia (>109 K/s) a prúdy kvapaliny (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitácia pomocou UIP1000hd:
Kavitačné bubliny sú vákuové bubliny. Vákuum vytvára rýchlo sa pohybujúci povrch na jednej strane a inertná kvapalina na druhej strane. Výsledné tlakové rozdiely slúžia na prekonanie kohéznych a adhéznych síl v kvapaline.
Kavitáciu je možné vyrábať rôznymi spôsobmi, ako sú Venturiho dýzy, vysokotlakové dýzy, vysokorýchlostné otáčanie alebo ultrazvukové prevodníky. Vo všetkých týchto systémoch sa vstupná energia premieňa na trenie, turbulencie, vlny a kavitáciu. Podiel vstupnej energie, ktorá sa transformuje na kavitáciu, závisí od niekoľkých faktorov popisujúcich pohyb zariadenia na výrobu kavitácie v kvapaline.
Intenzita zrýchlenia je jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich efektívnu premenu energie na kavitaciu. Vyššie zrýchlenie vytvára vyššie tlakové rozdiely. To zase zvyšuje pravdepodobnosť vytvorenia vákuových bublín namiesto vytvárania vĺn šíriacich sa kvapalinou. Čím vyššie je teda zrýchlenie, tým vyšší je zlomok energie, ktorá sa premieňa na kavitáciu. V prípade ultrazvukového prevodníka je intenzita zrýchlenia opísaná amplitúdou oscilácie.
Vyššie amplitúdy majú za následok efektívnejšiu tvorbu kavitácie. Priemyselné zariadenia spoločnosti Hielscher Ultrasonics dokážu vytvárať amplitúdy až 115 μm. Tieto vysoké amplitúdy umožňujú vysoký pomer prenosu výkonu, čo zase umožňuje vytvárať vysoké hustoty výkonu až 100 W/cm³.
Okrem intenzity by sa kvapalina mala urýchliť tak, aby sa vytvorili minimálne straty z hľadiska turbulencií, trenia a generovania vĺn. Na tento účel je optimálnym spôsobom jednostranný smer pohybu.
Ultrazvukový reaktor s výkonom 16 000 wattov pre sonochemicky vylepšenú inline transesterifikáciu.
- príprava aktivovaných kovov redukciou solí kovov
- Tvorba aktivovaných kovov sonikáciou
- sonochemická syntéza častíc zrážaním oxidov kovov (Fe, Cr, Mn, Co), napr. na použitie ako katalyzátory
- impregnácia kovov alebo halogenidov kovov na podpery
- Príprava roztokov aktivovaných kovov
- reakcie zahŕňajúce kovy prostredníctvom in situ generovaných organoprvkov
- reakcie zahŕňajúce nekovové pevné látky
- kryštalizácia a zrážanie kovov, zliatin, zeolitov a iných pevných látok
- Modifikácia morfológie povrchu a veľkosti častíc zrážkami medzi časticami pri vysokej rýchlosti
- tvorba amorfných nanoštruktúrovaných materiálov vrátane prechodných kovov, zliatin, karbidov, oxidov a koloidov s veľkou povrchovou plochou
- aglomerácia kryštálov
- vyhladenie a odstránenie pasivačného oxidového povlaku
- Mikromanipulácia (frakcionácia) malých častíc
- disperzia pevných látok
- príprava koloidov (Ag, Au, CdS veľkosti Q)
- interkalácia hosťujúcich molekúl do hostiteľských anorganických vrstvených pevných látok
- Sonochémia polymérov
- degradácia a modifikácia polymérov
- Syntéza polymérov
- sonolýza organických znečisťujúcich látok vo vode
Sonochemické zariadenia
Väčšinu spomínaných sonochemických procesov je možné dodatočne vybaviť tak, aby fungovali inline. Radi vám pomôžeme pri výbere sonochemického zariadenia pre vaše potreby spracovania. Na výskum a testovanie procesov odporúčame naše laboratórne prístroje alebo Súprava UIP1000hdT.
V prípade potreby ultrazvukové zariadenia a reaktory s certifikáciou FM a ATEX (napr. UIP1000-Exd) sú k dispozícii na sonikáciu horľavých chemikálií a formulácií výrobkov v nebezpečnom prostredí.
Ultrazvuková kavitácia mení reakcie otvárania kruhu
Ultrazvuk je alternatívny mechanizmus k teplu, tlaku, svetlu alebo elektrine na iniciovanie chemických reakcií. Jeffrey S. Moore, Charlesa R. Hickenbotha a ich tímu na Chemická fakulta na University of Illinois v Urbana-Champaign používal ultrazvukový výkon na spúšťanie a manipuláciu s reakciami otvárania krúžku. Pri sonikacii chemické reakcie generovali produkty odlišné od tých, ktoré predpovedajú pravidlá orbitálnej symetrie (Nature 2007, 446, 423). Skupina spojila mechanicky citlivé 1,2-disubstituované izoméry benzocyklobuténu s dvoma polyetylénglykolovými reťazcami, aplikovala ultrazvukovú energiu a analyzovala objemové roztoky pomocou C13 spektroskopia nukleárnej magnetickej rezonancie. Spektrá ukázali, že cis aj trans izoméry poskytujú rovnaký kruhovo otvorený produkt, ktorý sa očakáva od trans izoméru. Zatiaľ čo tepelná energia spôsobuje náhodný Brownov pohyb reaktantov, mechanická energia ultrazvuku poskytuje smer atómovým pohybom. Preto kavitačné efekty účinne usmerňujú energiu namáhaním molekuly a pretváraním povrchu potenciálnej energie.
Ultrazvukové prístroje sondového typu ako UP400St zintenzívniť syntézu nanočastíc. Sonochemická cesta je jednoduchá, účinná, rýchla a pracuje s netoxickými chemikáliami za miernych podmienok.
Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje pre sonochémiu
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics dodáva ultrazvukové procesory pre laboratórium a priemysel. Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher sú veľmi výkonné a robustné ultrazvukové prístroje a sú určené na nepretržitú prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri plnom zaťažení. Digitálne ovládanie, programovateľné nastavenia, monitorovanie teploty, automatické protokolovanie údajov a diaľkové ovládanie prehliadača sú len niektoré z funkcií ultrazvukových prístrojov Hielscher. Navrhnuté pre vysoký výkon a pohodlnú obsluhu, používatelia oceňujú bezpečnú a jednoduchú manipuláciu so zariadením Hielscher Ultrasonics. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher poskytujú amplitúdy až 200 μm a sú ideálne pre náročné aplikácie. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, disperziu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, pilotnom 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.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.