Sonochemická reakcia a syntéza

Sonochémia je aplikácia ultrazvuku na chemické reakcie a procesy. Mechanizmus spôsobujúci sonochemické účinky v kvapalinách je fenomén akustickej kavitácie.

Hielscher ultrazvukové laboratórium a priemyselné zariadenia sa používajú v širokej škále sonochemical procesov. Ultrazvukový kavitácie zosilňuje a urýchľuje chemické reakcie, ako je syntéza a katalýza.

Sonochemické reakcie

Pri chemických reakciách a procesoch sa môžu pozorovať nasledujúce sonochemické účinky:

• zvýšenie reakčnej rýchlosti
• zvýšenie reakčného výkonu
• efektívnejšie využitie energie
• sonochemické metódy na prepínanie reakčnej dráhy
• zlepšenie účinnosti katalyzátorov fázového prenosu
• predchádzanie katalyzátorom fázového prenosu
• použitie surových alebo technických činidiel
• aktivácia kovov a tuhých látok
• zvýšenie reaktivity činidiel alebo katalyzátorov (kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukom asistovanej katalýze)
• zlepšenie syntézy častíc
• nanášanie nanočastíc

Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách

Kavitácia, tj tvorba, rast a implozívny kolaps bublín v kvapaline. Kavitačný kolaps vytvára intenzívne lokálne vykurovanie (~ 5000 K), vysoké tlaky (~ 1000 atm) a obrovské rýchlosti ohrevu a chladenia (>109 K / s) a prúdy kvapalných prúdov (~ 400 km / h). (Suslick 1998)

Kavitácie pomocou Uip1000hd:

Kavitačné bubliny sú vákuové bubliny. Podtlak vzniká rýchlo sa pohybujúcim povrchom na jednej strane a inertnou kvapalinou na druhej strane. Výsledné tlakové rozdiely slúžia na prekonanie súdržnosti a adhéznych síl v kvapaline.

Kavitácia sa môže vyrábať rôznymi spôsobmi, ako sú trysky Venturi, vysokotlakové dýzy, vysokorýchlostné otáčanie alebo ultrazvukové meniče. Vo všetkých týchto systémoch sa vstupná energia transformuje na trenie, turbulencie, vlny a kavitáciu. Časť vstupnej energie, ktorá sa transformuje na kavitáciu, závisí od niekoľkých faktorov, ktoré opisujú pohyb zariadenia na vytváranie kavitácie v kvapaline.

Intenzita zrýchlenia je jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich efektívnu transformáciu energie do kavitácie. Vyššie zrýchlenie vytvára vyššie tlakové rozdiely. To zase zvyšuje pravdepodobnosť vytvorenia vákuových bublín namiesto vytvárania vĺn šírených kvapalinou. Čím je vyššia akcelerácia, tým vyšší je podiel energie, ktorá sa transformuje do kavitácie. V prípade ultrazvukového snímača je intenzita zrýchlenia opísaná amplitúdou kmitania.

Vyššie amplitúdy vedú k účinnejšej tvorbe kavitácie. Priemyselné zariadenia firmy Hielscher Ultrasonics dokážu vytvoriť amplitúdy až do 115 μm. Tieto vysoké amplitúdy umožňujú vysoký prenosový pomer, čo umožňuje vytvoriť vysokú hustotu energie až do 100 W / cm³.

Okrem intenzity by mala byť kvapalina urýchľovaná tak, aby sa vytvorili minimálne straty z hľadiska turbulencií, trenia a vytvárania vĺn. Preto je optimálnym spôsobom jednostranný smer pohybu.

Ultrazvuk sa používa kvôli jeho účinkom v procesoch, ako napríklad:

• príprava aktivovaných kovov redukciou kovových solí
• generácia aktivovaných kovov pomocou sonifikácie
• sonochemická syntéza častíc zrážaním kovových (Fe, Cr, Mn, Co) oxidov, napr. na použitie ako katalyzátory
• impregnácia kovov alebo halogenidov kovov na podložkách
• príprava aktivovaných roztokov kovov
• reakcie zahŕňajúce kovy prostredníctvom in situ generovaných organoelementových druhov
• reakcie zahŕňajúce nekovové tuhé látky
• kryštalizácia a vyzrážanie kovov, zliatin, zeolitov a iných pevných látok
• modifikácia povrchovej morfológie a veľkosti častíc vysokou rýchlosťou medzičasticových kolízií
  • tvorba amorfných nanostrukturovaných materiálov vrátane prechodných kovov s vysokou povrchovou plochou, zliatin, karbidov, oxidov a koloidov
  • aglomerácia kryštálov
  • vyhladzovanie a odstraňovanie pasivačného oxidačného povlaku
  • mikromanipulácia (frakcionácia) malých častíc
• disperzia tuhých látok
• príprava koloidov (Ag, Au, Q-veľkosti CdS)
• interkalácia hostiteľských molekúl do hostiteľskej anorganickej vrstvenej pevnej látky
• sonochémia polymérov
  • degradácie a modifikácie polymérov
  • syntéza polymérov
• sonolýza organických znečisťujúcich látok vo vode

Sonochemické zariadenia

Väčšina uvedených sonochemických procesov môže byť dodatočne vybavená in-line. Radi Vám pomôžeme pri výbere sonochemického zariadenia pre vaše potreby spracovania. Pre výskum a testovanie procesov odporúčame naše laboratórne prístroje alebo Súprava UIP1000hdT,

Ak je to potrebné, ultrazvukové zariadenia a reaktory s certifikátom FM a ATEX (napr UIP1000-exd) sú k dispozícii na sonikáciu horľavých chemikálií a prípravkov v nebezpečnom prostredí.

Ultrazvuková kavitácia mení reakcie na otvorenie krúžku

Ultrazvukom je alternatívny mechanizmus na ohrev, tlak, svetlo alebo elektrinu na iniciovanie chemických reakcií. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth a ich tím na Fakulta chémie na Illinoiskej univerzite v Urbane-Champaign používa ultrazvukový výkon na spustenie a manipuláciu s reakciami otvárania krúžku. Pri sonikácii chemické reakcie generovali produkty odlišné od tých, ktoré predpovedali pravidlá orbitálnej symetrie (Nature 2007, 446, 423). Skupina viazala mechanicky citlivé 1,2-disubstituované benzocyklobuténové izoméry na dva polyetylénglykolové reťazce, nanášala ultrazvukovú energiu a analyzovala objemové roztoky použitím C¹³ nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia. Spektrá ukázali, že cis aj trans izoméry poskytujú rovnaký produkt s otvoreným kruhom, ten, ktorý sa očakáva od trans izoméru. Zatiaľ čo tepelná energia spôsobuje náhodný Brownian pohyb reaktantov, mechanická energia ultrazvuku poskytuje smer k atómovým pohybom. Preto kavitačné účinky efektívne usmerňujú energiu napätie molekuly a pretvárajú potenciálny energetický povrch.

Vysoko výkonné ultrasonicators pre sonochémiu

Hielscher Ultrasonics dodáva ultrazvukové procesory pre laboratórium a priemysel. Všetky Hielscher ultrasonicators sú veľmi výkonné a robustné ultrazvukové stroje a postavené pre nepretržitú prevádzku 24/7 pri plnom zaťažení. Digitálne ovládanie, programovateľné nastavenia, monitorovanie teploty, automatické protokolovanie dát a diaľkové ovládanie prehliadača sú len niektoré funkcie Hielscher ultrasonicators. Navrhnuté pre vysoký výkon a pohodlnú prevádzku, používatelia oceňujú bezpečnú a jednoduchú manipuláciu s ultrazvukovým zariadením Hielscher. Hielscher priemyselné ultrazvukové procesory poskytujú amplitúdy až do 200μm a sú ideálne pre ťažké aplikácie. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.
Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov: