Sonochemistry je oblasť chémie, kde vysoko intenzívny ultrazvuk sa používa na indukovanie, urýchľovanie a úpravu chemických reakcií (syntéza, katalýza, degradácia, polymerizácia, hydrolýza atď.). Rozpúšťadle generované kavitácie sa vyznačuje unikátnymi energeticky husté podmienky, ktoré podporujú a zintenzívňujú chemické reakcie. Rýchlejšie reakčné rýchlosti, vyššie výnosy a použitie zelených, miernejších činidiel menia sonochemistry na veľmi výhodný nástroj s cieľom získať lepšie chemické reakcie.

Sonochemistry

Sonochemistry je oblasť výskumu a spracovania, v ktorej molekuly prechádzajú chemickou reakciou kvôli aplikácii ultrazvukom s vysokou intenzitou (napr. 20 kHz). Fenomén zodpovedný za sonochemical reakcie je akustická kavitácia. Akustická alebo ultrazvuková kavitácia nastáva, keď sú silné ultrazvukové vlny spojené do kvapaliny alebo kalu. V dôsledku striedavých vysokotlakových / nízkotlakových cyklov spôsobených výkonom ultrazvukových vĺn v kvapaline vznikajú vákuové bubliny (cavitational dutiny), ktoré rastú počas niekoľkých tlakových cyklov. Keď cavitational vákuová bublina dosiahne určitú veľkosť, kde nemôže absorbovať viac energie, vákuová bublina imploduje násilne a vytvára vysoko energeticky husté horúce miesto. Toto lokálne sa vyskytujúce horúce miesto sa vyznačuje veľmi vysokými teplotami, tlakmi a mikroprúdom extrémne rýchlych kvapalných trysiek.

Akustická kavitácia a účinky vysoko intenzívne ultrazvukom

Akustická kavitácia, často tiež volal ultrazvukové kavitácie, možno rozlíšiť do dvoch foriem, stabilné a prechodné kavitácie. Počas stabilnej kavitácie kavitácia bublina osciluje mnohokrát okolo jeho rovnovážneho polomeru, zatiaľ čo počas prechodnej kavitácie, v ktorej krátkodobá bublina prechádza dramatickými zmenami objemu v niekoľkých akustických cykloch a končí násilným kolapsom (Suslick 1988). Stabilná a prechodná kavitácia sa môže vyskytnúť súčasne v roztoku a bublina prechádzajúci stabilnou dutinou sa môže stať prechodným dutinou. Bublinová implózia, ktorá je charakteristická pre prechodnú kavitáciu a vysoko intenzívnu ultrazvukom, vytvára rôzne fyzikálne podmienky vrátane veľmi vysokých teplôt 5000-25.000 K, tlaky až niekoľko 1000 barov, a kvapalné prúdy s rýchlosti až 1000m/s. Vzhľadom k tomu, kolaps /imploze kavitácie bubliny sa vyskytuje v menej ako nanosekundy, veľmi vysoké rýchlosti vykurovania a chladenia nad 10¹¹ K/s je možné pozorovať. Takéto vysoké rýchlosti ohrevu a tlakové diferenciáli môžu iniciovať a urýchliť reakcie. Pokiaľ ide o vyskytujúce sa kvapalné prúdy, tieto vysokorýchlostné mikrojety vykazujú obzvlášť vysoké výhody, pokiaľ ide o heterogénne tuhé kvapalné kaly. Kvapalné trysky zasahujú na povrch s plnou teplotou a tlakom zrútenej bubliny a spôsobujú eróziu v dôsledku kolízie medzi časťami, ako aj lokalizovaného topenia. V dôsledku toho sa pozoruje výrazne zlepšený prenos hmotnosti v roztoku.

Ultrazvukový kavitácie je najúčinnejšie generované v kvapalinách a rozpúšťadlách s nízkym tlakom pár. Preto sú médiá s nízkym tlakom pár priaznivé pre sonochemické aplikácie.
V dôsledku ultrazvukovej kavitácie, vytvorené intenzívne sily môžu prepínať cesty reakcií na efektívnejšie trasy, takže sa zabráni úplnejším konverziám a/alebo produkcii nežiaducich vedľajších produktov.
Energeticky hustý priestor vytvorený kolapsom kavitácie bubliny sa nazýva hot-spot. Nízkofrekvenčný, vysokovýkonný ultrazvuk v rozsahu 20kHz a schopnosť vytvárať vysoké amplitúdy je dobre zavedený pre generovanie intenzívnych horúcich miest a priaznivých sonochemických podmienok.

Ultrazvukové laboratórne zariadenia, ako aj priemyselné ultrazvukové reaktory pre komerčné sonochemical procesy sú ľahko dostupné a osvedčené ako spoľahlivé, efektívne a šetrné k životnému prostrediu na laboratóriu, pilotnom a plne priemyselnom meradle. Sonochemické reakcie sa môžu vykonávať ako dávka (t. j. otvorená nádoba) alebo v in-line procese s použitím reaktora s uzavretými prietokmi.

Sono-syntéza

Sono-syntéza alebo sonochemical syntéza je aplikácia rozpúšťadle generované kavitácie s cieľom iniciovať a podporovať chemické reakcie. Ultrazvukom s vysokým výkonom (napr. pri 20 kHz) vykazuje silné účinky na molekuly a chemické väzby. Napríklad sonochemical účinky vyplývajúce z intenzívnej ultrazvukom môže mať za následok rozdelenie molekúl, vytvorenie voľných radikálov, a / alebo prepínanie chemických ciest. Sonochemical syntéza sa preto intenzívne používa na výrobu alebo modifikáciu širokej škály nano-štruktúrovaných materiálov. Príkladmi nanomateriálov vyrábaných prostredníctvom sono-syntézy sú nanočastice (NPs) (napr. zlaté NPs, strieborné NP), pigmenty, nanočastice v jadre, nano-hydroxyapatit, kovové organické rámce (MOF), aktívne farmaceutické zložky (API), mikrosférické zdobené nanočastice, nanokompozity medzi mnohými inými materiálmi.
Príklady: Ultrazvuková transesterifikácia metylesterov mastných kyselín (bionafta) alebo transesterifikácia polyolov pomocou ultrazvuku,

Obraz TEM (A) a jeho rozdelenie veľkosti častíc (B) nanočastíc striebra (Ag-NPs), ktoré boli sonochemicky syntetizované za optimálnych podmienok.

Tiež široko aplikovaný je rozpúšťadle propagované kryštalizácia (sono-kryštalizácia), kde výkon-ultrazvuk sa používa na výrobu presýtených roztokov, iniciovať kryštalizáciu / zrážanie, a kontrolovať veľkosť kryštálu a morfológiu prostredníctvom ultrazvukových parametrov procesu. Kliknutím sem sa dozviete viac o sono-kryštalizácii!

Sono-katalýza

Ultrazvukom chemická suspenzia alebo roztok môže výrazne zlepšiť katalytické reakcie. Sonochemical energie znižuje reakčný čas, zlepšuje teplo a prenos hmoty, čo následne vedie k zvýšenej chemickej rýchlosti konštanty, výnosy, a selektivity.
Existuje mnoho katalytických procesov, ktoré drasticky profitujú z aplikácie ultrazvuku výkonu a jeho sonochemických účinkov. Akákoľvek heterogénna fáza prenosu katalýza (PTC) reakcia zahŕňajúca dve alebo viac nemiešateľných kvapalín alebo kvapalno-pevné zloženie, ťaží zo ultrazvukom, sonochemical energie a zlepšený prenos hmoty.
Napríklad porovnávacia analýza tichej a rozpúšťadle asistovanej katalytickej mokrej peroxidovej oxidácie fenolu vo vode odhalila, že ultrazvukom znížila energetickú bariéru reakcie, ale nemala žiadny vplyv na reakčnú dráhu. Aktivačná energia na oxidáciu fenolu nad RuI₃ katalyzátor počas ultrazvukom bolo nájdené, že 13 kJ mol^-1., čo bolo štyrikrát menej v porovnaní s procesom tichého oxidácie (57 kJ mol^-1.). (Rokhina a kol., 2010)
Sonochemical katalýza sa úspešne používa na výrobu chemických výrobkov, ako aj na výrobu mikrónov a nano-štruktúrovaných anorganických materiálov, ako sú kovy, zliatiny, zlúčeniny kovov, nekovové materiály a anorganické kompozity. Bežnými príkladmi rozpúšťadle asistovanej PTC sú transesterifikácia voľných mastných kyselín na metylester (bionafta), hydrolýza, zmydelnenie rastlinných olejov, sono-Fentonova reakcia (Fenton-ako procesy), sonocatalytická degradácia atď.
Prečítajte si viac o sono-katalýze a špecifických aplikáciách!
Sonikácia zlepšuje chémiu kliknutí, ako sú azidovo-alkínové cykloaddičné reakcie!

Iné sonochemické aplikácie

Vďaka všestrannému použitiu, spoľahlivosti a jednoduchej prevádzke sú sonochemické systémy, ako je UP400St alebo UIP2000hdT sú oceňované ako účinné zariadenia pre chemické reakcie. Hielscher Ultrasonics sonochemical zariadenia môžu byť ľahko použité pre šarže (otvorená kadička) a kontinuálne inline ultrazvukom pomocou sonochemical prietoku bunky. Sonochemistry vrátane sono-syntézy, sono-katalýzy, degradácie alebo polymerizácie sú široko používané v chémii, nanotechnológie, materiálovej vedy, farmaceutiky, mikrobiológie, ako aj v iných odvetviach.

Vysokovýkonné sonochemické zariadenia

Hielscher Ultrasonics je váš najlepší dodávateľ inovatívnych, najmodernejších ultrasonicators, sonochemical flow bunky, reaktory a príslušenstvo pre efektívne a spoľahlivé sonochemical reakcie. Všetky Hielscher ultrasonicators sú výhradne navrhnuté, vyrobené a testované na Hielscher Ultrasonics centrála v Teltow (v blízkosti Berlína), Nemecko. Okrem najvyšších technických noriem a vynikajúcej robustnosti a prevádzky 24/7/365 pre vysoko efektívnu prevádzku, Hielscher ultrasonicators sú jednoduché a spoľahlivé na prevádzku. Vysoká účinnosť, inteligentný softvér, intuitívne menu, automatické protokolovanie údajov a diaľkové ovládanie prehliadača sú len niektoré funkcie, ktoré odlišujú Hielscher Ultrasonics od iných výrobcov sonochemických zariadení.

Presne nastaviteľné amplitúdy

Amplitúda je posun vpredu (špička) sonotrode (tiež známy ako ultrazvuková sonda alebo roh) a je hlavným ovplyvňujúcim faktorom ultrazvukovej kavitácie. Vyššie amplitúdy znamenajú intenzívnejšiu kavitáciu. Požadovaná intenzita kavitácie silne závisí od typu reakcie, použitých chemických činidiel a cielených výsledkov špecifickej sonochemical reakcie. To znamená, že amplitúda by mala byť presne nastaviteľná, aby sa intenzita akustickej kavitácie na ideálnu úroveň. Všetky Hielscher ultrasonicators môžu byť spoľahlivo a presne upravené prostredníctvom inteligentného digitálneho ovládania na ideálnu amplitúdu. Posilňovač rohy môžu byť dodatočne použité na zníženie alebo zvýšenie amplitúdy mechanicky. Ultrazvukom’ priemyselné ultrazvukové procesory môžu dodávať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy do 200 μm sa dajú ľahko nepretržite prevádzkovať pri prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.

Presná regulácia teploty počas sonochemických reakcií

V kavitácii hot-spot možno pozorovať extrémne vysoké teploty mnohých tisíc stupňov Celzia. Avšak, tieto extrémne teploty sú obmedzené lokálne na minútu interiéru a okolia implodujúce kavitácie bubliny. V sypkom roztoku je zvýšenie teploty z imploze jeden alebo len málo kavitácie bubliny je zanedbateľný. Ale kontinuálne, intenzívne ultrazvukom po dlhšiu dobu môže spôsobiť prírastkové zvýšenie teploty objemovej kvapaliny. Toto zvýšenie teploty prispieva k mnohým chemickým reakciám a často sa považuje za prospešné. Rôzne chemické reakcie však majú rôzne optimálne reakčné teploty. Pri ošetrení materiálov citlivých na teplo môže byť potrebná regulácia teploty. S cieľom umožniť ideálne tepelné podmienky počas sonochemických procesov, Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne sofistikované riešenia pre presnú reguláciu teploty počas sonochemických procesov, ako sú sonochemické reaktory a prietokové bunky vybavené chladiacimi plášťami.
Naše sonochemické prietokové články a reaktory sú k dispozícii s chladiacimi plášťami, ktoré podporujú účinný odvod tepla. Pre nepretržité monitorovanie teploty sú ultrasonicators Hielscher vybavené zásuvným snímačom teploty, ktorý môže byť vložený do kvapaliny pre konštantné meranie objemovej teploty. Sofistikovaný softvér umožňuje nastavenie teplotného rozsahu. Keď je prekročený teplotný limit, ultrasonicator automaticky pozastaví, kým sa teplota v kvapaline neznížne na určitý nastavený bod a začne automaticky sonicating znova. Všetky merania teploty, ako aj ďalšie dôležité ultrazvukové údaje o procese sa automaticky zaznamenávajú na vstavanú SD kartu a môžu byť ľahko revidované na kontrolu procesu.
Teplota je kľúčovým parametrom sonochemických procesov. Prepracovaná technológia spoločnosti Hielscher vám pomôže udržať teplotu vašej sonochemical aplikácie v ideálnom teplotnom rozsahu.

Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov: