Sonochémia a sonochemické reaktory
Sonochémia je oblasť chémie, v ktorej sa ultrazvuk s vysokou intenzitou používa na indukciu, urýchlenie a modifikáciu chemických reakcií (syntéza, katalýza, degradácia, polymerizácia, hydrolýza atď.). Ultrazvukom generovaná kavitácia sa vyznačuje jedinečnými energeticky hustými podmienkami, ktoré podporujú a zintenzívňujú chemické reakcie. Rýchlejšie reakčné rýchlosti, vyššie výťažky a použitie zelených, miernejších činidiel robia zo sonochémie veľmi výhodný nástroj na dosiahnutie lepších chemických reakcií.
Sonochémia
Sonochémia je oblasť výskumu a spracovania, v ktorej molekuly podliehajú chemickej reakcii v dôsledku aplikácie ultrazvuku s vysokou intenzitou (napr. 20 kHz). Javom zodpovedným za sonochemické reakcie je akustická kavitácia. Akustická alebo ultrazvuková kavitácia nastáva, keď sú silné ultrazvukové vlny spojené s kvapalinou alebo suspenziou. V dôsledku striedavých vysokotlakových / nízkotlakových cyklov spôsobených výkonovými ultrazvukovými vlnami v kvapaline vznikajú vákuové bubliny (kavitačné dutiny), ktoré rastú počas niekoľkých tlakových cyklov. Keď kavitačná vákuová bublina dosiahne určitú veľkosť, kde nemôže absorbovať viac energie, vákuová bublina prudko imploduje a vytvára vysoko energeticky hustý horúci bod. Toto lokálne sa vyskytujúce horúce miesto sa vyznačuje veľmi vysokými teplotami, tlakmi a mikroprúdením extrémne rýchlych prúdov kvapaliny.
Uzavretý vsádkový reaktor vyrobený z nehrdzavejúcej ocele je vybavený ultrazvuk UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustická kavitácia a účinky ultrazvuku s vysokou intenzitou
Akustickú kavitáciu, často nazývanú aj ultrazvuková kavitácia, možno rozlíšiť na dve formy, stabilnú a prechodnú kavitáciu. Počas stabilnej kavitácie kavitačná bublina mnohokrát osciluje okolo svojho rovnovážneho polomeru, zatiaľ čo počas prechodnej kavitácie, pri ktorej bublina s krátkou životnosťou prechádza dramatickými zmenami hlasitosti v niekoľkých akustických cykloch a končí prudkým kolapsom (Suslick 1988). V roztoku sa môže súčasne vyskytnúť stabilná a prechodná kavitácia a bublina podliehajúca stabilnej kavitácii sa môže stať prechodnou dutinou. Implózia bublín, ktorá je charakteristická pre prechodnú kavitáciu a sonikáciu s vysokou intenzitou, vytvára rôzne fyzikálne podmienky vrátane veľmi vysokých teplôt 5000 – 25 000 K, tlakov až niekoľko 1000 barov a prúdov kvapalín s rýchlosťou až 1000 m/s. Keďže kolaps/implózia kavitačných bublín nastáva za menej ako nanosekundu, veľmi vysoké rýchlosti zahrievania a chladenia presahujú 1011 Je možné pozorovať K/s. Takéto vysoké rýchlosti ohrevu a tlakové rozdiely môžu iniciovať a urýchliť reakcie. Pokiaľ ide o vyskytujúce sa prúdy kvapalín, tieto vysokorýchlostné mikrotrysky vykazujú obzvlášť vysoké výhody, pokiaľ ide o heterogénne tuhé a kvapalné suspenzie. Kvapalné prúdy narážajú na povrch s plnou teplotou a tlakom kolabujúcej bubliny a spôsobujú eróziu zrážkou medzi časticami, ako aj lokalizovaným topením. V dôsledku toho sa pozoruje výrazne zlepšený prenos hmoty v roztoku.
Ultrazvuková kavitácia sa najefektívnejšie vytvára v kvapalinách a rozpúšťadlách pri nízkych tlakoch pár. Preto sú médiá s nízkym tlakom pár priaznivé pre sonochemické aplikácie.
V dôsledku ultrazvukovej kavitácie môžu vytvorené intenzívne sily zmeniť dráhy reakcií na efektívnejšie cesty, aby sa zabránilo úplnejším premenám a/alebo produkcii nežiaducich vedľajších produktov.
Energeticky hustý priestor vytvorený kolapsom kavitačných bublín sa nazýva hot-spot. Nízkofrekvenčný, vysokovýkonný ultrazvuk v rozsahu 20 kHz a schopnosť vytvárať vysoké amplitúdy je dobre zavedená pre generovanie intenzívnych horúcich miest a priaznivých sonochemických podmienok.
Ultrazvukové laboratórne zariadenia, ako aj priemyselné ultrazvukové reaktory pre komerčné sonochemické procesy sú ľahko dostupné a preukázané ako spoľahlivé, efektívne a šetrné k životnému prostrediu v laboratórnom, pilotnom a plne priemyselnom meradle. Sonochemické reakcie sa môžu uskutočňovať ako dávka (t. j. otvorená nádoba) alebo in-line proces pomocou reaktora s uzavretou prietokovou bunkou.
sonosyntéza
Sonosyntéza alebo sonochemická syntéza je aplikácia ultrazvukom generovanej kavitácie s cieľom iniciovať a podporovať chemické reakcie. Vysokovýkonná ultrazvuková signalizácia (napr. pri 20 kHz) vykazuje silné účinky na molekuly a chemické väzby. Napríklad sonochemické účinky vyplývajúce z intenzívnej sonikácie môžu mať za následok štiepenie molekúl, vytváranie voľných radikálov a/alebo prepínanie chemických dráh. Sonochemická syntéza sa preto intenzívne používa na výrobu alebo modifikáciu širokej škály nanoštruktúrovaných materiálov. Príkladmi nanomateriálov vyrobených sonosyntézou sú nanočastice (napr. nanočastice zlata, strieborné nanočastice), pigmenty, nanočastice jadra a obalu, nano-hydroxyapatit, kovové organické konštrukcie (MOF), aktívne farmaceutické zložky (API), nanočastice zdobené mikrosférami, nanokompozity a mnohé iné materiály.
Príklady: Ultrazvuková transesterifikácia metylesterov mastných kyselín (bionafta) alebo transesterifikácia polyolov pomocou ultrazvuku.
TEM obraz (A) a jeho distribúcia veľkosti častíc (B) nanočastíc striebra (Ag-NP), ktoré boli sonochemicky syntetizované za optimálnych podmienok.
Široko používaná je aj ultrazvukovo podporovaná kryštalizácia (sonokryštalizácia), kde sa výkonový ultrazvuk používa na výrobu presýtených roztokov, na iniciáciu kryštalizácie / zrážania a kontrolu veľkosti a morfológie kryštálov pomocou parametrov ultrazvukového procesu. Kliknite sem a dozviete sa viac o sonokryštalizácii!
Sono-katalýza
Sonikácia chemickej suspenzie alebo roztoku môže výrazne zlepšiť katalytické reakcie. Sonochemická energia skracuje reakčný čas, zlepšuje prenos tepla a hmoty, čo následne vedie k zvýšeniu chemických rýchlostných konštánt, výťažkov a selektivít.
Existuje množstvo katalytických procesov, ktoré drasticky profitujú z aplikácie výkonového ultrazvuku a jeho sonochemických účinkov. Akákoľvek heterogénna reakcia katalýzy s fázovým prenosom (PTC) zahŕňajúca dve alebo viac nemiešateľných kvapalín alebo zloženie kvapalina-pevná látka ťaží zo sonikácie, sonochemickej energie a zlepšeného prenosu hmoty.
Napríklad porovnávacia analýza tichej a ultrazvukom asistovanej katalytickej oxidácie fenolu vlhkým peroxidom vo vode odhalila, že sonikacia znížila energetickú bariéru reakcie, ale nemala žiadny vplyv na reakčnú dráhu. Aktivačná energia pre oxidáciu fenolu nad RuI3 katalyzátor počas sonikácie bol 13 kJ mol-1, ktorý bol štyrikrát menší v porovnaní s tichým oxidačným procesom (57 kJ mol-1). (Rokhina a kol., 2010)
Sonochemická katalýza sa úspešne používa na výrobu chemických produktov, ako aj na výrobu mikrónových a nanoštruktúrovaných anorganických materiálov, ako sú kovy, zliatiny, kovové zlúčeniny, nekovové materiály a anorganické kompozity. Bežnými príkladmi ultrazvukom asistovaného PTC sú transesterifikácia voľných mastných kyselín na metylester (bionafta), hydrolýza, zmydelnenie rastlinných olejov, sono-Fentonova reakcia (Fentonove procesy), sonokatalytická degradácia atď.
Prečítajte si viac o sonokatalýze a špecifických aplikáciách!
Sonikácia zlepšuje chémiu kliknutia, ako sú azidovo-alkýnové cykloadičné reakcie!
Ďalšie sonochemické aplikácie
Vďaka svojmu všestrannému použitiu, spoľahlivosti a jednoduchej obsluhe sonochemické systémy, ako sú UP400St alebo UIP2000hdT sú cenené ako efektívne zariadenie pre chemické reakcie. Sonochemické zariadenia Hielscher Ultrasonics možno ľahko použiť na dávkovú (otvorenú kadičku) a kontinuálnu inline sonikáciu pomocou sonochemickej prietokovej bunky. Sonochémia vrátane sonosyntézy, sonokatalýzy, degradácie alebo polymerizácie je široko používaná v chémii, nanotechnológii, materiálovej vede, farmácii, mikrobiológii, ako aj v iných priemyselných odvetviach.
Priemyselný ultrazvuk UIP2000hdT (2kW) so sonochemickým inline reaktorom.
Vysokovýkonné sonochemické zariadenia
Hielscher Ultrasonics je váš špičkový dodávateľ inovatívnych, najmodernejších ultrazvukových prístrojov, sonochemických prietokových článkov, reaktorov a príslušenstva pre efektívne a spoľahlivé sonochemické reakcie. Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher sú exkluzívne navrhnuté, vyrobené a testované v centrále Hielscher Ultrasonics v Teltowe (neďaleko Berlína) v Nemecku. Okrem najvyšších technických štandardov a vynikajúcej robustnosti a prevádzky 24/7/365 pre vysoko efektívnu prevádzku sa ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko a spoľahlivo ovládajú. Vysoká účinnosť, inteligentný softvér, intuitívne menu, automatické protokolovanie údajov a diaľkové ovládanie prehliadača sú len niektoré z funkcií, ktoré odlišujú spoločnosť Hielscher Ultrasonics od ostatných výrobcov sonochemických zariadení.
Presne nastaviteľné amplitúdy
Amplitúda je posun v prednej časti (špičke) sonotródy (tiež známej ako ultrazvuková sonda alebo klaksón) 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 konkrétnej sonochemickej reakcie. To znamená, že amplitúda by mala byť presne nastaviteľná, aby sa intenzita akustickej kavitácie vyladila na ideálnu úroveň. Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher je možné spoľahlivo a presne nastaviť pomocou inteligentného digitálneho riadenia na ideálnu amplitúdu. Posilňovacie klaksóny je možné dodatočne použiť na mechanické zníženie alebo zvýšenie amplitúdy. Ultrazvukom’ Priemyselné ultrazvukové procesory môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.
Presná regulácia teploty počas sonochemických reakcií
V kavitačnom horúcom mieste je možné pozorovať extrémne vysoké teploty v dosahu niekoľkých tisíc stupňov Celzia. Tieto extrémne teploty sú však lokálne obmedzené na nepatrné vnútro a okolie implodujúcej kavitačnej bubliny. Vo veľkoobjemovom roztoku je nárast teploty z implózie jednej alebo niekoľkých kavitačných bublín zanedbateľný. Ale nepretržitá, intenzívna sonikácia po dlhšiu dobu môže spôsobiť postupné zvyšovanie 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 úprave materiálov citlivých na teplo môže byť potrebná regulácia teploty. S cieľom umožniť ideálne tepelné podmienky počas sonochemických procesov ponúka spoločnosť Hielscher Ultrasonics rôzne sofistikované riešenia na presnú reguláciu teploty počas sonochemických procesov, ako sú sonochemické reaktory a prietokové články vybavené chladiacimi plášťmi.
Naše sonochemické prietokové články a reaktory sú k dispozícii s chladiacimi plášťami, ktoré podporujú efektívny odvod tepla. Pre nepretržité monitorovanie teploty sú ultrazvukové prístroje Hielscher vybavené zásuvným snímačom teploty, ktorý je možné vložiť do kvapaliny na konštantné meranie objemovej teploty. Sofistikovaný softvér umožňuje nastavenie teplotného rozsahu. Po prekročení teplotného limitu sa ultrazvuk automaticky pozastaví, kým teplota v kvapaline neklesne na určitú nastavenú hodnotu a nezačne automaticky sonikovať. Všetky merania teploty, ako aj ďalšie dôležité údaje o ultrazvukových procesoch sa automaticky zaznamenávajú na vstavanú SD kartu a možno ich jednoducho revidovať pre riadenie procesu.
Teplota je kľúčovým parametrom sonochemických procesov. Prepracovaná technológia spoločnosti Hielscher vám pomôže udržať teplotu vašej sonochemickej aplikácie v ideálnom teplotnom rozsahu.
- vysoká účinnosť
- Najmodernejšia technológia
- jednoduchá a bezpečná obsluha
- spoľahlivosť & odolnosť
- dávka & Inline
- pre akýkoľvek objem
- inteligentný softvér
- inteligentné funkcie (napr. protokolovanie údajov)
- CIP (čistenie na mieste)
Sonochemický reaktor: Intenzívna sonikacia a výsledná kavitácia iniciuje a zintenzívňuje chemické reakcie a môže prepínať rovnomerné cesty.
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.
Príklady ultrazvukovo vylepšenej chemickej reakcie v porovnaní s konvenčnými reakciami
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad niekoľkých bežných chemických reakcií. Pre každý typ reakcie sa porovnáva konvenčne prebiehajúca reakcia s ultrazvukovo zosilnenou reakciou z hľadiska výťažnosti a rýchlosti konverzie.
| 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% |
(porovnaj Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Základy intenzifikácie procesov, prvé vydanie. Vydalo 2019 vydavateľstvo Wiley)
Literatúra / Referencie
- 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.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.