Sonokemične reakcije in sinteza
Sonokemija je uporaba ultrazvoka za kemijske reakcije in procese. Mehanizem, ki povzroča sonokemične učinke v tekočinah, je pojav akustične kavitacije.
Hielscher ultrazvočne laboratorijske in industrijske naprave se uporabljajo v številnih sonokemičnih procesih. Ultrazvočna kavitacija intenzivira in pospešuje kemijske reakcije, kot so sinteza in kataliza.
sonokemične reakcije
V kemijskih reakcijah in procesih lahko opazimo naslednje sonokemične učinke:
- povečanje hitrosti reakcije
- povečanje izhodne reakcije
- učinkovitejša raba energije
- Sonokemijske metode za preklapljanje reakcijske poti
- izboljšanje učinkovitosti katalizatorjev za prenos faze
- izogibanje katalizatorjem za prenos faze
- uporaba surovih ali tehničnih reagentov
- aktivacija kovin in trdnih snovi
- povečanje reaktivnosti reagentov ali katalizatorjev (Kliknite tukaj, če želite prebrati več o ultrazvočno podprti katalizi)
- izboljšanje sinteze delcev
- Premazovanje nanodelcev
7 ultrazvočnih homogenizatorjev model UIP1000hdT (7x 1kW ultrazvočna moč) nameščen kot grozd za sonokemične reakcije v industrijskem merilu.
Prednosti ultrazvočno intenziviranih kemijskih reakcij
Ultrazvočno spodbujane kemijske reakcije so uveljavljena tehnika intenzifikacije procesov na področju kemijske sinteze in predelave. Z izkoriščanjem moči ultrazvočnih valov te reakcije ponujajo številne prednosti pred konvencionalnimi metodami, izboljšujejo kemično katalizo in sintezo. Turbo hitre stopnje pretvorbe, odlični izkoristki, izboljšana selektivnost, izboljšana energetska učinkovitost in zmanjšan vpliv na okolje so glavne prednosti sonokemičnih reakcij.
Udarec mize kaže nekatere pomembne prednosti ultrazvočno spodbujane reakcije v primerjavi s konvencionalnimi kemijskimi reakcijami:
| reakcija | Reakcijski čas Konvencionalne |
Reakcijski čas ultrazvok |
donos Konvencionalni (%) |
donos Ultrazvok (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alderjeva ciklizacija | 35 ur | 3,5 ure | 77.9 | 97.3 |
| Oksidacija indana v indan-1-on | 3 ure | 3 ure | manj kot 27% | 73% |
| Zmanjšanje metoksiaminosilana | Ni reakcije | 3 ure | 0% | 100% |
| Epoksidacija dolgoverižnih nenasičenih maščobnih estrov | 2 uri | 15 min | 48% | 92% |
| Oksidacija arilalkanov | 4 ure | 4 ure | 12% | 80% |
| Michaelovo dodajanje nitroalkanov monosubstituiranim α.β-nenasičenim estrom | 2 dni | 2 uri | 85% | 90% |
| Oksidacija 2-oktanola permanganata | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Sinteza halkonov s kondenzacijo CLaisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| UIllmannova sklopka 2-jodonitrobenzena | 2 uri | 2H | manj porjavelosti 1,5% | 70.4% |
| Reformatsky reakcija | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ultrazvočna kavitacija v tekočinah
Kavitacija, to je nastajanje, rast in implozivno propadanje mehurčkov v tekočini. Kavitacijski kolaps povzroča intenzivno lokalno segrevanje (~ 5000 K), visoke tlake (~ 1000 atm) in ogromne hitrosti ogrevanja in hlajenja (>109 K/s) in tekoči curki (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitacija z uporabo UIP1000hd:
Kavitacijski mehurčki so vakuumski mehurčki. Vakuum ustvarja hitro premikajoča se površina na eni strani in inertna tekočina na drugi. Nastale razlike v tlaku služijo za premagovanje kohezijskih in adhezijskih sil v tekočini.
Kavitacija se lahko proizvaja na različne načine, kot so Venturijeve šobe, visokotlačne šobe, vrtenje z visoko hitrostjo ali ultrazvočni pretvorniki. V vseh teh sistemih se vhodna energija pretvori v trenje, turbulence, valove in kavitacijo. Delež vhodne energije, ki se pretvori v kavitacijo, je odvisen od več dejavnikov, ki opisujejo gibanje opreme za proizvodnjo kavitacije v tekočini.
Intenzivnost pospeševanja je eden najpomembnejših dejavnikov, ki vplivajo na učinkovito pretvorbo energije v kavitacijo. Večji pospešek ustvarja večje razlike v tlaku. To pa poveča verjetnost nastanka vakuumskih mehurčkov namesto ustvarjanja valov, ki se širijo skozi tekočino. Torej, višji kot je pospešek, večji je delež energije, ki se pretvori v kavitacijo. V primeru ultrazvočnega pretvornika je intenzivnost pospeška opisana z amplitudo nihanja.
Višje amplitude imajo za posledico učinkovitejše ustvarjanje kavitacije. Industrijske naprave Hielscher Ultrasonics lahko ustvarijo amplitude do 115 μm. Te visoke amplitude omogočajo visoko razmerje prenosa moči, kar posledično omogoča ustvarjanje visoke gostote moči do 100 W/cm³.
Poleg intenzivnosti je treba tekočino pospešiti tako, da se ustvarijo minimalne izgube v smislu turbulenc, trenja in nastajanja valov. Za to je optimalen način enostranska smer gibanja.
Ultrazvočni reaktor s 16.000 vati za sonokemično izboljšano inline transesterifikacijo.
- priprava aktiviranih kovin z redukcijo kovinskih soli
- Nastajanje aktiviranih kovin z ultrazvočnim razbijanjem
- sonokemična sinteza delcev z obarjanjem kovinskih (Fe, Cr, Mn, Co) oksidov, npr. za uporabo kot katalizatorji
- impregnacija kovin ali kovinskih halogenidov na nosilcih
- priprava aktivnih kovinskih raztopin
- reakcije, ki vključujejo kovine prek in situ ustvarjenih organoelementov,
- reakcije, ki vključujejo nekovinske trdne snovi
- kristalizacija in obarjanje kovin, zlitin, zeolitov in drugih trdnih snovi
- Sprememba površinske morfologije in velikosti delcev zaradi trkov med delci pri visoki hitrosti
- tvorba amorfnih nanostrukturiranih materialov, vključno s prehodnimi kovinami, zlitinami, karbidi, oksidi in koloidi z veliko površino
- aglomeracija kristalov
- glajenje in odstranjevanje pasivizativnega oksidnega premaza
- mikromanipulacija (frakcioniranje) majhnih delcev
- disperzija trdnih snovi
- priprava koloidov (Ag, Au, Q-velikost CdS)
- interkalacija gostujočih molekul v gostiteljske anorganske plasti trdnih snovi
- Sonokemija polimerov
- razgradnja in modifikacija polimerov
- sinteza polimerov
- Sonoliza organskih onesnaževal v vodi
Sonokemična oprema
Večino omenjenih sonokemičnih procesov je mogoče naknadno opremiti za delo v liniji. Z veseljem vam bomo pomagali pri izbiri sonokemične opreme za vaše potrebe obdelave. Za raziskave in preizkušanje procesov priporočamo naše laboratorijske naprave ali Komplet UIP1000hdT.
Po potrebi ultrazvočne naprave in reaktorji s certifikatom FM in ATEX (npr. UIP1000-Exd) so na voljo za ultrazvočno razbijanje vnetljivih kemikalij in formulacij izdelkov v nevarnih okoljih.
Ultrazvočna kavitacija spremeni reakcije odpiranja obroča
Ultrasonication je alternativni mehanizem za toploto, tlak, svetlobo ali elektriko za sprožitev kemičnih reakcij. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth, in njuna ekipa na Kemijska fakulteta na Univerzi v Illinoisu v Urbana-Champaignu uporabljena ultrazvočna moč za sprožitev in manipulacijo reakcij odpiranja obroča. Pri ultrazvočnem razbijanju so kemijske reakcije ustvarile produkte, ki se razlikujejo od tistih, ki jih napovedujejo pravila orbitalne simetrije (Nature 2007, 446, 423). Skupina je povezala mehansko občutljive izomere 1,2-disubstituiranih benzociklobutenskih izomerov z dvema polietilenglikolnima verigama, uporabila ultrazvočno energijo in analizirala razsute raztopine z uporabo C13 spektroskopija jedrske magnetne resonance. Spektri so pokazali, da tako cis kot trans izomeri zagotavljajo enak obročno odprt produkt, tisti, ki se pričakuje od trans izomera. Medtem ko toplotna energija povzroča naključno Brownovo gibanje reaktantov, mehanska energija ultrazvočne razlage zagotavlja smer atomskih gibanj. Zato kavitacijski učinki učinkovito usmerjajo energijo z napenjanjem molekule in preoblikovanjem površine potencialne energije.
Ultrazvočni aparati tipa sonde kot UP400St okrepiti sintezo nanodelcev. Sonokemična pot je preprosta, učinkovita, hitra in deluje z nestrupenimi kemikalijami v blagih pogojih.
Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati za sonokemijo
Hielscher Ultrasonics dobavlja ultrazvočne procesorje za laboratorij in industrijo. Vsi Hielscher ultrazvočni aparati so zelo zmogljivi in robustni ultrazvočni stroji in zgrajeni za neprekinjeno delovanje 24/7 pod polno obremenitvijo. Digitalni nadzor, programabilne nastavitve, spremljanje temperature, avtomatsko protokoliranje podatkov in daljinsko upravljanje brskalnika so le nekatere značilnosti Hielscher ultrazvočnih aparatov. Zasnovan za visoko zmogljivost in udobno delovanje, uporabniki cenijo varno in enostavno ravnanje z opremo Hielscher Ultrasonics. Hielscher industrijski ultrazvočni procesorji zagotavljajo amplitude do 200 μm in so idealni za težke aplikacije. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
Literatura / Reference
- 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 proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.