Sonokemija in sonokemični reaktorji
Sonokemija je področje kemije, kjer se ultrazvok visoke intenzivnosti uporablja za inducijo, pospeševanje in spreminjanje kemijskih reakcij (sinteza, kataliza, razgradnja, polimerizacija, hidroliza itd.). Za ultrazvočno generirano kavitacijo so značilni edinstveni energetsko gosti pogoji, ki spodbujajo in intenzivirajo kemične reakcije. Hitrejše hitrosti reakcije, višji donosi in uporaba zelenih, blažjih reagentov spremenijo sonokemijo v zelo ugodno orodje za doseganje izboljšanih kemijskih reakcij.
Sonokemija
Sonokemija je raziskovalno in procesno področje, v katerem so molekule podvržene kemični reakciji zaradi uporabe ultrazvočne razdalje visoke intenzivnosti (npr. 20 kHz). Pojav, ki je odgovoren za sonokemične reakcije, je akustična kavitacija. Akustična ali ultrazvočna kavitacija se pojavi, ko so močni ultrazvočni valovi povezani v tekočino ali gnojevko. Zaradi izmeničnih visokotlačnih? nizkotlačnih ciklov, ki jih povzročajo ultrazvočni valovi moči v tekočini, nastajajo vakuumski mehurčki (kavitacijske praznine), ki rastejo v več tlačnih ciklih. Ko kavitacijski vakuumski mehurček doseže določeno velikost, kjer ne more absorbirati več energije, vakuumski mehurček silovito implodira in ustvari visoko energetsko gosto vročo točko. Za to lokalno prisotno vročo točko so značilne zelo visoke temperature, tlaki in mikro tokovi izjemno hitrih tekočih curkov.
Zaprti šaržni reaktor iz nerjavečega jekla je opremljen z ultrazvočni zvočnik UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustična kavitacija in učinki ultrazvočnega razglašanja z visoko intenzivnostjo
Akustično kavitacijo, ki jo pogosto imenujemo tudi ultrazvočna kavitacija, lahko ločimo v dve obliki, stabilno in prehodno kavitacijo. Med stabilno kavitacijo kavitacijski mehurček večkrat niha okoli svojega ravnotežnega polmera, medtem ko med prehodno kavitacijo, pri kateri kratkotrajni mehurček v nekaj akustičnih ciklih doživi dramatične spremembe glasnosti in se konča z nasilnim kolapsom (Suslick 1988). V raztopini se lahko istočasno pojavi stabilna in prehodna kavitacija, mehurček, ki je podvržen stabilni kavitaciji, pa lahko postane prehodna votlina. Implozija mehurčkov, ki je značilna za prehodno kavitacijo in visoko intenzivno ultrazvočno razbijanje, ustvarja različne fizikalne pogoje, vključno z zelo visokimi temperaturami 5000–25.000 K, tlaki do več 1000 barov in tekočimi tokovi s hitrostjo do 1000 m? s. Ker se kolaps/implozija kavitacijskih mehurčkov pojavi v manj kot nanosekundi, zelo visoke hitrosti segrevanja in hlajenja presegajo 1011 K? s je mogoče opaziti. Tako visoke hitrosti segrevanja in razlike v tlaku lahko sprožijo in pospešijo reakcije. Kar zadeva pojavljajoče se tekoče tokove, ti hitri mikrocurki kažejo še posebej velike koristi, ko gre za heterogene trdno-tekoče gnojevke. Tekoči curki udarijo na površino s polno temperaturo in tlakom propadajočega mehurčka in povzročijo erozijo s trkom med delci in lokalnim taljenjem. Posledično opazimo bistveno izboljšan prenos mase v raztopini.
Ultrazvočna kavitacija se najučinkoviteje ustvarja v tekočinah in topilih z nizkimi parnimi tlaki. Zato so mediji z nizkim parnim tlakom ugodni za sonokemične aplikacije.
Zaradi ultrazvočne kavitacije lahko ustvarjene intenzivne sile preklopijo poti reakcij na učinkovitejše poti, tako da se izognemo popolnejšim pretvorbam in? ali proizvodnji neželenih stranskih proizvodov.
Energijsko gost prostor, ki nastane s propadom kavitacijskih mehurčkov, se imenuje vroča točka. Nizkofrekvenčni, visoko zmogljivi ultrazvok v območju 20kHz in sposobnost ustvarjanja visokih amplitud je dobro uveljavljen za ustvarjanje intenzivnih vročih točk in ugodnih sonokemičnih pogojev.
Ultrazvočna laboratorijska oprema in industrijski ultrazvočni reaktorji za komercialne sonokemične procese so na voljo in dokazani kot zanesljivi, učinkoviti in okolju prijazni v laboratorijski, pilotni in popolnoma industrijski ravni. Sonokemične reakcije se lahko izvajajo kot šaržni (tj. Odprta posoda) ali in-line postopek z uporabo zaprtega reaktorja pretočne celice.
Sono-sinteza
Sono-sinteza ali sonokemična sinteza je uporaba ultrazvočno ustvarjene kavitacije za sprožitev in spodbujanje kemijskih reakcij. Ultrazvok visoke moči (npr. Pri 20 kHz) kaže močne učinke na molekule in kemične vezi. Na primer, sonokemični učinki, ki so posledica intenzivnega ultrazvočnega razbijanja, lahko povzročijo delitev molekul, ustvarjanje prostih radikalov in? ali preklapljanje kemičnih poti. Sonokemična sinteza se zato intenzivno uporablja za izdelavo ali modifikacijo širokega spektra nanostrukturiranih materialov. Primeri nanomaterialov, ki nastanejo s sonosintezo, so nanodelci (npr. nanodelci zlata, srebra), pigmenti, nanodelci jedrne lupine, nano-hidroksiapatit, kovinski organski okvirji (MOF), aktivne farmacevtske sestavine (API), nanodelci, okrašeni z mikrosferami, nanokompoziti in številni drugi materiali.
Primeri: Ultrazvočna transesterifikacija metil estrov maščobnih kislin (biodizel) ali transesterifikacija poliolov z uporabo ultrazvoka.
TEM slika (A) in njena porazdelitev velikosti delcev (B) nanodelcev srebra (Ag-NP), ki so bili sonokemično sintetizirani v optimalnih pogojih.
Široko se uporablja tudi ultrazvočno spodbujana kristalizacija (sono-kristalizacija), kjer se močni ultrazvok uporablja za proizvodnjo prenasičenih raztopin, za začetek kristalizacije? obarjanja in nadzor velikosti in morfologije kristalov z ultrazvočnimi procesnimi parametri. Kliknite tukaj, če želite izvedeti več o sonokristalizaciji!
Sono-kataliza
Ultrazvočno razbijanje kemične suspenzije ali raztopine lahko znatno izboljša katalitične reakcije. Sonokemična energija skrajša reakcijski čas, izboljša prenos toplote in mase, kar posledično povzroči povečane konstante kemijske hitrosti, donose in selektivnost.
Obstajajo številni katalitični procesi, ki imajo drastične koristi od uporabe ultrazvoka moči in njegovih sonokemičnih učinkov. Vsaka heterogena reakcija katalize faznega prenosa (PTC), ki vključuje dve ali več tekočin, ki se ne mešajo, ali sestavo tekočina-trdna snov, ima koristi od ultrazvočnega razbijanja, sonokemične energije in izboljšanega prenosa mase.
Na primer, primerjalna analiza tihe in ultrazvočno podprte katalitske oksidacije fenola z mokrim peroksidom v vodi je pokazala, da je ultrazvočna razbijanja zmanjšala energijsko pregrado reakcije, vendar ni vplivala na reakcijsko pot. Aktivacijska energija za oksidacijo fenola nad RuI3 katalizator med ultrazvočnim razbijanjem je bil 13 kJ mol-1, ki je bil štirikrat manjši v primerjavi s tihim oksidacijskim procesom (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonokemična kataliza se uspešno uporablja za izdelavo kemičnih izdelkov, kot tudi za proizvodnjo mikron- in nanostrukturiranih anorganskih materialov, kot so kovine, zlitine, kovinske spojine, nekovinski materiali in anorganski kompoziti. Pogosti primeri ultrazvočno podprtega PTC so transesterifikacija prostih maščobnih kislin v metil ester (biodizel), hidroliza, saponifikacija rastlinskih olj, sono-Fentonova reakcija (Fentonovi podobni procesi), sonocatalitična razgradnja itd.
Preberite več o sono-katalizi in posebnih aplikacijah!
Sonication izboljša kemijo klikov, kot so azidno-alkinske cikloadicijske reakcije!
Druge sonokemične aplikacije
Zaradi vsestranske uporabe, zanesljivosti in enostavnega upravljanja so sonokemični sistemi, kot je UP400St ali UIP2000hdT so cenjeni kot učinkovita oprema za kemijske reakcije. Hielscher Ultrasonics sonokemične naprave se lahko enostavno uporabljajo za šaržno (odprto čašo) in neprekinjeno inline ultrazvočno razbijanje z uporabo sonokemične pretočne celice. Sonokemija, vključno s sono-sintezo, sono-katalizo, razgradnjo ali polimerizacijo, se pogosto uporablja v kemiji, nanotehnologiji, znanosti o materialih, farmaciji, mikrobiologiji in v drugih industrijah.
Industrijski ultrazvočni aparat UIP2000hdT (2kW) s sonokemičnim inline reaktorjem.
Visoko zmogljiva sonokemična oprema
Hielscher Ultrasonics je vaš najboljši dobavitelj inovativnih, najsodobnejših ultrazvočnih aparatov, sonokemičnih pretočnih celic, reaktorjev in dodatkov za učinkovite in zanesljive sonokemične reakcije. Vsi Hielscher ultrazvočni aparati so ekskluzivno zasnovani, izdelani in preizkušeni na sedežu Hielscher Ultrasonics v Teltowu (blizu Berlina) v Nemčiji. Poleg najvišjih tehničnih standardov in izjemne robustnosti ter delovanja 24/7/365 za visoko učinkovito delovanje, so Hielscher ultrazvočni aparati enostavni in zanesljivi za uporabo. Visoka učinkovitost, pametna programska oprema, intuitiven meni, samodejno protokoliranje podatkov in daljinski upravljalnik brskalnika so le nekatere funkcije, ki razlikujejo Hielscher Ultrasonics od drugih proizvajalcev sonokemične opreme.
Natančno nastavljive amplitude
Amplituda je premik na sprednji strani (konici) sonotrode (znan tudi kot ultrazvočna sonda ali rog) in je glavni vplivni dejavnik ultrazvočne kavitacije. Višje amplitude pomenijo intenzivnejšo kavitacijo. Zahtevana intenzivnost kavitacije je močno odvisna od vrste reakcije, uporabljenih kemičnih reagentov in ciljnih rezultatov specifične sonokemične reakcije. To pomeni, da mora biti amplituda natančno nastavljiva, da se intenzivnost akustične kavitacije prilagodi na idealno raven. Vse Hielscher ultrazvočne aparate je mogoče zanesljivo in natančno prilagoditi z inteligentnim digitalnim krmiljenjem na idealno amplitudo. Spodbujevalni rogovi se lahko dodatno uporabljajo za mehansko zmanjšanje ali povečanje amplitude. Ultrazvok’ Industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
Natančna kontrola temperature med sonokemičnimi reakcijami
In the cavitation hot-spot, extremely high temperatures of of many thousands of degrees Celsius can be observed. However, these extreme temperatures are limited locally to the minute interior and surrounding of the imploding cavitation bubble. In the bulk solution, the temperature rise from the implosion a single or few cavitation bubbles is negligible. But continuous, intense sonication for longer periods can cause an incremental increase of the bulk liquid’s temperature. This increase in temperature contributes to many chemical reactions and is often considered as beneficial. However, different chemical reactions have different optimum reaction temperatures. When heat-sensitive materials are treated, temperature control may be necessary. In order to allow for ideal thermal conditions during sonochemical processes, Hielscher Ultrasonics offers various sophisticated solutions for precise temperature control during sonochemical processes, such as sonochemical reactors and flow cells equipped with cooling jackets.
Naše sonokemične pretočne celice in reaktorji so na voljo s hladilnimi plašči, ki podpirajo učinkovito odvajanje toplote. Za neprekinjeno spremljanje temperature so Hielscher ultrazvočni senzorji opremljeni z vtičnim temperaturnim senzorjem, ki ga je mogoče vstaviti v tekočino za konstantno merjenje nasipne temperature. Prefinjena programska oprema omogoča nastavitev temperaturnega območja. Ko je temperaturna meja presežena, se ultrazvočni aparat samodejno ustavi, dokler se temperatura v tekočini ne spusti na določeno nastavljeno vrednost in začne samodejno spet ultrazvočno. Vse meritve temperature in drugi pomembni ultrazvočni procesni podatki se samodejno zabeležijo na vgrajeno kartico SD in jih je mogoče enostavno pregledati za nadzor procesa.
Temperature is a crucial parameter of sonochemical processes. Hielscher’s elaborated technology helps you to keep the temperature of your sonochemical application in the ideal temperature range.
- visoka učinkovitost
- Najsodobnejša tehnologija
- enostaven in varen za uporabo
- Zanesljivost & Robustnosti
- Serije & Inline
- za poljubno količino
- Inteligentna programska oprema
- pametne funkcije (npr. protokoliranje podatkov)
- CIP (čiščenje na mestu)
Sonokemični reaktor: Intenzivna ultrazvočna razbijanje in posledična kavitacija sproži in okrepi kemične reakcije in lahko preklopi celo poti.
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.
Primeri ultrazvočno izboljšane kemijske reakcije v primerjavi s konvencionalnimi reakcijami
Spodnja tabela daje pregled več pogostih kemijskih reakcij. Za vsako vrsto reakcije se primerja konvencionalno izvedena reakcija v primerjavi z ultrazvočno intenzivno reakcijo glede na donos in hitrost pretvorbe.
| 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% |
(prim. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, prva izdaja. Objavil leta 2019 Wiley)
Literatura? Reference
- 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.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.