Sonokemični in sonokemični reaktorji

Sonokemija je področje kemije, kjer se ultrazvok visoke intenzivnosti uporablja za induciranje, pospeševanje in spreminjanje kemičnih reakcij (sinteza, katalizacija, razgradnja, polimerizacija, hidroliza itd.). Za ultrazvočno ustvarjeno kavitacijo so značilna edinstvena energijsko gosta stanja, ki spodbujajo in pospeščujejo kemične reakcije. Hitrejše stopnje reakcij, višji donosi in uporaba zelenih, blažji reagenti sonokemijo spremenijo v zelo ugodno orodje za pridobitev izboljšanih kemičnih reakcij.

Ultrazvočna kemija

Sonokemija je raziskovalno in predelovalno polje, v katerem molekule zaradi uporabe ultrazvočnosti visoke intenzivnosti (npr. 20 kHz) opravijo kemično reakcijo. Pojav, odgovoren za sonokemične reakcije, je akustična kavitacija. Akustična ali ultrazvočna kavitacija se pojavi, ko se močni ultrazvočni valovi spojijo v tekočino ali slurry. Zaradi izmenične visokotlačne / nizkotlačne cikle, ki jih povzročajo močni ultrazvočni valovi v tekočini, nastajajo vakumski mehurčki (kavitacialne praznine), ki rastejo v več tlačnih ciklih. Ko kavitacialni vakumski mehurček doseže določeno velikost, kjer ne more absorbirati več energije, se vakumski mehurček nasilno implodira in ustvari zelo energijsko gosto vročo točko. Za to lokalno pojavljanje vroče točke so značilne zelo visoke temperature, pritiski in mikrotok izredno hitri tekoči reaktivci.

Akustična kavitacija in učinki ultrasonikacije visoke intenzivnosti

Akustična kavitacija, pogosto imenovana tudi ultrazvočna kavitacija, se lahko razloči v dveh oblikah, stabilno in prehodno kavitacijo. Med stabilno kavitacijo kavitacijska mehurčka večkrat oscilira okoli svojega enakomernega polmera, medtem ko se med prehodno kavitacijo, v kateri kratkotrajni mehurček prestaja dramatične spremembe glasnosti v nekaj akustičnih ciklih in se konča v nasilnem kolapsu (Suslick 1988). Stabilna in prehodna kavitacija se lahko pojavi hkrati v raztopini in mehurček, ki je v stabilnem kavitacijo, lahko postane prehodna votlina. Implozija mehurčkov, ki je značilna za prehodno kavitacijo in sonication z visoko intenzivnostjo, ustvarja različne fizikalne pogoje, vključno z zelo visokimi temperaturami 5000–25.000 K, tlaki do več 1000 barov in tekoči tokovi s hitrostjo do 1000m/s. Ker se kolaps/implozija kavitacijskih mehurčkov pojavi v manj kot nanosekudu, zelo visoke stopnje ogrevanja in hlajenje, ki presegajo 10¹¹ K/s je mogoče opaziti. Tako visoke stopnje ogrevanja in tlaka lahko sprožijo in pospešijo reakcije. Kar zadeva pojavne tekoče tokove, ti visokohitrostni mikrojeti kažejo še posebej visoke koristi pri heterogenih trdnih-tekočih blatah. Tekoča letala, ki ovirajo površino s polno temperaturo in tlakom mehurčka, povzročajo erozijo skozi trk med delci, pa tudi lokalizirano taljenje. Zato je opažen bistveno izboljšan množični prenos v raztopini.

Ultrazvočna kavitacija je najučinkoviteje ustvarjena v tekočinah in topilih z nizkimi parnimi tlaki. Zato so mediji z nizkimi tlaki pare ugodni za sonokemične aplikacije.
Zaradi ultrazvočne kavitacije lahko ustvarjene intenzivne sile preklopijo poti reakcij na učinkovitejše poti, tako da se izognemo popolnejšim konverzijam in/ali proizvodnji neželenih strani.
Energijsko gost prostor, ki ga ustvari kolaps kavitacijskih mehurčkov, se imenuje vroča točka. Nizko frekvenčni ultrazvok visoke moči v dosegu 20kHz in sposobnost ustvarjanja visokih amplitud je dobro uveljavljena za ustvarjanje intenzivnih vročih točk in ugodnih sonokemičnih razmer.

Ultrazvočna laboratorijska oprema ter industrijski ultrazvočni reaktorji za komercialne sonokemične procese so lahko na voljo in dokazano zanesljivi, učinkoviti in okolju prijazni na laboratorijski, pilotni in popolnoma industrijski lestvici. Sonokemične reakcije se lahko izvajajo kot serija (npr. odprta posoda) ali postopek v vrsti z uporabo reaktorja zaprtih pretoknih celic.

Sono-Sinteza

Sono-sinteza ali sonokemična sinteza je uporaba ultrazvočno ustvarjene kavitacije, da se sprožijo in spodbujajo kemične reakcije. Ultrasonication visoke moči (npr. pri 20 kHz) kaže močne učinke na molekule in kemične vezi. Na primer, sonokemični učinki, ki izhajajo iz intenzivne sonication lahko povzroči delitev molekul, ustvarjanje prostih radikalov, in/ali preklapljanje kemičnih poti. Sonokemična sinteza se zato intenzivno uporablja za izdelavo ali spremembo široke palete nanostrukturiranih materialov. Primeri za nanomateriale, proizvedene s sono-sintezo, so nanodelci (NP) (npr. zlati NP, srebrni NP), pigmenti, jedrni nanodelci, nano-hidroksiapatit, kovinski organski okviri (MOF), aktivne farmacevtske sestavine (API), mikrosfero okrašenih nanodelcev, nanokomposite med številnimi drugimi materiali.
Primeri: Ultrazvočna transesterifikacija maščobnih kislin metil esterjev (biodiesel) ali transesterifikacijo poliola z uporabo ultrazvoka.

TEM slika (A) in porazdelitev velikosti delcev (B) srebrnih nanodelcev (Ag-NP), ki so bili sonokemično sintetiizirani v optimalnih pogojih.

Prav tako široko uporablja ultrazvočno spodbuja kristalizacijo (sono-kristalizacija), kjer moč-ultrazvok se uporablja za proizvodnjo supernasičenih raztopin, za začetek kristalizacije / padavine, in nadzor kristalne velikosti in morfologije preko ultrazvočnih procesnih parametrov. Kliknite tukaj, če želite izvedeti več o sono-kristalizaciji!

sono-kataliza

Sonicanje kemične suspenzije ali raztopine lahko bistveno izboljša katalitične reakcije. Sonokemična energija zmanjšuje reakcijski čas, izboljšuje prenos toplote in mase, kar ima za posledico povečane konstante kemijske hitrosti, donose in selektivnosti.
Obstajajo številni katalitični procesi, ki imajo drastične koristi od uporabe ultrazvoka moči in njenih sonokemičnih učinkov. Vsaka heterogena faza prenosa kataliz (PTC) reakcija, ki vključuje dve ali več nemogočih tekočin ali tekočinsko trdno sestavo, koristi od sonication, sonokemične energije in izboljšanega prenosa mase.
Primerjalna analiza tihe in ultrazvočno podprte katalitske oksidacije fenola v vodi je na primer pokazala, da je sonication zmanjšala energijsko pregrado reakcije, vendar ni vplivala na reakcijsko pot. Aktivacijska energija za oksidacijo fenola preko RuI₃ med sonikacijo ugotovili, da je bil 13 kJ mol^-1, ki je bil štirikrat manjši v primerjavi s postopkom tihe oksidacije (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonokemična katalizacija se uspešno uporablja za izdelavo kemičnih izdelkov, kot tudi za proizvodnjo mikron- in nanostrukturiranih anorganskih materialov, kot so kovine, zlivine, kovinske spojine, nekovinski materiali in anorganski kompositi. Pogosti primeri ultrazvočno podprtega PTC so transesterifikacija prostih maščobnih kislin v metil ester (biodiesel), hidroliza, saponifikacija rastlinskih olj, sono-Fentonova reakcija (fentonu podobni procesi), sonokatalitična razgradnja itd.
Preberite več o sono-kataliziji in posebnih aplikacijah!
Sonication izboljša kemijo klikov, kot so azid-alkin ciklodition reakcije!

Druge sonokemične aplikacije

Zaradi vsestranske uporabe, zanesljivosti in preprostega delovanja sonokemični sistemi, kot je UP400St ali UIP2000hdT se vrednotijo kot učinkovita oprema za kemične reakcije. Hielscher Ultrasonics sonokemične naprave se lahko enostavno uporabljajo za serije (odprti beaker) in neprekinjeno inline sonication z uporabo sonokemične pretok celice. Sonokemijo, vključno s sono-sintezo, sono-katalizo, razgradnja ali polimerizacijo, se pogosto uporabljajo v kemiji, nanotehnologiji, znanosti o materialih, farmacevtiki, mikrobiologiji, pa tudi v drugih panogah.

Visokokakovostna sonokemična oprema

Hielscher Ultrasonics je vaš vrhunski dobavitelj inovativnih, vrhunskih ultrazvočnih, sonokemičnih pretočnih celic, reaktorjev in dodatkov za učinkovite in zanesljive sonokemične reakcije. Vsi Hielscher ultrasonicatorji so izključno zasnovani, izdelani in preizkušeni na sedežu Hielscher Ultrasonics v Teltowu (blizu Berlina), Nemčija. Poleg najvišjih tehničnih standardov in izjemne robustnosti in operacije 24/7/365 za zelo učinkovito delovanje, hielscher ultrazvočniki so enostavni in zanesljivi za delovanje. Visoka učinkovitost, pametna programska oprema, intuitiven meni, samodejno protokoliranje podatkov in daljinski upravljalnik brskalnika so le nekaj funkcij, ki razlikujejo Hielscher Ultrasonics od drugih proizvajalcev sonokemične opreme.

Natančno nastavljive amplitude

Amplitude je premik na sprednji (konici) sonotrode (znan tudi kot ultrazvočna sonda ali rog) in je glavni vplivni faktor ultrazvočne kavitacije. Višje amplitude pomenijo intenzivnejšo kavitacijo. Potrebna intenzivnost kavitacije je močno odvisna od vrste reakcije, uporabljenih kemičnih reagentov in ciljno usmerjenih rezultatov specifične sonokemične reakcije. To pomeni, da mora biti amplitude natančno nastavljiva, da se intenzivnost akustične kavitacije prilagodi idealni ravni. Vse Hielscher ultrasonicatorje je mogoče zanesljivo in natančno prilagoditi preko inteligentnega digitalnega nadzora na idealno amplitude. Booster rogovi se lahko dodatno uporabljajo za zmanjšanje ali povečanje amplitude mehansko. Ultrazvočni’ industrijski ultrazvočni predelovalci lahko dostavijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200μm je mogoče enostavno neprekinjeno izvajati v 24/7 operaciji. Za še višje amplitude so na voljo prilagojeni ultrazvočni sonotrodi.

Natančen nadzor temperature med sonokemičnih reakcijah

V kavitacijnem vročem mestu je mogoče opaziti izjemno visoke temperature več tisoč stopinj Celzija. Vendar pa so te ekstremne temperature omejene lokalno na minuto notranjosti in okolice implodnega kavitacijnega mehurčka. V raztopini v raztopini je dvig temperature iz implozije zanemarljiv en ali malo kavitacijskih mehurčkov. Toda neprekinjeno, intenzivno sonication za daljša obdobja lahko povzroči postopen dvig temperature v razsutem stanju tekočine. To povečanje temperature prispeva k številnim kemičnim reakcijam in se pogosto šteje kot koristno. Vendar pa imajo različne kemijske reakcije različne optimalne reakcijske temperature. Ko se toplotno občutljivi materiali obdelajo, je morda potrebna kontrola temperature. Da bi omogočili idealne toplotne pogoje med sonokemičnih procesov, Hielscher Ultrasonics ponuja različne sofisticirane rešitve za natančno uravnavanje temperature v sonokemičnih procesih, kot so sonokemični reaktorji in pretočne celice, opremljene s hladilnimi jaknami.
Naše sonokemične pretočne celice in reaktorji so na voljo s hladilnimi jaknami, ki podpirajo učinkovito toplotno disipacijo. Za neprekinjeno spremljanje temperature so Hielscher ultrasonicatorji opremljeni z vtičnim temperaturnim senzorjem, ki ga lahko vstavite v tekočino za stalno meritev temperature v razsutem stanju. Prefinjena programska oprema omogoča nastavitev temperaturnega razpona. Ko je omejitev temperature prekinjena, se ultrasonicator samodejno zadrži, dokler se temperatura v tekočini ne spusti na določeno točko in se začne samodejno znova soniciati. Vse meritve temperature kot tudi drugi pomembni ultrazvočni procesni podatki se samodejno zapišejo na vgrajeno SD kartico in jih je mogoče enostavno spremeniti za nadzor procesov.
Temperatura je ključni parameter sonokemičnih procesov. Hielscherjeva dovršena tehnologija vam pomaga ohraniti temperaturo vaše sonokemične uporabe v idealnem temperaturnem območju.

V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators: