Ultrazvočno podprta katalitična ekstrakcija
Hielscher ultrazvočni reaktorji se uporabljajo v številnih panogah za pomoč in izboljšanje katalitske ekstrakcije (CEP) ali tako imenovane fazne ekstrakcije (PTE). Katalitska ekstrakcija vključuje heterogeni sistem faze, ki se ne meša, kot je tekočina-tekočina ali tekočina-trdna snov. Ultrazvočne strižne in kavitacijske sile izboljšajo hitrost raztapljanja raztopljenih snovi, kar bistveno vodi do hitrejše in popolnejše ekstrakcije. Poleg tega se ta učinek lahko uporabi za zmanjšanje količine uporabljenega topila ali kisline. Kot dokazana tehnika se ultrazvočno podprta ekstrakcija vse bolj uporablja zaradi naraščajočega povpraševanja po okolju prijaznih tehnikah ekstrakcije s skrajšanim časom ekstrakcije in zmanjšano porabo organskih topil.
Katalitska ekstrakcija/ekstrakcija s prenosom faze – Temeljih
Izraz “Katalitska ekstrakcijska obdelava (CEP) ali fazna ekstrakcija (PTE) opisuje porazdelitev tekočina-tekočina ali trdna-tekočina, ko je ekstrakcija in odstranjevanje analitov usmerjena. Zato je treba tekoče ali trdno razredčilo razpršiti/emulgirati v topilo (tekoča faza). Po izrazu “Ekstrakcijo” opisana je samo aktivna snov v topilu (tj. homogena "organska faza"’ ki obsega ekstraktant, razredčilo in/ali modifikator), ki je v prvi vrsti odgovoren za prenos topila iz vodne’ na "ekološko’ faza. [IUPAC]. Ciljna snov, ki se ekstrahira, se imenuje ekstrakt.
Tradicionalne metode ekstrakcije, kot so soxhletova ekstrakcija, maceracija, mikrovalovna pečica, perkolacija, ekstrakcija pod refluksom in destilacija z vodno paro ali turboekstrakcija, so pogosto počasne in neučinkovite in/ali zahtevajo veliko količino nevarnih topil, kar povzroča drag in dolgotrajen postopek, ki je škodljiv za okolje.
Ultrazvok je preizkušena alternativa konvencionalnim metodam ekstrakcije, ki zagotavlja hitrejšo in popolnejšo ekstrakcijo z manj ali brez nevarnih topil! Ultrazvok je močna tehnika za zeleno, okolju prijazno obdelavo.

Sonikator UP400St uporablja ultrazvok moči za izboljšanje katalitične ekstrakcije
Načelo ultrazvočno podprte katalitične ekstrakcije
Za ekstrakcijo snovi je treba faze, ki se ne mešajo, zmešati, tako da se snov, ki jo je treba ekstrahirati, lahko raztopi iz nosilne faze v topilno fazo. Najpogosteje se ekstrakcije s prenosom faz izvajajo iz disperzne faze v neprekinjeno fazo, kar pomeni, da je treba kapljice in delce homogeno razpršiti v topilu.
Močni ultrazvok je dobro znana tehnologija mešanja in ekstrakcije, ki ima več pozitivnih učinkov na proces ekstrakcije:
- izboljšana kinetika reakcije
- Fina mešanica nosilca (sorbenov) in topila
- Povečana medfaza med obema fazama
- Povečan prenos mase
- Odstranjevanje pasivacijskih plasti s površine delcev
- motnje celic & Razpad
- Popolnejša ekstrakcija, ki ima za posledico višje donose
- preprost & Shranite operacijo
- Zeleni proces: okolju prijazen
Načelo delovanja ultrazvočne kavitacije in njeni učinki na katalitsko ekstrakcijo
Za namene ekstrakcije se v ultrazvočnem kavitacijskem polju intenzivno mešata dve fazi. Kapljice in delci se razgradijo na submikronske in nano-velikosti. To razvije povečane površine za boljši prenos mase iz ene faze v drugo. Povečana medfaza med obema fazama ima za posledico povečano kontaktno površino za ekstrakcijo, tako da se prenos snovi poveča zaradi odstranitve stoječih plasti tekočine na meji faze. Prenos mase se še poveča zaradi odstranitve pasivacijskih plasti s površine delcev. Za ekstrakcijo biološke snovi iz celic in tkiv se prenos mase poveča z ultrazvočno motnjo celic. Vsi ti učinki vodijo do popolnejše ekstrakcije, kar ima za posledico višje donose.
Prednosti ultrazvočne ekstrakcije:
- prekinitev mejnih plasti
- premagati van-der-Waalsove sile
- premaknite nenasičeno tekočino na kontaktno površino
- zmanjšati ali odpraviti potrebo po prenosnih sredstvih
- zmanjšati čas, temperaturo in/ali koncentracijo
- manj presežka v primerjavi s prostornino, ki je potrebna za popolno nasičenost
- manjši volumen za rafiniranje (npr. z destilacijo, izhlapevanjem, sušenjem)
- brez reaktorjev z neprekinjenim mešanjem (CSR)
- varčevanje z energijo
- brez šaržiranja, ampak inline obdelava
- Uporabite manj kislo ali cenejše topilo
- izogibajte se topili, namesto tega uporabite vodno
- obdelava visokih koncentracij trdnih snovi ali suspenzij z visoko viskoznostjo
- zelena predelava: okolju prijazna
- uporabljajo organske kisline, kot sta jabolčna kislina ali citronska kislina
- Izogibajte se večstopenjskim procesom ekstrakcije
- Biologija
- Kemija
- Hrana & Farmacevtska industrija
- analiza
- jedrska predelava
- rudarske aplikacije
- razžvepljevanje
- Organske spojine
- Geokemija
- čiščenje
Ekstrakcija tekočina-tekočina
Konvencionalni postopek: Ekstrakcija tekočina-tekočina je metoda ločevanja za ekstrakcijo snovi iz ene tekoče faze v drugo tekočo fazo na podlagi relativne topnosti snovi v dveh različnih tekočih fazah, ki se ne mešajo. Uporaba ultrazvoka izboljša hitrost, s katero se topila prenaša med obema fazama z visoko zmogljivostjo mešanje, Emulgiranjein Raztapljanje!
Ekstrakcija tekočina-tekočina je tehnika ločevanja za izolacijo in koncentriranje dragocenih sestavin iz vodne raztopine z uporabo organskega topila. Ekstrakcija tekočina-tekočina se pogosto uporablja, kadar druge tehnike ločevanja (npr. destilacija) niso učinkovite. Ekstrakcija tekočina-tekočina se uporablja v farmacevtski industriji & kozmetika (aktivne spojine, aktivne učinkovine, dišave), pa tudi živilska in kmetijska industrija, za organsko in anorgansko kemijo, petrokemično industrijo in hidrometalurgijo.
Problem: Pogosta težava je nemešavost tekočih faz (topilo in razredčilo se ne mešata), zato je potrebna ustrezna metoda mešanja. Ker enakomerno mešanje obeh tekočih faz spodbuja prenos faz med razredčilom in topilom, je zanesljiva metoda dispergiranja ali emulgiranja ključnega pomena. Bolj fina kot je zmes in večja je kontaktna površina med obema fazama, bolje lahko raztopina potuje iz ene tekoče faze v drugo tekočo fazo. Konvencionalni postopki ekstrakcije večinoma ne spodbujajo prenosa mase, tako da je postopek ekstrakcije počasen in pogosto nepopoln. Za izboljšanje ekstrakcije se pogosto uporabljajo prekomerne količine topil, zaradi česar je postopek drag in onesnažuje okolje.
Rešitev: Ultrazvočna ekstrakcija tekočina-tekočina je odlična s tradicionalnimi tehnikami ekstrakcije tekočina-tekočina na različnih točkah:
Močni ultrazvok zanesljivo in enostavno meša dve ali več tekočih faz. Z ultrazvokom se kapljice lahko zmanjšajo na nano-velikost, tako da je fino Mikro- in nanoemulzije se pridobijo. S tem nastale kavitacijske sile spodbujajo prenos mase med tekočimi fazami. Ker se ultrazvočno razbijanje lahko izvaja v neprekinjenem linijskem sistemu, velike količine in zelo viskozne tekočine je mogoče brez težav ravnati.
Toda tudi mikroekstrakcijo, npr. za analitične namene, lahko izboljšamo tudi z ultrazvočno razbijanjem (npr. Mikroekstrakcija na ionski tekočinski osnovi z ultrazvočno emulgiranjem).
Prednosti ultrazvočne ekstrakcije:
Močne ultrazvočne sile – ustvarjen z nizkofrekvenčnim / visoko zmogljivim ultrazvokom – pomaga pri
- Preoblikujte kapljice
- izogibajte se emulzijskim prenosnim sredstvom ali amfifilskim katalizatorjem
- Izogibajte se uporabi detergentov ali površinsko aktivnih snovi
- izogibajte se amfifilskim katalstom, detergentom ali površinsko aktivnim snovem
- ustvarjajo turbulentne nestabilne emulzije brez površinsko aktivnih plasti
Ekstrakcija trdne tekočine izboljšana z ultrazvokom
Cilj ekstrakcije trdno-tekoča ali ekstrakcija v trdni fazi (SPE) je ločevanje analitov, ki se raztopijo ali suspendirajo v tekoči mešanici, in njihova izolacija iz matriksa glede na njihove fizikalne in kemijske lastnosti. Zato se izolat eluira iz sorbenov s pomočjo ustreznega topila. Ekstrahirana snov se imenuje eluta.
Konvencionalne tehnike SPE so maceracija, Soxhletova ekstrakcija, perkolacija, kombinacija refluksa in destilacije z vodno paro ali mešanje z visoko hitrostjo / turboekstrakcija. Ekstrakcija trdne tekočine je običajen postopek ločevanja spojin v biologiji, kemiji ter v živilski, farmacevtski in kozmetični industriji. Pridobivanje kovin je znano tudi kot izpiranje.
Problem: Konvencionalne tehnike SPE so znane kot zamudne in zahtevajo relativno velike količine topil, ki so večinoma okolju nevarna in onesnažujoča. Visoke procesne temperature lahko celo povzročijo uničenje toplotno občutljivih ekstraktov.
Rešitev: Z ultrazvočno podprto ekstrakcijo trdne tekočine je mogoče običajno premagati pogoste težave tradicionalnega SPE. Ker ultrazvočna razbijanje zagotavlja fino porazdelitev trdnih snovi v topilni fazi, je na voljo večja medfazna meja, tako da se izboljša prenos mase ciljne snovi v topilo. To ima za posledico hitrejšo in popolnejšo ekstrakcijo, medtem ko je uporaba topila zmanjšana ali popolnoma izognuta (namesto tega uporabite vodo kot tekočo fazo). Z uporabo ultrazvoka moči se lahko ekstrakcija trdne faze izvede bolj učinkovito, ekonomično in okolju prijazno. Zaradi zmanjšanja ali izogibanja onesnaževalnim ali nevarnim topilom se lahko ultrazvočna ekstrakcija šteje za okolju prijazno Okolju prijazen proces. Ekonomsko se procesni stroški zmanjšajo zaradi prihrankov energije, topil in časa.
Ultrazvočna ekstrakcija topila
V primeru ekstrakcije s topilom se topilo (npr. organsko topilo) uporabi za raztapljanje in ločevanje spojine od druge tekočine (npr. vodne faze). Na splošno se več polarnih topil raztopi v bolj polarnem topilu in manj polarnih topil v manj polarnem topilu. Z ekstrakcijo s topilom je mogoče ločiti oksidirane tiofene (sulfokside, sulfone) iz oljne faze z uporabo acetonitrila ali drugih polarnih topil. Ekstrakcija s topilom se uporablja tudi za ekstrakcijo materialov, kot so uran, plutonij ali torij iz kislih raztopin v organofosfatne tri-N-butil fosfat (postopek PUREX).
Zmanjšajte porabo topil: Uporaba ultrazvoka zmanjša uporabo topil v procesu in optimizira obremenitev izdelka v topilu. Prav tako vodi do hitrejše in popolnejše ekstrakcije.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o ultrazvočno podprto oksidativnem razžveplanju!
Ultrazvočno podprta Soxhletova ekstrakcija
Soxhletova ekstrakcija je tehnika ekstrakcije trdne tekočine, ki se pogosto uporablja v sintetičnih in analitičnih laboratorijih. Soxhletova ekstrakcija se uporablja v glavnem, kadar ima snov le omejeno topnost v topilu in je nečistoča v tem topilu netopna.
Ultrazvok se lahko zelo uspešno kombinira s Soxhletovo ekstrakcijo, kar ima za posledico povečane donose in krajši čas ekstrakcije.
Kliknite tukaj, če želite izvedeti več o ultrazvočno podprti ekstrakciji Soxhlet!
Ekstrakcija v talinah z uporabo ultrazvočne obdelave
Ekstrakcije tekočina-tekočina se lahko izvajajo v zmeseh, kjer sta ena ali obe tekoči fazi taline, kot so staljene soli ali staljene kovine, kot je živo srebro. Močna inline ultrazvočna ultrazvočna celica omogoča obdelavo celo tekočin z visoko viskoznostjo, kot so taline.
Ultrazvočno podprto izpiranje
Izpiranje opisuje uporabo kislin, topil ali vroče vode za selektivno raztapljanje topila iz inertnega netopnega trdnega nosilca. Izpiranje se pogosto uporablja v rudarstvu za pridobivanje kovin iz rud.
Prednosti ultrazvočnega izpiranja:
- Operite majhne odprtine iz poroznih materialov
- premagati selektivnost membran
- uničiti trdne snovi, razslojiti in razlagati trdne snovi
- odstranjevanje pasivnih plasti
- odstranjevanje oksidnih plasti
- Navlažite vso površino materiala, zlasti za tekočine z visoko površinsko napetostjo
- strižno redčenje
Kliknite tukaj, če želite izvedeti več o ultrazvočnem izpiranje!
Hielscher Sonicatorji za vsak obseg proizvodnje
Sonikacija v laboratoriju, na mizi in proizvodni lestvici: Vse Hielscher ultrazvočne naprave so zgrajene za delovanje 24h / 7d, tudi ultrazvočni laboratorijski homogenizatorji lahko obdelajo precejšnje količine bodisi v šaržnem ali pretočnem načinu. Namizni in industrijski ultrazvočni aparati so zasnovani in izdelani v industrijskem razredu, tako da je mogoče brez težav obdelati velike količine in visoke viskoznosti – tudi v zahtevnih pogojih, kot so visoki tlaki in visoke temperature (npr. v kombinaciji s superkritičnim CO2, za postopke ekstrudiranja itd.). Hielscherjevi robustni ultrazvočni aparati so sposobni ravnati s topili, abrazivnimi tekočinami in korozivnimi snovmi. Primerna dodatna oprema omogoča optimalno prilagoditev ultrazvočnega sistema zahtevam procesa ekstrakcije. Za vgradnjo v nevarnih okoljih, ATEX ali FM ultrazvočni sistemi, ki so odporni na eksplozijo so na voljo.
S tem Hielscher robustni in zmogljivi sonikatorji ter široka paleta dodatkov omogočajo sonikiranje materialov, kot so vroča voda/tekočine, kisline, kovinske taline, taline soli, topila (npr. metanol, heksan; organska, polarna topila, npr. acetonitril).
- mešanje
- Emulgiranje
- Razpršitvijo
- Deaglomeracija
- mokro rezkanje
- Razplinjevanje
- Raztapljanje
- Ekstrakcija
- Homogenizacija tkiva
- Sono-fragmentacija
- vrenje
- čiščenje
- Sono-sinteza
- Sono-kataliza
- padavine
- Sono-izpiranje
- Razgradnje
Literatura / Reference
- 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.
- Bendicho, C.; De La Calle, I.; Pena, F.; Costas, M.; Cabaleiro, N.; Lavilla, I. (2012): Ultrasound-assisted pretreatment of solid samples in the context of green analytical chemistry. Trends in Analytical Chemistry, Vol. 31, 2012. 50-60.
- Shayegan, Z.; Razzaghi, M.; Niaei, A.; Salari, D.; Tabar, M.T.S.; Akbari, A.N. (2013): Sulfur removal of gas oil using ultrasound-assisted catalytic oxidative process and study of its optimum conditions. Korean J. Chem. Eng., 30(9), 2013. 1751-1759.
- Oluseyi, T.; Olayinka, K.; Alo, B.; Smith, R. M. (2011): Comparison of extraction and clean-up techniques for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in contaminated soil samples. African Journal of Environmental Science and Technology Vol. 5/7, 2011. 482-493.
- Petigny, L.; Périno-Issartier, S.; Wajsman, J.; Chemat, F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Ultrazvočna tekočinska obdelava se pogosto imenuje ultrazvočna obdelava, ultrazvočna obdelava, sonifikacija, insonacija, ultrazvočno obsevanje ali uporaba akustičnih polj. Vsi ti izrazi opisujejo spajanje ultrazvočnih valov visoke moči v tekoči medij za doseganje ultrazvočnih
- mešanje & Mešanje,
- Homogenizacijo,
- emulgiranje,
- Razpršitvijo & Deaglomeracija,
- zmanjšanje velikosti delcev (rezkanje & brušenje),
- Raztapljanje,
- Vlaženje & vlaženje,
- liza & motnje celic,
- Ekstrakcija,
- Homogenizacija tkiva,
- fragmentacija,
- Razplinjevanje & penjenje,
- strižno redčenje in
- sonokemična reakcija.
Ker je ultrazvok moči tako vsestranska tehnika obdelave, so ultrazvočne naprave znane pod različnimi izrazi, kot so sondni sonikator, zvočni lizer, ultrazvočni motilec, ultrazvočni mlinček, sono-ruptor, sonifikator, zvočni dismembrator, motilec celic, ultrazvočni razpršilec ali raztapljač.