Sonokimia është fusha e kimisë ku ultrazëri me intensitet të lartë përdoret për të nxitur, përshpejtuar dhe modifikuar reaksionet kimike (sinteza, kataliza, degradimi, polimerizimi, hidroliza etj.). Kavitacioni i gjeneruar në mënyrë ultrasonike karakterizohet nga kushte unike të dendura energjie, të cilat nxisin dhe intensifikojnë reaksionet kimike. Shpejtësia e reagimit më të shpejtë, rendimentet më të larta dhe përdorimi i reagentëve jeshilë dhe më të butë e shndërrojnë sonokiminë në një mjet shumë të favorshëm për të marrë reaksione kimike të përmirësuara.

sonochemistry

Sonokimia është fusha kërkimore dhe përpunuese në të cilën molekulat i nënshtrohen një reaksioni kimik për shkak të aplikimit të ultrasonikimit me intensitet të lartë (p.sh., 20 kHz). Fenomeni përgjegjës për reaksionet sonokimike është kavitimi akustik. Kavitimi akustik ose tejzanor ndodh kur valët e fuqishme të ultrazërit bashkohen në një lëng ose slurrë. Për shkak të cikleve alternative të presionit të lartë / presionit të ulët të shkaktuara nga valët e ultrazërit të energjisë në lëng, gjenerohen flluska vakumi (zbrazëtira kalitacionale), të cilat rriten në disa cikle presioni. Kur flluska e zbrazëtisë së vakumit arrin një madhësi të caktuar ku nuk mund të thithë më shumë energji, flluska e vakumit implodohet në mënyrë të dhunshme dhe krijon një vend të nxehtë shumë të dendur nga energjia. Ky vend i nxehtë që ndodh lokalisht karakterizohet nga temperatura shumë të larta, presione dhe mikro-rrjedhje avionësh të lëngshëm jashtëzakonisht të shpejtë.

Kavitimi akustik dhe efektet e ultrasonikimit me intensitet të lartë

Kavitimi akustik, shpesh i quajtur edhe kavitacion tejzanor, mund të dallohet në dy forma, kavitacion i qëndrueshëm dhe kalimtar. Gjatë kavitimit të qëndrueshëm, flluska e kavitacionit lëkundet shumë herë rreth rrezes së saj të ekuilibrit, ndërsa gjatë kavitimit kalimtar, në të cilën një flluskë jetëshkurtër pëson ndryshime dramatike të vëllimit në disa cikle akustike dhe përfundon në një kolaps të dhunshëm (Suslick 1988). Kavitimi i qëndrueshëm dhe kalimtar mund të ndodhë njëkohësisht në tretësirë dhe një flluskë që kalon kavitacion të qëndrueshëm mund të bëhet një zgavër kalimtare. Shpërthimi i flluskës, i cili është karakteristikë për kavitimin kalimtar dhe sonifikimin me intensitet të lartë, krijon kushte të ndryshme fizike duke përfshirë temperatura shumë të larta prej 5000-2500 K, presione deri në disa 1000 bar dhe rrjedha të lëngshme me shpejtësi deri në 1000m / s. Meqenëse shembja / goditja e flluskave të kavitacionit ndodh në më pak se një nanosekond, shpejtësi shumë të larta ngrohjeje dhe ftohjeje mbi 10¹¹ K / s mund të vërehen. Nivele të tilla të larta ngrohjeje dhe diferenciale presioni mund të fillojnë dhe përshpejtojnë reagimet. Lidhur me rrjedhat e lëngjeve që ndodhin, këto mikrojet me shpejtësi të lartë tregojnë përfitime veçanërisht të larta kur bëhet fjalë për slurret heterogjenë të ngurtë-lëng. Avionët e lëngshëm bien mbi sipërfaqe me temperaturën e plotë dhe presionin e flluskës që shembet dhe shkaktojnë erozion përmes përplasjes ndërpjesërore, si dhe shkrirjes së lokalizuar. Si pasojë, vërehet një transferim i përmirësuar ndjeshëm i masës në tretësirë.

Kavitimi tejzanor gjenerohet në mënyrë më efektive në lëngje dhe tretës me presione të ulëta të avullit. Prandaj, media me presione të ulëta të avullit janë të favorshme për aplikime sonokimike.
Si rezultat i kavitimit tejzanor, forcat intensive të krijuara mund të kalojnë rrugët e reaksioneve në rrugë më efikase, në mënyrë që të shmangen shndërrimet më të plota dhe / ose prodhimi i nënprodukteve të padëshiruara.
Hapësira e dendur nga energjia e krijuar nga shembja e flluskave të kavitacionit quhet pikë e nxehtë. Ekografia me frekuencë të ulët, me fuqi të lartë në intervalin prej 20kHz dhe aftësia për të krijuar amplituda të larta është e vendosur mirë për gjenerimin e pikave të nxehta intensive dhe kushtet e favorshme sonokimike.

Pajisjet laboratorike tejzanor, si dhe reaktorët tejzanor industrialë për proceset sonokimike komerciale janë lehtësisht të disponueshme dhe të provuara si të besueshme, efikase dhe miqësore me mjedisin në shkallë laboratorike, pilot dhe plotësisht industriale. Reaksionet sonokimike mund të kryhen si grumbull (dmth. Enë e hapur) ose proces në linjë duke përdorur një reaktor qelizë me rrjedhë të mbyllur.

Sono-sinteze

Sono-sinteza ose sinteza sonokimike është aplikimi i kavitacionit të gjeneruar në mënyrë ultrasonike në mënyrë që të fillojë dhe promovojë reaksione kimike. Ultrasonikimi me fuqi të lartë (p.sh., në 20 kHz) tregon efekte të forta në molekulat dhe lidhjet kimike. Për shembull, efektet sonokimike që rezultojnë nga sonifikimi intensiv mund të rezultojnë në ndarjen e molekulave, krijimin e radikaleve të lira dhe / ose ndërrimin e rrugëve kimike. Prandaj sinteza sonokimike përdoret intensivisht për fabrikimin ose modifikimin e një game të gjerë të materialeve të strukturuara nano. Shembuj për nanomaterialet e prodhuara përmes sono-sintezës janë nanoprimcat (NP) (p.sh., NP ari, NP argjendi), pigmentet, nano-grimcat e mbështjelljes bazë, nano-hidroksiaapatit, kornizat organike metalike (MOF), përbërës aktivë farmaceutikë (API), nanopjesëza të zbukuruara me mikrosferë, nano-përbërje ndër shumë materiale të tjera.
shembuj: Transesterifikimi tejzanor i estereve metil të acideve yndyrore (bionaftë) ose transesterifikimi i polioleve duke përdorur ultratinguj.

Imazhi TEM (A) dhe shpërndarja e madhësisë së grimcave të tij (B) të nanopjesëzave të argjendit (Ag-NPs), të cilat janë sintetizuar sonokimikisht në kushte optimale.

Gjithashtu i aplikuar gjerësisht është kristalizimi i promovuar ultrasonikisht (sono-kristalizimi), ku ultrazëri i energjisë është përdorur për të prodhuar zgjidhje të mbingopura, për të filluar kristalizimin / reshjet dhe për të kontrolluar madhësinë dhe morfologjinë e kristalit përmes parametrave të procesit tejzanor. Klikoni këtu për të mësuar më shumë rreth sono-kristalizimit!

Sono-Catalysis

Zëritja e një pezullimi ose solucioni kimik mund të përmirësojë ndjeshëm reaksionet katalitike. Energjia sonokimike zvogëlon kohën e reagimit, përmirëson transferimin e nxehtësisë dhe masës, e cila më pas rezulton në rritje të konstanteve të shpejtësisë kimike, rendimenteve dhe selektiviteteve.
Ka shumë procese katalitike, të cilat përfitojnë në mënyrë drastike nga aplikimi i ultrazërit të energjisë dhe efektet e tij sonokimike. Çdo reagim heterogjen i katalizës së transferimit të fazës (PTC) që përfshin dy ose më shumë lëngje të papërzier ose një përbërje të lëngshme të ngurtë, përfiton nga sonifikimi, energjia sonokimike dhe transferimi i përmirësuar i masës.
Për shembull, analiza krahasuese e oksidimit të peroksidit të lagësht katalitik të lagësht dhe të asistuar ultrasonikisht të fenolit në ujë zbuloi se sonifikimi zvogëloi barrierën energjetike të reaksionit, por nuk kishte asnjë ndikim në rrugën e reagimit. Energjia e aktivizimit për oksidimin e fenolit mbi RuI₃ katalizatori gjatë sonifikimit u gjet të jetë 13 kJ mol^-1, e cila ishte katër herë më e vogël në krahasim me procesin e oksidimit të heshtur (57 kJ mol^-1) (Rokhina et al, 2010)
Kataliza sonokimike përdoret me sukses për fabrikimin e produkteve kimike si dhe prodhimin e materialeve inorganike mikron- dhe nano-të strukturuara si metale, lidhjeve, përbërjeve metalike, materialeve jometale dhe përbërjeve inorganike. Shembuj të zakonshëm të PTC të asistuar në mënyrë ultrasonike janë transesterizimi i acideve yndyrore të lira në ester metil (bionaftë), hidrolizë, sapunifikim i vajrave bimorë, reaksion sono-Fenton (procese të ngjashme me Fenton), degradimi sonokatalitik etj.
Lexoni më shumë rreth sono-katalizës dhe zbatimeve specifike!
Sonication përmirëson kiminë e klikimeve të tilla si reaksionet e cikloadditimit azide-alkin!

Zbatime të tjera Sonokimike

Për shkak të përdorimit të tyre të gjithanshëm, besueshmërisë dhe funksionimit të thjeshtë, sistemet sonokimike të tilla si UP400St ose UIP2000hdT vlerësohen si pajisje efikase për reaksionet kimike. Pajisjet sonokimike të Hielscher Ultrasonics mund të përdoren lehtësisht për sonifikim grumbullues (gotë të hapur) dhe vijues të vazhdueshëm duke përdorur një qelizë të rrjedhës sonokimike. Sonokimi duke përfshirë sono-sintezën, son-katalizën, degradimin ose polimerizimin përdoren gjerësisht në kimi, nanoteknologji, shkencë materialesh, farmaceutikë, mikrobiologji si dhe në industri të tjera.

Pajisjet Sonokimike me Performancë të Lartë

Hielscher Ultrasonics është furnizuesi juaj kryesor i ultrasonicatorëve inovativë, të nivelit më të lartë, qelizave të rrjedhës sonokimike, reaktorëve dhe aksesorëve për reaksione sonokimike efikase dhe të besueshme. Të gjithë ultrasonicatorët e Hielscher janë dizenjuar, prodhuar dhe testuar ekskluzivisht në selinë Hielscher Ultrasonics në Teltow (afër Berlinit), Gjermani. Përveç standardeve më të larta teknike dhe qëndrueshmërisë së jashtëzakonshme dhe funksionimit 24/7/365 për një funksionim shumë efikas, ultrasonicatorët e Hielscher janë të lehtë dhe të besueshëm për të vepruar. Efikasitet i lartë, softuer inteligjent, menu intuitive, protokollim automatik i të dhënave dhe telekomandë e shfletuesit janë vetëm disa tipare që dallojnë Hielscher Ultrasonics nga prodhuesit e tjerë të pajisjeve sonokimike.

Amplituda saktësisht të rregullueshme

Amplituda është zhvendosja në pjesën e përparme (majë) të sonotrodës (e njohur edhe si sonda ose briri tejzanor) dhe është faktori kryesor ndikues i kavitacionit tejzanor. Amplituda më të larta nënkuptojnë kavitim më intensiv. Intensiteti i kërkuar i kavitacionit varet shumë nga lloji i reagimit, reagensët kimikë të përdorur dhe rezultatet e synuara të reaksionit specifik sonokimik. Kjo do të thotë që amplituda duhet të rregullohet saktësisht në mënyrë që të akordohet intensiteti i kavitacionit akustik në nivelin ideal. Të gjithë ultrasonicatorët e Hielscher mund të rregullohen në mënyrë të besueshme dhe të saktë përmes një kontrolli dixhital inteligjent në amplituda ideale. Brirët përforcues mund të përdoren gjithashtu për të zvogëluar ose rritur amplitudën mekanikisht. Ultrasonics’ procesorët tejzanor industrial mund të japin amplituda shumë të larta. Amplituda deri në 200 μm mund të drejtohet lehtësisht vazhdimisht në funksionimin 24/7. Për amplituda edhe më të larta, janë në dispozicion sonotroda të personalizuara tejzanor.

Kontroll i saktë i temperaturës gjatë reaksioneve sonokimike

Në pikën e nxehtë të kavitacionit, mund të vërehen temperatura jashtëzakonisht të larta prej shumë mijëra gradë Celsius. Sidoqoftë, këto temperatura ekstreme janë të kufizuara lokalisht në minutën e brendshme dhe rrethimin e flluskës së kavitacionit të implikuar. Në solucionin pjesa më e madhe, rritja e temperaturës nga goditja, një ose disa flluska kavitacioni është e papërfillshme. Por, sonifikimi i vazhdueshëm dhe intensiv për periudha më të gjata mund të shkaktojë një rritje në rritje të temperaturës së lëngut pjesa më e madhe. Kjo rritje e temperaturës kontribuon në shumë reaksione kimike dhe shpesh konsiderohet si e dobishme. Sidoqoftë, reaksione të ndryshme kimike kanë temperatura të ndryshme optimale të reagimit. Kur trajtohen materiale të ndjeshme ndaj nxehtësisë, mund të jetë i nevojshëm kontrolli i temperaturës. Në mënyrë që të lejohen kushte ideale termike gjatë proceseve sonokimike, Hielscher Ultrasonics ofron zgjidhje të ndryshme të sofistikuara për kontroll të saktë të temperaturës gjatë proceseve sonokimike, siç janë reaktorët sonokimikë dhe qelizat e rrjedhës të pajisura me xhaketa ftohëse.
Qelizat dhe reaktorët tanë të rrjedhës sonokimike janë në dispozicion me xhaketa ftohëse, të cilat mbështesin një shpërndarje efektive të nxehtësisë. Për monitorim të vazhdueshëm të temperaturës, ultrasonicatorët e Hielscher janë të pajisur me një sensor të temperaturës të mbyllur, i cili mund të futet në lëng për matjen e vazhdueshme të temperaturës së pjesës më të madhe. Softueri i sofistikuar lejon vendosjen e një diapazoni të temperaturës. Kur tejkalohet kufiri i temperaturës, ultrasonicator pushon automatikisht derisa temperatura në lëng të ulet në një pikë të caktuar dhe të fillojë përsëri sonikimin automatik përsëri. Të gjitha matjet e temperaturës, si dhe të dhëna të tjera të rëndësishme të procesit tejzanor regjistrohen automatikisht në një kartë SD të integruar dhe mund të rishikohen lehtësisht për kontrollin e procesit.
Temperatura është një parametër vendimtar i proceseve sonokimike. Teknologjia e përpunuar e Hielscher ju ndihmon të mbani temperaturën e aplikimit tuaj sonokimik në intervalin ideal të temperaturës.

Tabela më poshtë ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonicators tonë: