Sonokimia dhe reaktorët sonokimikë

Sonokimia është fusha e kimisë ku ultratingulli me intensitet të lartë përdoret për të nxitur, përshpejtuar dhe modifikuar reaksionet kimike (sintezën, katalizën, degradimin, polimerizimin, hidrolizën etj.). Kavitacioni i gjeneruar me ultratinguj karakterizohet nga kushte unike me dendësi të lartë energjie, të cilat nxisin dhe intensifikojnë reaksionet kimike. Shpejtësitë më të mëdha të reaksioneve, rendimentet më të larta dhe përdorimi i reagentëve ekologjikë, më të butë, e bëjnë sonokiminë një mjet shumë të favorshëm për përmirësimin e reaksioneve kimike.

Sonokimia

Sonokimia është fusha e kërkimit dhe e përpunimit në të cilën molekulat i nënshtrohen një reaksioni kimik si pasojë e zbatimit të trajtimit me ultratinguj me intensitet të lartë (p.sh., 20 kHz). Fenomeni përgjegjës për reaksionet sonokimike është kavitacioni akustik. Kavitacioni akustik ose ultrasonik ndodh kur valë të fuqishme ultrasonike transmetohen në një lëng ose suspension. Për shkak të cikleve të alternuara me presion të lartë / presion të ulët, të shkaktuara nga valët ultrasonike me fuqi të lartë në lëng, krijohen flluska vakumi (zgavra kavitacioni), të cilat rriten gjatë disa cikleve të presionit. Kur flluska e vakumit e kavitacionit arrin një madhësi të caktuar, në të cilën nuk mund të përthithë më energji, ajo shembet vrullshëm drejt brendësisë dhe krijon një pikë të nxehtë me dendësi shumë të lartë energjie. Kjo pikë e nxehtë, që shfaqet lokalisht, karakterizohet nga temperatura dhe presione shumë të larta, si dhe nga mikrorryma të rrymave të lëngut jashtëzakonisht të shpejta.

Kavitacioni akustik dhe efektet e trajtimit me ultratinguj me intensitet të lartë

Kavitacioni akustik, shpesh i quajtur edhe kavitacion ultrasonik, mund të ndahet në dy forma: kavitacion i qëndrueshëm dhe kalimtar. Gjatë kavitacionit të qëndrueshëm, flluska e kavitacionit lëkundet shumë herë rreth rrezes së saj të ekuilibrit, ndërsa gjatë kavitacionit kalimtar, një flluskë jetëshkurtër pëson ndryshime drastike të vëllimit brenda pak cikleve akustike dhe përfundon me një shembje të vrullshme (Suslick 1988). Kavitacioni i qëndrueshëm dhe ai kalimtar mund të ndodhin njëkohësisht në tretësirë, dhe një flluskë që i nënshtrohet kavitacionit të qëndrueshëm mund të bëhet një zgavër kalimtare. Shembja e flluskës drejt brendësisë, e cila është karakteristike për kavitacionin kalimtar dhe trajtimin me ultratinguj me intensitet të lartë, krijon kushte të ndryshme fizike, përfshirë temperatura shumë të larta prej 5000–25 000 K, presione deri në disa mijëra bar dhe rryma lëngu me shpejtësi deri në 1000m/s. Meqë shembja e flluskave të kavitacionit drejt brendësisë ndodh në më pak se një nanosekondë, mund të vërehen shpejtësi shumë të larta ngrohjeje dhe ftohjeje që tejkalojnë 10¹¹ K/s. Shpejtësi kaq të larta ngrohjeje dhe diferenca të tilla presioni mund të nxisin dhe përshpejtojnë reaksionet. Për sa u përket rrymave të lëngut që krijohen, këto mikrorryma me shpejtësi të lartë ofrojnë përfitime veçanërisht të mëdha në rastin e suspensioneve heterogjene të ngurtë–lëng. Rrymat e lëngut godasin sipërfaqen me të gjithë temperaturën dhe presionin e flluskës që shembet dhe shkaktojnë erozion përmes përplasjeve midis grimcave, si dhe shkrirje të lokalizuar. Si rrjedhojë, vërehet një përmirësim i ndjeshëm i transferimit të masës në tretësirë.

Kavitacioni ultrasonik gjenerohet më efektivisht në lëngje dhe tretës me presione të ulëta të avullit. Prandaj, mjediset me presione të ulëta të avullit janë të favorshme për aplikime sonokimike.
Si rezultat i kavitacionit ultrasonik, forcat e fuqishme që krijohen mund t’i ndryshojnë rrugët e reaksioneve drejt rrugëve më efikase, në mënyrë që të shmangen shndërrime më të plota dhe/ose prodhimi i nënprodukteve të padëshiruara.
Hapësira me dendësi të lartë energjie që krijohet nga kolapsi i flluskave të kavitacionit quhet pikë e nxehtë. Përdorimi i ultratingujve me frekuencë të ulët dhe fuqi të lartë në intervalin e 20kHz, si dhe aftësia për të krijuar amplituda të larta, janë të konsoliduara për gjenerimin e pikave të nxehta intensive dhe të kushteve të favorshme sonokimike.

Pajisjet ultrasonike laboratorike, si dhe reaktorët ultrasonikë industrialë për procese sonokimike komerciale, janë lehtësisht të disponueshëm dhe janë provuar si të besueshëm, efikasë dhe miqësorë me mjedisin në shkallë laboratorike, pilot dhe plotësisht industriale. Reaksionet sonokimike mund të kryhen me tufa (d.m.th., në enë të hapur) ose si proces në linjë duke përdorur një reaktor të mbyllur me qelizë rrjedhjeje.

Sonosinteza

Sonosinteza ose sinteza sonokimike është aplikimi i kavitacionit të gjeneruar me ultratinguj për të nisur dhe nxitur reaksione kimike. Trajtimi me ultratinguj me fuqi të lartë (p.sh., në 20 kHz) shfaq efekte të forta mbi molekulat dhe lidhjet kimike. Për shembull, efektet sonokimike që rrjedhin nga sonikimi intensiv mund të çojnë në ndarjen e molekulave, krijimin e radikaleve të lira dhe/ose ndryshimin e rrugëve kimike. Prandaj, sinteza sonokimike përdoret intensivisht për prodhimin ose modifikimin e një game të gjerë materialesh të nanostrukturuara. Shembuj të nanomaterialeve të prodhuara përmes sonosintezës janë nanogrimcat (NPs) (p.sh., NPs ari, NPs argjendi), pigmentet, nanogrimcat me bërthamë dhe mbështjellës, nano-hidroksiapatiti, strukturat metalo-organike (MOFs), përbërësit farmaceutikë aktivë (APIs), nanogrimcat e zbukuruara me mikrosfera, nanokompozitet, krahas shumë materialeve të tjera.
Shembuj: Transesterifikimi ultrasonik i estereve metilike të acideve yndyrore (biodizelit) ose transesterifikimi i polioleve duke përdorur ultratinguj.

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

Gjithashtu, përdoret gjerësisht kristalizimi i nxitur me ultratinguj (sonokristalizimi), ku ultratingujt me fuqi të lartë përdoren për të prodhuar tretësira të mbingopura, për të nisur kristalizimin / precipitimin dhe për të kontrolluar madhësinë dhe morfologjinë e kristaleve përmes parametrave të procesit ultrasonik. Klikoni këtu për të mësuar më shumë rreth sonokristalizimit!

Sonokataliza

Sonikimi i një suspensioni ose tretësire kimike mund t’i përmirësojë ndjeshëm reaksionet katalitike. Energjia sonokimike zvogëlon kohën e reaksionit dhe përmirëson transferimin e nxehtësisë dhe të masës, gjë që më pas çon në rritjen e konstanteve të shpejtësisë së reaksioneve kimike, të rendimenteve dhe të selektiviteteve.
Ka shumë procese katalitike që përfitojnë jashtëzakonisht shumë nga aplikimi i ultratingujve me fuqi të lartë dhe nga efektet e tyre sonokimike. Çdo reaksion heterogjen i katalizës së transferimit fazor (PTC), që përfshin dy ose më shumë lëngje të papërzieshme ose një përbërje lëng–trup i ngurtë, përfiton nga sonikimi, energjia sonokimike dhe transferimi i përmirësuar i masës.
Për shembull, analiza krahasuese e oksidimit katalitik të fenolit në ujë me peroksid në fazë të lëngët, pa ultratinguj dhe me ndihmën e ultratingujve, zbuloi se sonikimi e zvogëlonte barrierën energjetike të reaksionit, por nuk kishte ndikim në rrugën e reaksionit. Energjia e aktivizimit për oksidimin e fenolit me RuI₃ si katalizator gjatë sonikimit u përcaktua të ishte 13 kJ mol^-1, e cila ishte katër herë më e vogël krahasuar me procesin e oksidimit pa ultratinguj (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Kataliza sonokimike përdoret me sukses për prodhimin e produkteve kimike, si dhe për prodhimin e materialeve inorganike me strukturë në shkallë mikrometrike dhe nanometrike, si metalet, aliazhet, përbërjet metalike, materialet jometalike dhe kompozitet inorganike. Shembuj të zakonshëm të PTC-së së ndihmuar nga ultratingujt janë transesterifikimi i acideve yndyrore të lira në ester metilik (biodizel), hidroliza, sapunifikimi i vajrave bimore, reaksioni sono-Fenton (procese të ngjashme me Fenton), degradimi sonokatalitik etj.
Lexoni më shumë rreth sonokatalizës dhe zbatimeve specifike!
Sonikimi përmirëson kiminë klik, siç janë reaksionet e cikloadicionit azid–alkin!

Zbatime të tjera sonokimike

Falë përdorimit të tyre të gjithanshëm, besueshmërisë dhe funksionimit të thjeshtë, sistemet sonokimike si UP400St ose UIP2000hdT vlerësohen si pajisje efikase për reaksione kimike. Pajisjet sonokimike të Hielscher Ultrasonics mund të përdoren lehtësisht për sonikim me lote (në gotë laboratorike të hapur) dhe për sonikim të vazhdueshëm në linjë duke përdorur një qelizë rrjedhjeje sonokimike. Sonokimia, përfshirë sonosintezën, sonokatalizën, degradimin ose polimerizimin, përdoret gjerësisht në kimi, nanoteknologji, shkencën e materialeve, farmaceutikë, mikrobiologji, si dhe në industri të tjera.

Pajisje sonokimike me performancë të lartë

Hielscher Ultrasonics është furnizuesi juaj kryesor i pajisjeve inovative me ultratinguj të teknologjisë më të fundit, qelizave të rrjedhjes sonokimike, reaktorëve dhe aksesorëve për reaksione sonokimike efikase dhe të besueshme. Të gjitha pajisjet me ultratinguj të Hielscher projektohen, prodhohen dhe testohen ekskluzivisht në selinë e Hielscher Ultrasonics në Teltow (pranë Berlinit), Gjermani. Krahas standardeve më të larta teknike, qëndrueshmërisë së jashtëzakonshme dhe funksionimit 24/7/365 për punë me efikasitet të lartë, pajisjet me ultratinguj të Hielscher janë të lehta dhe të besueshme në përdorim. Efikasiteti i lartë, softueri inteligjent, menyja intuitive, regjistrimi automatik i të dhënave dhe kontrolli në distancë përmes shfletuesit janë vetëm disa nga veçoritë që e dallojnë Hielscher Ultrasonics nga prodhuesit e tjerë të pajisjeve sonokimike.

Amplituda të rregullueshme me saktësi

Amplituda është zhvendosja në pjesën e përparme (majën) të sonotrodës (e njohur edhe si sondë ose bri ultrasonik) dhe është faktori kryesor që ndikon në kavitacionin ultrasonik. Amplitudat më të larta nënkuptojnë kavitacion më intensiv. Intensiteti i kërkuar i kavitacionit varet shumë nga lloji i reaksionit, reagentët kimikë të përdorur dhe rezultatet e synuara të reaksionit sonokimik specifik. Kjo do të thotë se amplituda duhet të jetë e rregullueshme me saktësi për ta përshtatur intensitetin e kavitacionit akustik në nivelin ideal. Të gjitha pajisjet me ultratinguj të Hielscher mund të rregullohen me besueshmëri dhe saktësi në amplitudën ideale përmes një kontrolli digjital inteligjent. Mund të përdoren gjithashtu brirë përforcues për ta ulur ose rritur mekanikisht amplitudën. Procesorët industrialë me ultratinguj të Ultrasonics mund të japin amplituda shumë të larta. Amplituda deri në 200µm mund të mbahen lehtësisht dhe vazhdimisht gjatë funksionimit 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të përshtatura sipas kërkesave.

Kontroll i saktë i temperaturës gjatë reaksioneve sonokimike

Në pikën e nxehtë të kavitacionit mund të vërehen temperatura jashtëzakonisht të larta, prej shumë mijëra gradësh Celsius. Megjithatë, këto temperatura ekstreme kufizohen lokalisht në brendësinë dhe rrethinën shumë të vogël të flluskës së kavitacionit që implodon. Në masën e tretësirës, rritja e temperaturës nga implozioni i një ose disa flluskave të kavitacionit është e papërfillshme. Por trajtimi i vazhdueshëm dhe intensiv me ultratinguj për periudha më të gjata mund të shkaktojë një rritje graduale të temperaturës së masës së lëngut. Kjo rritje e temperaturës kontribuon në shumë reaksione kimike dhe shpesh konsiderohet e dobishme. Megjithatë, reaksione të ndryshme kimike kanë temperatura optimale të ndryshme të reaksionit. Kur trajtohen materiale të ndjeshme ndaj nxehtësisë, kontrolli i temperaturës mund të jetë i nevojshëm. Për të mundësuar kushte termike ideale gjatë proceseve sonokimike, Hielscher Ultrasonics ofron zgjidhje të ndryshme të sofistikuara për kontrollin e saktë të temperaturës gjatë proceseve sonokimike, si reaktorë sonokimikë dhe qeliza rrjedhjeje të pajisura me këmisha ftohëse.
Qelizat tona sonokimike të rrjedhjes dhe reaktorët tanë ofrohen me këmisha ftohëse, të cilat ndihmojnë në largimin efektiv të nxehtësisë. Për monitorimin e vazhdueshëm të temperaturës, pajisjet e Hielscher për trajtim me ultratinguj janë të pajisura me një sensor temperature me lidhje me prizë, i cili mund të futet në lëng për matjen e vazhdueshme të temperaturës së masës së tij. Softueri i sofistikuar mundëson caktimin e një intervali temperature. Kur tejkalohet kufiri i temperaturës, pajisja e trajtimit me ultratinguj ndalon automatikisht derisa temperatura e lëngut të ulet në një vlerë të caktuar të paravendosur dhe më pas rifillon automatikisht trajtimin me ultratinguj. Të gjitha matjet e temperaturës, si edhe të dhënat e tjera të rëndësishme të procesit me ultratinguj, regjistrohen automatikisht në një kartë SD të integruar dhe mund të shqyrtohen lehtësisht për kontrollin e procesit.
Temperatura është një parametër vendimtar i proceseve sonokimike. Teknologjia e zhvilluar me kujdes nga Hielscher ju ndihmon ta mbani temperaturën e aplikimit tuaj sonokimik brenda intervalit ideal të temperaturës.

Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të pajisjeve tona për trajtim me ultratinguj: