Reaktorët Sonokimikë dhe Sonokimikë

Sonokimia është fusha e kimisë ku ultratingulli me intensitet të lartë përdoret për të nxitur, përshpejtuar dhe modifikuar reaksionet kimike (sintezë, katalizë, degradim, polimerizim, hidrolizë etj.). Kavitacioni i krijuar në mënyrë tejzanor karakterizohet nga kushte unike të dendura me energji, të cilat nxisin dhe intensifikojnë reaksionet kimike. Shpejtësitë më të shpejta të reagimit, rendimentet më të larta dhe përdorimi i reagentëve të gjelbër e më të butë e kthejnë sonokiminë në një mjet shumë të favorshëm për të përftuar reaksione kimike të përmirësuara.

Sonokimia

Sonokimia është fusha e kërkimit dhe përpunimit në të cilën molekulat i nënshtrohen një reaksioni kimik për shkak të aplikimit të ultrazërit me intensitet të lartë (p.sh., 20 kHz). Fenomeni përgjegjës për reaksionet sonokimike është kavitacioni akustik. Kavitacioni akustik ose tejzanor ndodh kur valët e fuqishme ultratinguj bashkohen në një lëng ose llum. Për shkak të cikleve të alternuara të presionit të lartë / presionit të ulët të shkaktuar nga valët e ultrazërit të fuqisë në lëng, krijohen flluska vakum (zbrazëti kavitacionale), të cilat rriten gjatë disa cikleve të presionit. Kur flluska e vakumit kavitacional arrin një madhësi të caktuar ku nuk mund të thithë më shumë energji, flluska e vakumit shpërthen dhunshëm dhe krijon një pikë të nxehtë me shumë densitet energjie. Kjo pikë e nxehtë e lokalizuar karakterizohet nga temperatura shumë të larta, presione dhe mikro-përhapje të avionëve të lëngshëm jashtëzakonisht të shpejtë.

Kavitacioni akustik dhe efektet e ultrazërit me intensitet të lartë

Kavitacioni akustik, shpesh i quajtur edhe kavitacion tejzanor, mund të dallohet në dy forma, kavitacioni i qëndrueshëm dhe kalimtar. Gjatë kavitacionit të qëndrueshëm, flluska e kavitacionit lëkundet shumë herë rreth rrezes së saj të ekuilibrit, ndërsa gjatë kavitacionit kalimtar, në të cilin një flluskë jetëshkurtër pëson ndryshime dramatike të vëllimit në disa cikle akustike dhe përfundon në një kolaps të dhunshëm (Suslick 1988). Kavitacioni i qëndrueshëm dhe kalimtar mund të ndodhë njëkohësisht në tretësirë dhe një flluskë që i nënshtrohet kavitacionit të qëndrueshëm mund të bëhet një zgavër kalimtare. Shpërthimi i flluskës, i cili është karakteristik për kavitacionin kalimtar dhe sonikimin me intensitet të lartë, krijon kushte të ndryshme fizike duke përfshirë temperatura shumë të larta prej 5000-25,000 K, presione deri në disa 1000 bar dhe rrjedha të lëngshme me shpejtësi deri në 1000 m/s. Meqenëse kolapsi/shpërthimi i flluskave të kavitacionit ndodh në më pak se një nanosekondë, ritme shumë të larta të ngrohjes dhe ftohjes mbi 10¹¹ K/s mund të vërehen. Shkalla të tilla të larta të ngrohjes dhe diferencat e presionit mund të fillojnë dhe përshpejtojnë reagimet. Për sa i përket rrjedhave të lëngshme që ndodhin, këta mikrojet me shpejtësi të lartë tregojnë përfitime veçanërisht të larta kur bëhet fjalë për llumrat heterogjenë të ngurtë-lëngshëm. Avionët e lëngshëm godasin sipërfaqen me temperaturën dhe presionin e plotë të flluskës që shembet dhe shkaktojnë erozion nëpërmjet përplasjes ndërgrimcash si dhe shkrirjes së lokalizuar. Rrjedhimisht, vërehet një transferim masiv i përmirësuar ndjeshëm në tretësirë.

Kavitacioni tejzanor gjenerohet në mënyrë më efektive në lëngje dhe tretës me presione të ulëta avulli. Prandaj, mediat me presione të ulëta avulli janë të favorshme për aplikime sonokimike.
Si rezultat i kavitacionit tejzanor, forcat intensive të krijuara mund të kalojnë rrugët e reagimit në rrugë më efikase, në mënyrë që të shmangen konvertimet më të plota dhe/ose prodhimi i nënprodukteve të padëshiruara.
Hapësira e dendur me energji e krijuar nga kolapsi i flluskave të kavitacionit quhet pikë e nxehtë. Ultratinguj me frekuencë të ulët dhe me fuqi të lartë në intervalin 20 kHz dhe aftësia për të krijuar amplituda të larta është e vendosur mirë për gjenerimin e pikave të nxehta intensive dhe kushteve të favorshme sonokimike.

Pajisjet laboratorike tejzanor si dhe reaktorët industrialë ultrasonikë për proceset komerciale sonokimike 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 grup (p.sh. enë e hapur) ose proces në linjë duke përdorur një reaktor me qeliza të mbyllura me rrjedhje.

sono-sinteza

Sono-sinteza ose sinteza sonokimike është aplikimi i kavitacionit të krijuar në mënyrë ultrasonike për të filluar dhe promovuar reaksione kimike. Ultratingulli me fuqi të lartë (p.sh., në 20 kHz) tregon efekte të forta mbi molekulat dhe lidhjet kimike. Për shembull, efektet sonokimike që rezultojnë nga sonikimi 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 materialesh me nano-strukturë. Shembuj për nanomaterialet e prodhuara nëpërmjet sono-sintezës janë nanogrimcat (NPs) (p.sh., NP-të e arit, NP-të e argjendit), pigmentet, nano-grimcat e lëvozhgës së bërthamës, nano-hidroksiapatit, korniza organike metalike (MOF), përbërës farmaceutikë aktivë (API), nanogrimca të zbukuruara me mikrosferë, nano-përbërje mes shumë materialeve 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 (B) të nanogrimcave të argjendit (Ag-NPs), të cilat janë sintetizuar në mënyrë sonokimike në kushte optimale.

Gjithashtu aplikohet gjerësisht kristalizimi i promovuar me ultratinguj (sono-kristalizimi), ku ultratingulli i fuqisë përdoret për të prodhuar solucione të mbingopura, për të filluar kristalizimin / reshjet dhe për të kontrolluar madhësinë dhe morfologjinë e kristalit nëpërmjet parametrave të procesit tejzanor. Klikoni këtu për të mësuar më shumë rreth sono-kristalizimit!

sono-kataliza

Sonicizimi i një suspensioni ose solucioni kimik mund të përmirësojë ndjeshëm reaksionet katalitike. Energjia sonokimike zvogëlon kohën e reagimit, përmirëson transferimin e nxehtësisë dhe masës, gjë që 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 fuqisë dhe efektet e tij sonokimike. Çdo reaksion heterogjen i katalizimit të transferimit të fazës (PTC) që përfshin dy ose më shumë lëngje të papërziershëm ose një përbërje të ngurtë me lëng, përfiton nga sonikimi, energjia sonokimike dhe transferimi i përmirësuar i masës.
Për shembull, analiza krahasuese e oksidimit katalitik të fenolit me peroksid të lagësht të heshtur dhe të ndihmuar me ultratinguj në ujë zbuloi se sonikimi zvogëloi pengesën energjetike të reaksionit, por nuk kishte asnjë ndikim në rrugën e reagimit. Energjia e aktivizimit për oksidimin e fenolit mbi RuI₃ katalizatori gjatë sonikimit u gjet të jetë 13 kJ mol^-1, i cili ishte katër herë më i 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 për prodhimin e materialeve inorganike të strukturuara mikron dhe nano si metalet, lidhjet, përbërjet metalike, materialet jo metalike dhe kompozitat inorganike. Shembuj të zakonshëm të PTC të asistuara në mënyrë ultrasonike janë transesterifikimi i acideve yndyrore të lira në metil ester (bionaftë), hidroliza, saponifikimi i vajrave bimore, reaksioni sono-Fenton (proceset e ngjashme me Fenton), degradimi sonokatalitik etj.
Lexoni më shumë rreth sono-katalizës dhe aplikacioneve specifike!
Sonication përmirëson kiminë e klikimeve të tilla si reaksionet e cikloadditimit azide-alkin!

Aplikime të tjera Sonokimike

Për shkak të përdorimit të gjithanshëm, besueshmërisë dhe funksionimit të thjeshtë, sistemet sonokimike si p.sh UP400 St ose UIP2000hdT vlerësohen si pajisje efikase për reaksionet kimike. Pajisjet sonokimike Hielscher Ultrasonics mund të përdoren lehtësisht për grumbullim (gopë e hapur) dhe për sonikacion të vazhdueshëm inline duke përdorur një qelizë rrjedhëse sonokimike. Sonokimia duke përfshirë sono-sintezën, sono-katalizën, degradimin ose polimerizimin përdoren 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 ultratingujve novatorë, të teknologjisë së fundit, qelizave të rrjedhës sonokimike, reaktorëve dhe aksesorëve për reaksione sonokimike efikase dhe të besueshme. Të gjithë ultrasonikët Hielscher janë projektuar, prodhuar dhe testuar ekskluzivisht në selinë e Hielscher Ultrasonics në Teltow (afër Berlinit), Gjermani. Përveç standardeve më të larta teknike dhe qëndrueshmërisë së jashtëzakonshme dhe funksionimit 24/7/365 për funksionim shumë efikas, ultrasonikët Hielscher janë të lehtë dhe të besueshëm për t'u përdorur. Efikasiteti i lartë, softueri inteligjent, menyja intuitive, protokollimi automatik i të dhënave dhe telekomanda e shfletuesit janë vetëm disa veçori që e dallojnë Hielscher Ultrasonics nga prodhuesit e tjerë të pajisjeve sonokimike.

Amplituda të rregullueshme saktësisht

Amplituda është zhvendosja në pjesën e përparme (maja) e sonotrodës (e njohur edhe si sonda ose bri tejzanor) dhe është faktori kryesor ndikues i kavitacionit tejzanor. Amplituda më të larta do të thotë kavitacion më intensiv. Intensiteti i kërkuar i kavitacionit varet fuqimisht nga lloji i reagimit, reagentët kimikë të përdorur dhe rezultatet e synuara të reaksionit sonokimik specifik. Kjo do të thotë se amplituda duhet të jetë saktësisht e rregullueshme në mënyrë që të akordohet intensiteti i kavitacionit akustik në nivelin ideal. Të gjithë ultrasonikët Hielscher mund të rregullohen me besueshmëri dhe saktësi nëpërmjet një kontrolli dixhital inteligjent në amplituda ideale. Brirët përforcues mund të përdoren gjithashtu për të ulur ose rritur amplitudën mekanikisht. Ultrasonikë’ Përpunuesit industrialë tejzanor mund të japin amplituda shumë të larta. Amplituda deri në 200µm mund të ekzekutohen lehtësisht vazhdimisht në funksionim 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotrode tejzanor të personalizuara.

Kontrolli i saktë i temperaturës gjatë reaksioneve sonokimike

Në pikën e nxehtë të kavitacionit, mund të vërehen temperatura jashtëzakonisht të larta prej mijëra gradë Celsius. Megjithatë, këto temperatura ekstreme janë të kufizuara në nivel lokal në brendësi dhe rrethinë të vogël të flluskës së kavitacionit shpërthyes. Në tretësirën me shumicë, rritja e temperaturës nga shpërthimi i një ose disa flluskave të kavitacionit është i papërfillshëm. Por sonikimi i vazhdueshëm dhe intensiv për periudha më të gjata mund të shkaktojë një rritje të vazhdueshme të temperaturës së lëngut të madh. Kjo rritje e temperaturës kontribuon në shumë reaksione kimike dhe shpesh konsiderohet si e dobishme. Megjithatë, reaksione të ndryshme kimike kanë temperatura të ndryshme optimale të reagimit. Kur trajtohen materialet e ndjeshme ndaj nxehtësisë, mund të jetë i nevojshëm kontrolli i temperaturës. Për të lejuar kushte ideale termike gjatë proceseve sonokimike, Hielscher Ultrasonics ofron zgjidhje të ndryshme të sofistikuara për kontrollin e saktë të temperaturës gjatë proceseve sonokimike, të tilla si reaktorët sonokimikë dhe qelizat e rrjedhës të pajisura me xhaketa ftohëse.
Qelizat dhe reaktorët tanë të rrjedhës sonokimike janë të disponueshme me xhaketa ftohëse, të cilat mbështesin një shpërndarje efektive të nxehtësisë. Për monitorimin e vazhdueshëm të temperaturës, ultrasonikët Hielscher janë të pajisur me një sensor të mbyllshëm të temperaturës, i cili mund të futet në lëng për matjen konstante të temperaturës në masë. Softueri i sofistikuar lejon vendosjen e një diapazoni të temperaturës. Kur tejkalohet kufiri i temperaturës, aparati me ultratinguj ndalon automatikisht derisa temperatura në lëng të jetë ulur në një pikë të caktuar të caktuar dhe të fillojë përsëri automatikisht sonikimin. Të gjitha matjet e temperaturës si dhe të dhënat e 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 e mëposhtme ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonikëve tanë: