Сонохемијске реакције и синтеза
Сонохемија је примена ултразвука у хемијским реакцијама и процесима. Механизам који изазива сонохемијске ефекте у течностима јесте појава акустичне кавитације.
Hielscher ултразвучни лабораторијски и индустријски уређаји користе се у широком спектру сонохемијских процеса. Ултразвучна кавитација интензивира и убрзава хемијске реакције као што су синтеза и катализа.
Сонохемијске реакције
У хемијским реакцијама и процесима могу се уочити следећи сонохемијски ефекти:
- повећање брзине реакције
- повећање приноса реакције
- ефикасније коришћење енергије
- сонохемијске методе за промену реакционог пута
- побољшање учинка катализатора фазног преноса
- избегавање употребе катализатора фазног преноса
- употреба сирових реагенаса или реагенаса техничке чистоће
- активација метала и чврстих материја
- повећање реактивности реагенаса или катализатора (кликните овде да бисте прочитали више о катализи потпомогнутој ултразвуком)
- побољшање синтезе честица
- облагање наночестица
7 ултразвучних хомогенизатора модела UIP1000hdT (7x 1kW ултразвучне снаге) инсталираних као група за сонохемијске реакције у индустријским размерама.
Предности хемијских реакција интензивираних ултразвуком
Хемијске реакције поспешене ултразвуком представљају устаљену технику интензивирања процеса у области хемијске синтезе и прераде. Коришћењем снаге ултразвучних таласа ове реакције пружају бројне предности у односу на конвенционалне методе, побољшавајући хемијску катализу и синтезу. Изузетно велике брзине конверзије, одлични приноси, повећана селективност, побољшана енергетска ефикасност и смањен утицај на животну средину главне су предности сонохемијских реакција.
Табела испод приказује неке истакнуте предности реакција поспешених ултразвуком у односу на конвенционалне хемијске реакције:
| Реакција | Време реакције Конвенционално |
Време реакције Уз ултразвук |
Принос Конвенционално (%) |
Принос Уз ултразвук (%) |
|---|---|---|---|---|
| Дилс–Алдерова циклизација | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Оксидација индана у индан-1-он | 3 h | 3 h | мање од 27% | 73% |
| Редукција метоксиаминосилана | нема реакције | 3 h | 0% | 100% |
| Епоксидација дуголанчаних незасићених естара масних киселина | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Оксидација арилалкана | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Михаелова адиција нитроалкана на моносупституисане α,β-незасићене естре | 2 дана | 2 h | 85% | 90% |
| Перманганатна оксидација 2-октанола | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Синтеза халкона Клајзен–Шмитовом кондензацијом | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Улманово спрезање 2-јодонитробензена | 2 h | 2h | мање од 1,5% | 70,4% |
| Реформатскијева реакција | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Ултразвучна кавитација у течностима
Кавитација је настанак, раст и имплозивни колапс мехурића у течности. Кавитациони колапс изазива интензивно локално загревање (~5000 K), високе притиске (~1000 atm), изузетно велике брзине загревања и хлађења (>10⁹ K/sec) и млазеве течности (~400 km/h). (Suslick 1998)
Кавитација помоћу уређаја UIP1000hd:
Кавитациони мехурићи су вакуумски мехурићи. Вакуум настаје услед брзог кретања површине са једне стране и инертне течности са друге. Настале разлике у притиску служе за савладавање кохезионих и адхезионих сила унутар течности.
Кавитација се може произвести на различите начине, на пример помоћу Вентуријевих млазница, млазница високог притиска, ротације великом брзином или ултразвучних претварача. У свим тим системима улазна енергија се претвара у трење, турбуленцију, таласе и кавитацију. Удео улазне енергије који се претвара у кавитацију зависи од неколико фактора који описују кретање опреме за стварање кавитације у течности.
Интензитет убрзања је један од најважнијих фактора који утичу на ефикасно претварање енергије у кавитацију. Веће убрзање ствара веће разлике у притиску. То, заузврат, повећава вероватноћу стварања вакуумских мехурића уместо стварања таласа који се простиру кроз течност. Дакле, што је убрзање веће, већи је и удео енергије који се претвара у кавитацију. Код ултразвучног претварача интензитет убрзања описује се амплитудом осциловања.
Веће амплитуде доводе до ефикаснијег стварања кавитације. Индустријски уређаји компаније Hielscher Ultrasonics могу да остваре амплитуде до 115 µm. Ове велике амплитуде омогућавају висок степен преноса снаге, што заузврат омогућава постизање великих густина снаге до 100 W/cm³.
Поред интензитета убрзања, течност треба убрзавати тако да губици услед турбуленције, трења и стварања таласа буду минимални. За то је оптимално једносмерно кретање.
Ултразвучни реактор снаге 16.000 вати за сонохемијски побољшану трансестерификацију у протоку.
- припрема активираних метала редукцијом металних соли
- добијање активираних метала соникацијом
- сонохемијска синтеза честица таложењем оксида метала (Fe, Cr, Mn, Co), нпр. за употребу као катализатора
- наношење метала или металних халогенида на носаче импрегнацијом
- припрема раствора активираних метала
- реакције у којима учествују метали посредством органоелементних врста насталих in situ
- реакције у којима учествују неметалне чврсте материје
- кристализација и таложење метала, легура, зеолита и других чврстих материја
- модификација морфологије површине и величине честица међучестичним сударима при великим брзинама
- формирање аморфних наноструктурираних материјала, укључујући прелазне метале, легуре, карбиде, оксиде и колоиде велике специфичне површине
- агломерација кристала
- заглађивање и уклањање пасивирајућег оксидног слоја
- микроманипулација (фракционисање) малих честица
- дисперговање чврстих материја
- припрема колоида (Ag, Au, CdS квантних димензија)
- интеркалација гостујућих молекула у неорганске слојевите чврсте материје домаћине
- сонохемија полимера
- деградација и модификација полимера
- синтеза полимера
- сонолиза органских загађивача у води
Сонохемијска опрема
Већина наведених сонохемијских процеса може се накнадно прилагодити за рад у протоку. Радо ћемо вам помоћи да изаберете сонохемијску опрему која одговара вашим потребама обраде. За истраживање и испитивање процеса препоручујемо наше лабораторијске уређаје или комплет UIP1000hdT.
По потреби су доступни ултразвучни уређаји и реактори са FM и ATEX сертификатима (нпр. UIP1000-Exd) за соникацију запаљивих хемикалија и формулација производа у опасним окружењима.
Ултразвучна кавитација мења реакције отварања прстена
Ултразвучна обрада представља алтернативни механизам за покретање хемијских реакција у односу на топлоту, притисак, светлост или електричну енергију. Џефри С. Мур, Чарлс Р. Хикенбот и њихов тим на Хемијском факултету Универзитета Илиноис у Урбани и Шампејну користили су ултразвучну снагу за покретање и усмеравање реакција отварања прстена. Под дејством ултразвука, хемијске реакције су давале производе различите од оних предвиђених правилима орбиталне симетрије (Nature 2007, 446, 423). Група је повезала механички осетљиве изомере 1,2-дисупституисаног бензоциклобутена са два ланца полиетилен-гликола, применила ултразвучну енергију и анализирала растворе у целој запремини применом C13 спектроскопије нуклеарне магнетне резонанце. Спектри су показали да и цис и транс изомери дају исти производ са отвореним прстеном, онај који се очекује од транс изомера. Док топлотна енергија изазива насумично Брауново кретање реактаната, механичка енергија ултразвучне обраде усмерава кретање атома. Стога кавитациони ефекти ефикасно усмеравају енергију напрезањем молекула, мењајући облик површи потенцијалне енергије.
Ултразвучни уређаји са сондом као што је UP400St интензивирају синтезу наночестица. Сонохемијски поступак је једноставан, ефикасан, брз и одвија се са нетоксичним хемикалијама под благим условима.
Ултразвучни уређаји високих перформанси за сонохемију
Hielscher Ultrasonics испоручује ултразвучне процесоре за лабораторију и индустрију. Сви Hielscher ултразвучни уређаји су веома снажне и робусне ултразвучне машине, конструисане за непрекидан рад 24/7 под пуним оптерећењем. Дигитално управљање, програмабилна подешавања, праћење температуре, аутоматско бележење података и даљинско управљање преко прегледача само су неке од функција Hielscher ултразвучних уређаја. Корисници цене безбедно и једноставно руковање опремом Hielscher Ultrasonics, пројектованом за високе перформансе и удобан рад. Hielscher индустријски ултразвучни процесори постижу амплитуде до 200µm и идеални су за примене у тешким радним условима. За још веће амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери.
Табела испод даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:
| Запремина шарже | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| није применљиво | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| није применљиво | већи | група уређаја UIP16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за мешање, дисперговање, емулговање и екстракцију у лабораторијским, пилотским и индустријским размерама.
Литература / Референце
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
- Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis (2019): Chapter 4 ENERGY – PI Approaches in Thermodynamic Domain. in: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Published 2019 by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.(page 136)
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Barrera-Salgado, Karen; Ramírez-Robledo, Gabriela; Alvarez-Gallegos, Alberto; Arellano, Carlos; Sierra, Fernando; Perez, J. A.; Silva Martínez, Susana (2016): Fenton Process Coupled to Ultrasound and UV Light Irradiation for the Oxidation of a Model Pollutant. Journal of Chemistry, 2016. 1-7.
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лабораторијских до индустријских димензија.