Сонохемија и сонохемијски реактори

Сонохемија је област хемије у којој се ултразвук високог интензитета користи за изазивање, убрзавање и модификовање хемијских реакција (синтеза, катализа, разградња, полимеризација, хидролиза итд.). Ултразвучно генерисану кавитацију одликују јединствени услови високе густине енергије, који поспешују и интензивирају хемијске реакције. Веће брзине реакција, већи приноси и употреба еколошки прихватљивих, блажих реагенаса чине сонохемију веома погодним средством за побољшање хемијских реакција.

Сонохемија

Сонохемија је област истраживања и процесне обраде у којој молекули ступају у хемијску реакцију услед примене ултразвучне обраде високог интензитета (нпр. 20 kHz). Појава одговорна за сонохемијске реакције јесте акустична кавитација. Акустична или ултразвучна кавитација настаје када се енергија снажних ултразвучних таласа преноси у течност или суспензију. Услед наизменичних циклуса високог и ниског притиска које у течности изазивају таласи ултразвука велике снаге, стварају се вакуумски мехурићи (кавитационе шупљине), који расту током више циклуса притиска. Када кавитациони вакуумски мехурић достигне одређену величину при којој више не може да апсорбује енергију, он снажно имплодира и ствара врелу тачку са веома високом густином енергије. Ову локално насталу врелу тачку одликују веома високе температуре, притисци и микрострујање изузетно брзих млазева течности.

Акустична кавитација и ефекти ултразвучне обраде високог интензитета

Акустична кавитација, која се често назива и ултразвучном кавитацијом, може се поделити на два облика: стабилну и прелазну кавитацију. Током стабилне кавитације, кавитациони мехурић више пута осцилује око свог равнотежног полупречника, док током прелазне кавитације краткотрајни мехурић доживљава драстичне промене запремине у неколико акустичних циклуса и на крају снажно колабира (Suslick 1988). Стабилна и прелазна кавитација могу се истовремено јавити у раствору, а мехурић који пролази кроз стабилну кавитацију може постати прелазна кавитациона шупљина. Имплозија мехурића, карактеристична за прелазну кавитацију и ултразвучну обраду високог интензитета, ствара различите физичке услове, укључујући веома високе температуре од 5000–25.000 K, притиске до неколико 1000 bar и струје течности са брзинама до 1000m/s. Пошто се колапс/имплозија кавитационих мехурића одвија за мање од једне наносекунде, могу се уочити веома велике брзине загревања и хлађења које премашују 10¹¹ K/s. Тако велике брзине загревања и разлике у притиску могу покренути и убрзати реакције. Када је реч о насталим струјама течности, ови микромлазеви велике брзине показују нарочито велике предности код хетерогених суспензија чврсто–течно. Млазеви течности ударају о површину при пуној температури и притиску мехурића који колабира и изазивају ерозију услед судара међу честицама, као и локализовано топљење. Последично, у раствору се уочава знатно побољшан пренос масе.

Ултразвучна кавитација се најефикасније ствара у течностима и растварачима са ниским притиском паре. Због тога су медијуми са ниским притиском паре погодни за сонохемијске примене.
Снажне силе настале услед ултразвучне кавитације могу да преусмере реакције на ефикасније реакционе путеве, тако да се избегавају потпуније конверзије и/или стварање нежељених споредних производа.
Простор високе густине енергије који настаје колапсом кавитационих мехурића назива се врела тачка. Нискофреквентни ултразвук велике снаге у опсегу од 20kHz и могућност постизања великих амплитуда представљају добро утврђен начин стварања интензивних врелих тачака и повољних сонохемијских услова.

Ултразвучна лабораторијска опрема, као и индустријски ултразвучни реактори за комерцијалне сонохемијске процесе, лако су доступни и доказано поуздани, ефикасни и еколошки прихватљиви у лабораторијским, пилотским и потпуно индустријским размерама. Сонохемијске реакције могу да се спроводе као шаржни процеси (тј. у отвореној посуди) или као континуални проточни процеси уз употребу затвореног реактора са проточном ћелијом.

Соносинтеза

Соносинтеза или сонохемијска синтеза представља примену ултразвучно створене кавитације за покретање и поспешивање хемијских реакција. Ултразвучна обрада великом снагом (нпр. на 20 kHz) снажно утиче на молекуле и хемијске везе. На пример, сонохемијски ефекти настали услед интензивне соникације могу да доведу до цепања молекула, стварања слободних радикала и/или промене реакционих путева. Сонохемијска синтеза се зато интензивно користи за производњу или модификацију широког спектра наноструктурираних материјала. Примери наноматеријала произведених соносинтезом су наночестице (NPs) (нпр. наночестице злата, наночестице сребра), пигменти, наночестице са структуром језгро–омотач, нанохидроксиапатит, металоорганске мреже (MOFs), активни фармацеутски састојци (APIs), наночестице украшене микросферама, нанокомпозити и многи други материјали.
Примери: Ултразвучна трансестерификација метил естара масних киселина (биодизела) или трансестерификација полиола уз употребу ултразвука.

TEM снимак (A) и расподела величине честица (B) наночестица сребра (Ag-NPs), које су сонохемијски синтетизоване у оптималним условима.

Широко се примењује и ултразвучно поспешена кристализација (сонокристализација), при којој се ултразвук велике снаге користи за добијање презасићених раствора, покретање кристализације / таложења и контролу величине и морфологије кристала помоћу параметара ултразвучног процеса. Кликните овде да бисте сазнали више о сонокристализацији!

Сонокатализа

Соникација хемијске суспензије или раствора може значајно да побољша каталитичке реакције. Сонохемијска енергија скраћује време реакције и побољшава пренос топлоте и масе, што затим доводи до повећања константи брзине хемијских реакција, приноса и селективности.
Бројни каталитички процеси имају изузетну корист од примене ултразвука велике снаге и његових сонохемијских ефеката. Свака хетерогена реакција катализе фазног преноса (PTC) која укључује две или више течности које се међусобно не мешају или систем течност–чврста материја има користи од соникације, сонохемијске енергије и побољшаног преноса масе.
На пример, упоредна анализа каталитичке влажне оксидације фенола пероксидом у води, без ултразвука и уз помоћ ултразвука, показала је да соникација смањује енергетску баријеру реакције, али не утиче на реакциони пут. Утврђено је да енергија активације за оксидацију фенола у присуству RuI₃ катализатора током соникације износи 13 kJ mol^-1, што је било четири пута мање у поређењу са процесом оксидације без ултразвука (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Сонохемијска катализа успешно се користи за производњу хемијских производа, као и за производњу неорганских материјала са микрометарском и нанометарском структуром, као што су метали, легуре, метална једињења, неметални материјали и неоргански композити. Уобичајени примери ултразвучно потпомогнуте катализе са преносом фазе (PTC) јесу трансестерификација слободних масних киселина у метил-естар (биодизел), хидролиза, сапонификација биљних уља, соно-Фентонова реакција (процеси слични Фентоновом), сонокаталитичка разградња итд.
Прочитајте више о соно-катализи и конкретним применама!
Соникација побољшава клик-хемију, као што су реакције азид-алкинске циклоадиције!

Друге сонохемијске примене

Због своје свестране примене, поузданости и једноставног руковања, сонохемијски системи као што су UP400St или UIP2000hdT цењени су као ефикасна опрема за хемијске реакције. Сонохемијски уређаји компаније Hielscher Ultrasonics могу се лако користити за шаржну соникацију (у отвореној лабораторијској чаши) и континуалну проточну соникацију помоћу сонохемијске проточне ћелије. Сонохемија, укључујући соно-синтезу, соно-катализу, разградњу или полимеризацију, широко се примењује у хемији, нанотехнологији, науци о материјалима, фармацији, микробиологији, као и у другим индустријским гранама.

Сонохемијска опрема високих перформанси

Hielscher Ultrasonics је ваш водећи добављач иновативних, најсавременијих ултразвучних уређаја, сонохемијских проточних ћелија, реактора и додатне опреме за ефикасне и поуздане сонохемијске реакције. Сви ултразвучни уређаји Hielscher пројектују се, производе и испитују искључиво у седишту компаније Hielscher Ultrasonics у Телтову (у близини Берлина), у Немачкој. Поред највиших техничких стандарда, изузетне робусности и рада 24/7/365 који омогућава високу радну ефикасност, ултразвучни уређаји Hielscher одликују се једноставним и поузданим руковањем. Висока ефикасност, паметан софтвер, интуитиван мени, аутоматско бележење података и даљинско управљање преко прегледача само су неке од карактеристика које издвајају Hielscher Ultrasonics од других произвођача сонохемијске опреме.

Прецизно подесиве амплитуде

Амплитуда је померај на предњем крају (врху) сонотроде (познате и као ултразвучна сонда или рог) и главни је фактор који утиче на ултразвучну кавитацију. Веће амплитуде значе интензивнију кавитацију. Потребан интензитет кавитације у великој мери зависи од врсте реакције, коришћених хемијских реагенаса и циљаних резултата конкретне сонохемијске реакције. То значи да амплитуда треба да буде прецизно подесива како би се интензитет акустичне кавитације подесио на идеалан ниво. Код свих ултразвучних уређаја Hielscher амплитуда се може поуздано и прецизно подесити на идеалну вредност помоћу интелигентног дигиталног управљања. Додатно се могу користити појачивачки рогови за механичко смањење или повећање амплитуде. Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics могу да остваре веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7. За још веће амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери.

Прецизна контрола температуре током сонохемијских реакција

У кавитационој врућој тачки могу се уочити изузетно високе температуре од више хиљада степени Целзијуса. Међутим, ове екстремне температуре су локално ограничене на сићушну унутрашњост и околину кавитационог мехурића који имплодира. У укупној запремини раствора, пораст температуре услед имплозије једног или неколико кавитационих мехурића је занемарљив. Међутим, непрекидна, интензивна соникација током дужих периода може изазвати постепен пораст температуре укупне запремине течности. Овај пораст температуре доприноси многим хемијским реакцијама и често се сматра корисним. Међутим, различите хемијске реакције имају различите оптималне реакционе температуре. При обради материјала осетљивих на топлоту, контрола температуре може бити неопходна. Да би се омогућили идеални топлотни услови током сонохемијских процеса, Hielscher Ultrasonics нуди разна софистицирана решења за прецизну контролу температуре током сонохемијских процеса, као што су сонохемијски реактори и проточне ћелије опремљени расхладним плаштевима.
Наше сонохемијске проточне ћелије и реактори доступни су са расхладним плаштевима, који омогућавају ефикасно одвођење топлоте. За непрекидно праћење температуре, Hielscher ултразвучни уређаји опремљени су прикључним температурним сензором, који се може уронити у течност ради сталног мерења температуре укупне запремине течности. Софистицирани софтвер омогућава подешавање температурног опсега. Када се прекорачи гранична температура, ултразвучни уређај аутоматски паузира док се температура течности не спусти на одређену задату вредност, а затим аутоматски поново започиње соникацију. Сва мерења температуре, као и други важни подаци о ултразвучном процесу, аутоматски се бележе на уграђену SD картицу и могу се лако прегледати ради контроле процеса.
Температура је кључни параметар сонохемијских процеса. Усавршена технологија компаније Hielscher помаже вам да температуру своје сонохемијске примене одржавате у идеалном температурном опсегу.

Табела у наставку даје оквирни приказ приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: