Сонохемија и сонохемијски реактори

Сонохемија је област хемије у којој се ултразвук високог интензитета користи за изазивање, убрзавање и модификовање хемијских реакција (синтеза, катализа, деградација, полимеризација, хидролиза итд.). Ултразвучно генерисана кавитација се одликује јединственим енергетским густим условима, који промовишу и интензивирају хемијске реакције. Брже брзине реакције, већи приноси и употреба зелених, блажих реагенаса претварају сонохемију у веома повољан алат за постизање побољшаних хемијских реакција.

Соноцхемистри

Сонохемија је област истраживања и обраде у којој молекули пролазе кроз хемијску реакцију због примене ултразвучне обраде високог интензитета (нпр. 20 кХз). Феномен одговоран за сонохемијске реакције је акустична кавитација. Акустична или ултразвучна кавитација настаје када се снажни ултразвучни таласи споје у течност или кашу. Због наизменичних циклуса високог/ниског притиска изазваних снажним ултразвучним таласима у течности, стварају се вакуумски мехурићи (кавитационе шупљине) који расту током неколико циклуса притиска. Када кавитациони вакуумски мехур достигне одређену величину где не може да апсорбује више енергије, вакуумски мехур нагло имплодира и ствара врућу тачку са високом густином енергије. Ову врућу тачку локалног карактера карактеришу веома високе температуре, притисци и микро струјање изузетно брзих млазова течности.

Акустична кавитација и ефекти ултразвучне обраде високог интензитета

Акустична кавитација, која се често назива и ултразвучна кавитација, може се разликовати у два облика, стабилну и пролазну кавитацију. Током стабилне кавитације, кавитациони мехур осцилује много пута око свог равнотежног радијуса, док током пролазне кавитације, у којој краткотрајни мехур подлеже драматичним променама запремине у неколико акустичних циклуса и завршава се насилним колапсом (Суслицк 1988). Стабилна и пролазна кавитација може се појавити истовремено у раствору и мехур који пролази кроз стабилну кавитацију може постати пролазна шупљина. Имплозија мехурића, која је карактеристична за пролазну кавитацију и ултразвучну обраду високог интензитета, ствара различите физичке услове укључујући веома високе температуре од 5000–25 000 К, притиске до неколико 1000 бара и струје течности са брзинама до 1000 м/с. Пошто се колапс/имплозија кавитационих мехурића дешава за мање од наносекунде, веома високе стопе загревања и хлађења веће од 10¹¹ К/с се може посматрати. Тако високе стопе загревања и разлике притиска могу покренути и убрзати реакције. Што се тиче струјања течности, ови микромлазници велике брзине показују посебно велике предности када су у питању хетерогене чврсте и течне суспензије. Млазеви течности ударају у површину са пуном температуром и притиском колапсирајућег мехура и изазивају ерозију путем судара између честица, као и локализованог топљења. Сходно томе, примећује се значајно побољшан пренос масе у раствору.

Ултразвучна кавитација се најефикасније генерише у течностима и растварачима са ниским притисцима паре. Стога су медији са ниским притисцима паре повољни за сонохемијске примене.
Као резултат ултразвучне кавитације, створене интензивне силе могу пребацити путеве реакција на ефикасније путеве, тако да се избегну потпуније конверзије и/или производња нежељених нуспроизвода.
Енергетски густ простор настао колапсом кавитационих мехурића назива се врућа тачка. Ултразвук ниске фреквенције, велике снаге у опсегу од 20 кХз и способност стварања великих амплитуда је добро успостављен за стварање интензивних врућих тачака и повољних сонохемијских услова.

Ултразвучна лабораторијска опрема као и индустријски ултразвучни реактори за комерцијалне сонохемијске процесе су лако доступни и доказани као поуздани, ефикасни и еколошки прихватљиви у лабораторијским, пилотским и потпуно индустријским размерама. Сонохемијске реакције се могу изводити као шаржни (тј. отворени суд) или ин-лине процес коришћењем реактора са затвореним проточним ћелијама.

соно-синтеза

Соно-синтеза или сонохемијска синтеза је примена ултразвучно генерисане кавитације у циљу иницирања и промовисања хемијских реакција. Ултразвук велике снаге (нпр. на 20 кХз) показује јаке ефекте на молекуле и хемијске везе. На пример, сонохемијски ефекти који су резултат интензивне соникације могу довести до цепања молекула, стварања слободних радикала и/или промене хемијских путева. Сонохемијска синтеза се стога интензивно користи за производњу или модификацију широког спектра нано-структурираних материјала. Примери за наноматеријале произведене соно-синтезом су наночестице (НП) (нпр. златни НП, сребрни НП), пигменти, наночестице језгра и љуске, нано-хидроксиапатит, метални органски оквири (МОФ), активни фармацеутски састојци (АПИ), наночестице украшене микросферама, нанокомпозити међу многим другим материјалима.
Примери: Ултразвучна трансестерификација метил естера масних киселина (биодизел) или трансестерификација полиола помоћу ултразвука.

ТЕМ слика (А) и њена расподела величине честица (Б) наночестица сребра (Аг-НП), које су сонохемијски синтетизоване под оптималним условима.

Такође је широко примењена ултразвучно промовисана кристализација (соно-кристализација), где се ултразвучни ултразвук користи за производњу презасићених раствора, за иницирање кристализације/таложења и контролу величине и морфологије кристала преко параметара ултразвучног процеса. Кликните овде да сазнате више о соно-кристализацији!

соно-катализа

Соницирање хемијске суспензије или раствора може значајно побољшати каталитичке реакције. Сонохемијска енергија смањује време реакције, побољшава пренос топлоте и масе, што последично доводи до повећања константи хемијске брзине, приноса и селективности.
Постоје бројни каталитички процеси, који имају драстичне користи од примене снажног ултразвука и његових сонохемијских ефеката. Свака реакција катализе хетерогеног преноса фазе (ПТЦ) која укључује две или више течности које се не мешају или течно-чврсту композицију, има користи од соникације, сонохемијске енергије и побољшаног преноса масе.
На пример, компаративна анализа тихе и ултразвучно потпомогнуте каталитичке влажне оксидације фенола у води открила је да је соникација смањила енергетску баријеру реакције, али није имала утицај на пут реакције. Енергија активације за оксидацију фенола преко РуИ₃ Утврђено је да је катализатор током соникације 13 кЈ мол^-1, што је четири пута мање у поређењу са процесом тихе оксидације (57 кЈ мол^-1). (Рокхина ет ал, 2010)
Сонохемијска катализа се успешно користи за производњу хемијских производа, као и за производњу микро- и нано-структурираних неорганских материјала као што су метали, легуре, метална једињења, неметални материјали и неоргански композити. Уобичајени примери ултразвучно потпомогнутог ПТЦ-а су трансестерификација слободних масних киселина у метил естар (биодизел), хидролиза, сапонификација биљних уља, соно-Фентон реакција (процеси слични Фентону), сонокаталитичка деградација итд.
Прочитајте више о соно-катализи и специфичним применама!
Соникација побољшава хемију кликова као што су реакције циклоадиције азида и алкина!

Друге сонохемијске примене

Због своје разноврсне употребе, поузданости и једноставног рада, сонохемијски системи као што су УП400Ст или УИП2000хдТ цењене су као ефикасна опрема за хемијске реакције. Хиелсцхер Ултрасоницс сонохемијски уређаји могу се лако користити за серије (отворена чаша) и континуирану инлине соникацију помоћу сонохемијске проточне ћелије. Сонохемија укључујући соно-синтезу, соно-катализу, деградацију или полимеризацију се широко користи у хемији, нанотехнологији, науци о материјалима, фармацији, микробиологији као иу другим индустријама.

Сонохемијска опрема високих перформанси

Хиелсцхер Ултрасоницс је ваш врхунски добављач иновативних, најсавременијих ултрасоникатора, сонохемијских проточних ћелија, реактора и прибора за ефикасне и поуздане сонохемијске реакције. Сви Хиелсцхер ултрасоникатори су ексклузивно дизајнирани, произведени и тестирани у седишту Хиелсцхер Ултрасоницс у Телтову (близу Берлина), Немачка. Поред највиших техничких стандарда и изузетне робусности и рада 24/7/365 за високо ефикасан рад, Хиелсцхер ултрасоникатори су лаки и поуздани за руковање. Висока ефикасност, паметан софтвер, интуитиван мени, аутоматско протоколирање података и даљинско управљање претраживачем су само неке од карактеристика које разликују Хиелсцхер Ултрасоницс од других произвођача сонохемијске опреме.

Прецизно подесиве амплитуде

Амплитуда је померање на предњој страни (врху) сонотроде (познате и као ултразвучна сонда или рог) и главни је фактор утицаја на ултразвучну кавитацију. Веће амплитуде значе интензивнију кавитацију. Потребан интензитет кавитације у великој мери зависи од типа реакције, употребљених хемијских реагенса и циљаних резултата специфичне сонохемијске реакције. То значи да амплитуда треба да буде прецизно подесива како би се интензитет акустичне кавитације подесио на идеалан ниво. Сви Хиелсцхер ултрасоникатори могу се поуздано и прецизно подесити преко интелигентне дигиталне контроле до идеалне амплитуде. Сирене за појачавање се могу додатно користити за механички смањење или повећање амплитуде. Ултрасоницс’ индустријски ултразвучни процесори могу да испоруче веома велике амплитуде. Амплитуде до 200 µм могу се лако радити у континуитету у раду 24/7. За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде.

Прецизна контрола температуре током сонохемијских реакција

У жаришту кавитације могу се уочити екстремно високе температуре од више хиљада степени Целзијуса. Међутим, ове екстремне температуре су локално ограничене на ситну унутрашњост и околину имплодирајућег кавитационог мехура. У расутом раствору, пораст температуре од имплозије једног или неколико мехурића кавитације је занемарљив. Али континуирана, интензивна соникација током дужег периода може проузроковати постепено повећање температуре течности. Ово повећање температуре доприноси многим хемијским реакцијама и често се сматра корисним. Међутим, различите хемијске реакције имају различите оптималне температуре реакције. Када се третирају материјали осетљиви на топлоту, контрола температуре може бити неопходна. Да би омогућио идеалне термичке услове током сонохемијских процеса, Хиелсцхер Ултрасоницс нуди разна софистицирана решења за прецизну контролу температуре током сонохемијских процеса, као што су сонохемијски реактори и проточне ћелије опремљене расхладним омотачем.
Наше сонохемијске проточне ћелије и реактори су доступни са расхладним омотима, који подржавају ефикасно одвођење топлоте. За континуирано праћење температуре, Хиелсцхер ултрасоникатори су опремљени температурним сензором који се може прикључити, који се може уметнути у течност за константно мерење температуре. Софистицирани софтвер омогућава подешавање температурног опсега. Када се прекорачи граница температуре, ултрасоникатор аутоматски паузира док се температура у течности не спусти на одређену задату тачку и поново почне аутоматски да врши соникацију. Сва мерења температуре као и други важни ултразвучни процесни подаци се аутоматски снимају на уграђену СД картицу и могу се лако ревидирати ради контроле процеса.
Температура је кључни параметар сонохемијских процеса. Хиелсцхерова разрађена технологија помаже вам да одржите температуру ваше сонохемијске апликације у идеалном температурном опсегу.

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: