Sonohemija je polje hemije gde se ultrazvuk visokog intenziteta koristi za izazivanje, ubrzavanje i modifikovanje hemijskih reakcija (sinteza, kataliza, degradacija, polimerizacija, hidroliza itd.). Ultrasonično generisanu kavitaciju karakterišu jedinstveni energetski gusti uslovi, koji promovišu i intenziviraju hemijske reakcije. Brže stope reakcije, veći prinosi i upotreba zelenih, blažih reagensa pretvaraju sonohemiju u veoma povoljno sredstvo kako bi se dobile poboljšane hemijske reakcije.

Сонохемија

Sonohemija je polje istraživanja i obrade u kojem molekuli prolaze kroz hemijsku reakciju zbog primene ultrazvučnosti visokog intenziteta (npr. 20 kHz). Fenomen odgovoran za sonohemijske reakcije je akustična kavitacija. Akustična ili ultrazvučna kavitacija nastaje kada se snažni ultrazvučni talasi u pare u tečnost ili mulj. Zbog naizmeničnih ciklusa visokog pritiska / niskog pritiska izazvanih ultrazvučnim talasima snage u tečnosti, generišu se vakuumski mehurići (kavitacione praznine) koji rastu tokom nekoliko ciklusa pritiska. Kada kavitacioni vakuumski mehur dostigne određenu veličinu gde ne može da apsorbuje više energije, vakuumski mehur implodira nasilno i stvara visoko energetski gusto žarište. Ovo lokalno žarište karakterišu veoma visoke temperature, pritisci i mikro protok izuzetno brzih tečnih mlaznjacima.

Akustična kavitacija i efekti ultrazvučnosti visokog intenziteta

Akustična kavitacija, koja se često naziva i ultrazvučnom kavitacijom, može se razlikovati u dva oblika, stabilnu i prolaznu kavitaciju. Tokom stabilne kavitacije, mehurić kavitacije oscilira mnogo puta oko svog ekvilibrijumskog radijusa, dok tokom prolazne kavitacije, u kojoj kratkotrajni mehur prolazi kroz dramatične promene jačine zvuka u nekoliko akustičnih ciklusa i prekida se u nasilnom kolapsu (Suslick 1988). Stabilna i prolazna kavitacija može da se javi istovremeno u rastvoru i mehur koji prolazi kroz stabilnu kavitaciju može postati prolazna šupljina. Implozija mehurića, koja je karakteristična za prolaznu kavitaciju i sonikaciju visokog intenziteta, stvara razne fizičke uslove uključujući veoma visoke temperature od 5000–25.000 K, pritiske do nekoliko 1000 bara, i tečne tokove sa brzinom do 1000m/s. Pošto se kolaps/implozija kavitacionih mehurića javlja u manje od nanosekunde, veoma visoke stope grejanja i hlađenja u višku od 10¹¹ K/s se može posmatrati. Tako visoke stope grejanja i poferencijal pritiska mogu da pokrenu i ubrzaju reakcije. Što se tiče pojave tečnih tokova, ovi brzi mikrojetovi pokazuju posebno velike prednosti kada je reč o heterogenim čvrstim-tečnim ljagama. Tečni mlaznjaci ometaju površinu sa punom temperaturom i pritiskom urušavanja mehura i izazivaju eroziju putem međustranačkog sudara kao i lokalizovano topljenje. Shodno tome, primećuje se znatno poboljšan masovni transfer u rešenju.

Ultrazvučna kavitacija se najefikasnije generiše u tečnostima i rastvaračima sa niskim pritiskom pare. Zbog toga su mediji sa niskim pritiskom pare povoljni za sonohemijsku primenu.
Kao rezultat ultrazvučne kavitacije, stvorene intenzivne sile mogu da prebace puteve reakcija na efikasnije rute, tako da se izbegnu potpunije konverzije i/ili proizvodnja neželjenih nusproizvoda.
Energetski gust prostor nastao kolapsom mehurića kavitacije naziva se žarište. Niskofrekventni ultrazvuk visoke snage u opsegu od 20kHz i mogućnost stvaranja visokih amplitude je dobro uspostavljen za generaciju intenzivnih žarišta i povoljnih sonohemijskih uslova.

Ultrazvučna laboratorijska oprema, kao i industrijski ultrazvučni reaktori za komercijalne sonohemijske procese su lako dostupni i dokazani kao pouzdani, efikasni i ekološki povoljni za laboratoriju, pilote i potpuno industrijske razmere. Sonohemijske reakcije se mogu sprovesti kao grupa (odnosno otvorena posuda) ili proces u redu pomoću zatvorenog reaktora ćelija toka.

Sono-sinteza

Sono-sinteza ili sinohemijska sinteza je primena ultrasonično generisane kavitacije u cilju pokretanja i promovisanja hemijskih reakcija. Ultrazvučnost velike snage (npr. na 20 kHz) pokazuje snažne efekte na molekule i hemijsko vezivanje. Na primer, sonohemijski efekti nastali kao posledica intenzivne sonicije mogu rezultirati razdvajanjem molekula, stvaranjem slobodnih radikala i/ili prebacivanje hemijskih puteva. Sonohemijska sinteza se stoga intenzivno koristi za izradu ili modifikaciju širokog spektra nano-strukturiranih materijala. Primeri za nanomaterijale proizvedene putem sono-sinteze su nanočestice (NPS) (npr. zlatni NPS, srebrni NPs), pigmenti, jezgro-ljuska nano-čestice, nano-hidroksiapatit, metalni organski okviri (MOF-i), aktivni farmaceutski sastojci (API), mikrosfera ukrašena nanočesticama, nano-kompoziti između mnogih drugih materijala.
Primeri: Ultrazvučna transesterifikacija masne kiseline Metil Esters (biodizel) или transesterifikacija poliola pomoću ultrazvuka.

TEM slika (A) i njegova raspodela veličine čestica (B) srebrnih nanočestica (Ag-NPS), koje su sinohemijski sintetisane pod optimalnim uslovima.

Takođe se široko primenjuje ultrazvučno promovisana kristalizacija (sono-kristalizacija), gde se power-ultrazvuk koristi za proizvodnju superzasićenih rešenja, za pokretanje kristalizacije / padavina, i kontrolu veličine kristala i morfologije putem ultrazvučnih parametara procesa. Kliknite ovde da biste saznali više o sono-kristalizaciji!

Sono-Katalzis

Sonicanje hemijskog vešanja ili rastvora može značajno da poboljša katalitičke reakcije. Sonohemijska energija smanjuje vreme reakcije, poboljšava prenos toplote i mase, što naknadno rezultira povećanom stopom hemijske stope konstanti, prinosa i selektivnosti.
Postoje brojni katalitički procesi, koji drastično imaju koristi od primene power ultrazvuka i njegovih sonohemijskih efekata. Svaka reakcija heterogene faze transfera katalizatora (PTC) koja uključuje dve ili više nepogrešivih tečnosti ili tečno-čvrst sastav, ima koristi od sonikacije, sonohemijske energije i poboljšanog masovnog prenosa.
Na primer, uporedna analiza tihe i ultrasonično potpomognute katalitičke vlažne peroksida oksidacije fenola u vodi otkrila je da je sonicija smanjila energetsku barijeru reakcije, ali da nije uticala na putanju reakcije. Aktivaciona energija za oksidaciju fenola nad RuI₃ utvrđeno je da je katalizator tokom sonikacije bio 13 kJ mol^-1, koji je bio četiri puta manji u poređenju sa procesom tihe oksidacije (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonohemijska kataliza se uspešno koristi za izradu hemijskih proizvoda, kao i za proizvodnju mikronskih i nano-strukturiranih neorganskih materijala kao što su metali, aloje, metalna jedinjenja, ne-metalni materijali i neorganske kompote. Uobičajeni primeri ultrasonično potpomognute PTC su transesterifikacija slobodnih masnih kiselina u metil ester (biodizel), hidroliza, saponifikacija biljnih ulja, sono-fenton reakcija (procesi nalik Fentonu), sonokatalitička degradacija itd.
Pročitajte više o sono-katalizi i specifičnim primenama!
Sonication poboljšava klik hemiju kao što su azide-alkyne cikloaddition reakcije!

Ostale sonohemijske aplikacije

Zbog njihove svestrane upotrebe, pouzdanosti i jednostavnog rada, sonohemijski sistemi kao što je УП400Ст или УИП2000хдТ vrednuju se kao efikasna oprema za hemijske reakcije. Hielscher Ultrasonics sonochemical uređaji se mogu lako koristiti za grupu (open beaker) i neprekidnu umetnutu soniciju koristeći sonohemičnu ćeliju toka. Sonohemija, uključujući sono-sintezu, sono-katalizu, degradaciju ili polimerizaciju, široko se koristi u hemiji, nanotehnologiji, nauci o materijalima, farmaceutici, mikrobiologiji, kao i u drugim industrijama.

Sonohemijska oprema visokih performansi

Hielscher Ultrasonics je vaš glavni snabdevač inovativnim, vrhunskim ultrazvučnicima, sonohemijskim ćelijama toka, reaktorima i priborom za efikasne i pouzdane sonohemijske reakcije. Svi Hielscher ultrazvučnici su isključivo dizajnirani, proizvedeni i testirani u sedištu Hielscher Ultrasonics-a u Teltowu (blizu Berlina), u Nemačkoj. Pored najviših tehničkih standarda i izuzetne robusnosti i 24/7/365 operacije za visoko efikasan rad, Hielscher ultrazvučni uređaji su laki i pouzdani za rad. Visoka efikasnost, pametni softver, intuitivni meni, automatsko protokolarstvo podataka i daljinsko upravljanje pregledačem samo su nekoliko funkcija koje razlikuju Hielscher Ultrasonics od drugih proizvođača sonohemijske opreme.

Precizno podesive amplitude

Amplitude je premeštanje na prednji (vrh) sonotroda (poznatog i kao ultrazvučna sonda ili rog) i glavni je influencijski faktor ultrazvučne kavitacije. Veće amplitude znače intenzivniju kavitaciju. Zahtevani intenzitet kavitacije snažno zavisi od tipa reakcije, hemijskih reagensa koji se koriste i ciljanih rezultata specifične sonohemijske reakcije. To znači da bi amplitude trebalo da budu precizno podesive kako bi se intenzitet akustične kavitacije podesio na idealan nivo. Svi Hielscher ultrazvučnici mogu pouzdano i precizno da se prilagode putem inteligentne digitalne kontrole idealnoj amplitude. Booster rogovi se mogu dodatno koristiti za mehaničko smanjenje ili povećanje amplitude. Ultrazvučni’ industrijski ultrazvučni procesori mogu da isporuče veoma visoke amplitude. Amplitude do 200μm se mogu lako neprekidno pokrenuti u 24/7 operaciji. Za još veće amplitude dostupni su prilagođeni ultrazvučni sonotrodi.

Precizna kontrola temperature tokom sonohemijskih reakcija

U žarištu kavitacije mogu se primetiti izuzetno visoke temperature od više hiljada stepeni Celzijusa. Međutim, ove ekstremne temperature su lokalno ograničene na minut unutrašnjosti i okoline implodirajuće kavitacione mehure. U masovnom rastvoru, temperatura raste od implozije jedan ili mali broj mehurića kavitacije je zanemarljiv. Ali kontinuirana, intenzivna sonikacija duži period može da izazove postepeno povećanje temperature masovne tečnosti. Ovo povećanje temperature doprinosi mnogim hemijskim reakcijama i često se smatra blagotvornim. Međutim, različite hemijske reakcije imaju različite optimalne temperature reakcije. Kada se tretiraju materijali osetljivi na toplotu, kontrola temperature može biti neophodna. Kako bi omogućio idealne toplotne uslove tokom sonohemijskih procesa, Hielscher Ultrasonics nudi razna sofisticirana rešenja za preciznu kontrolu temperature tokom sonohemijskih procesa, kao što su sonohemijski reaktori i protočne ćelije opremljene rashladnim jaknama.
Naše sonohemijske ćelije toka i reaktori dostupni su sa rashladnim jaknama, koje podržavaju efikasno rasipanje toplote. Za kontinuirano praćenje temperature, Hielscher ultrazvučni uređaji opremljeni su senzorom za zapušavanje temperature, koji se može ubaciti u tečnost radi stalnog merenja masovne temperature. Sofisticirani softver omogućava postavljanje temperaturnog opsega. Kada se prekorači granica temperature, ultrazvuk automatski pauzira dok se temperatura u tečnosti ne spusti na određenu postavljenu tačku i ponovo počne automatski da se sonicira. Sva merenja temperature kao i drugi važni podaci o ultrazvučnom procesu automatski se beleže na ugrađenoj SD kartici i mogu se lako korigovati radi kontrole procesa.
Temperatura je ključni parametar sonohemijskih procesa. Hielscherova razrađena tehnologija vam pomaže da održite temperaturu sonohemijske primene u idealnom temperaturnom opsegu.

Табела испод показује приближни капацитет обраде наших ултразвучних уређаја: