Sonokemiska reaktioner och syntes

Sonokemi är användningen av ultraljud för kemiska reaktioner och processer. Mekanismen som orsakar sonokemiska effekter i vätskor är fenomenet akustisk kavitation.

Hielschers ultraljudsutrustning för laboratorier och industri används i en mängd olika sonokemiska processer. Ultraljudskavitation intensifierar och påskyndar kemiska reaktioner såsom syntes och katalys.

Sonokemiska reaktioner

Följande sonokemiska effekter kan observeras i kemiska reaktioner och processer:

• ökad reaktionshastighet
• ökat reaktionsutbyte
• effektivare energianvändning
• sonokemiska metoder för att ändra reaktionsvägen
• förbättrad prestanda hos fasöverföringskatalysatorer
• undvikande av fasöverföringskatalysatorer
• användning av orenade reagenser eller reagenser av teknisk kvalitet
• aktivering av metaller och fasta ämnen
• ökad reaktivitet hos reagenser eller katalysatorer (klicka här för att läsa mer om ultraljudsassisterad katalys)
• förbättrad partikelsyntes
• beläggning av nanopartiklar

Fördelar med kemiska reaktioner som intensifieras med ultraljud

Kemiska reaktioner som främjas med ultraljud är en etablerad teknik för processintensifiering inom kemisk syntes och bearbetning. Genom att utnyttja ultraljudsvågornas kraft erbjuder dessa reaktioner många fördelar jämfört med konventionella metoder och förbättrar kemisk katalys och syntes. Turbosnabba omvandlingshastigheter, utmärkta utbyten, ökad selektivitet, förbättrad energieffektivitet och minskad miljöpåverkan är de främsta fördelarna med sonokemiska reaktioner.

Tabellen nedan visar några framträdande fördelar med reaktioner som främjas med ultraljud jämfört med konventionella kemiska reaktioner:

Ultraljudskavitation i vätskor

Kavitation, det vill säga bildning, tillväxt och implosiv kollaps av bubblor i en vätska. Kavitationskollaps ger upphov till intensiv lokal uppvärmning (~5000 K), höga tryck (~1000 atm), enorma uppvärmnings- och avkylningshastigheter (>10⁹ K/sec) samt vätskestrålar (~400 km/h). (Suslick 1998)

Kavitation med UIP1000hd:

Denna video visar ultraljudskavitation, även kallad akustisk kavitation, i vatten – genererad av Hielscher UIP1000. Ultraljudskavitation används för många tillämpningar med vätskor.

Kavitationsbubblor är vakuumbubblor. Vakuumet skapas av en snabbt rörlig yta på ena sidan och en trög vätska på den andra. De resulterande tryckskillnaderna övervinner kohesions- och adhesionskrafterna i vätskan.

Kavitation kan genereras på olika sätt, till exempel med venturimunstycken, högtrycksmunstycken, rotation med hög hastighet eller ultraljudsgivare. I alla dessa system omvandlas den tillförda energin till friktion, turbulens, vågor och kavitation. Den andel av den tillförda energin som omvandlas till kavitation beror på flera faktorer som beskriver hur den kavitationsgenererande utrustningen rör sig i vätskan.

Accelerationens storlek är en av de viktigaste faktorerna som påverkar hur effektivt energi omvandlas till kavitation. Högre acceleration skapar större tryckskillnader. Detta ökar i sin tur sannolikheten för att vakuumbubblor bildas i stället för vågor som fortplantar sig genom vätskan. Ju högre accelerationen är, desto större är alltså den andel av energin som omvandlas till kavitation. För en ultraljudsgivare beskrivs accelerationens storlek av svängningsamplituden.

Högre amplituder ger effektivare kavitationsbildning. Industriutrustningen från Hielscher Ultrasonics kan generera amplituder på upp till 115 µm. Dessa höga amplituder möjliggör en hög effektöverföringsgrad, vilket i sin tur gör det möjligt att generera höga effekttätheter på upp till 100 W/cm³.

Utöver accelerationens storlek bör vätskan accelereras på ett sätt som ger minimala förluster i form av turbulens, friktion och vågbildning. För detta är en enkelriktad rörelse optimal.

Ultraljud används på grund av sina effekter i processer som:

• framställning av aktiverade metaller genom reduktion av metallsalter
• generering av aktiverade metaller genom ultraljudsbehandling
• sonokemisk syntes av partiklar genom utfällning av metalloxider (Fe, Cr, Mn, Co), till exempel för användning som katalysatorer
• impregnering av bärare med metaller eller metallhalogenider
• framställning av aktiverade metallösningar
• reaktioner som involverar metaller via organoelementföreningar som bildas in situ
• reaktioner som involverar icke-metalliska fasta ämnen
• kristallisation och utfällning av metaller, legeringar, zeoliter och andra fasta ämnen
• modifiering av ytmorfologi och partikelstorlek genom kollisioner mellan partiklar med hög hastighet
  • bildning av amorfa nanostrukturerade material, inklusive övergångsmetaller med stor yta, legeringar, karbider, oxider och kolloider
  • agglomerering av kristaller
  • utjämning och avlägsnande av passiverande oxidskikt
  • mikromanipulation (fraktionering) av små partiklar
• dispergering av fasta ämnen
• framställning av kolloider (Ag, Au, CdS i Q-storlek)
• interkalering av gästmolekyler i oorganiska skiktade fasta värdmaterial
• sonokemi för polymerer
  • nedbrytning och modifiering av polymerer
  • syntes av polymerer
• sonolys av organiska föroreningar i vatten

Sonokemisk utrustning

De flesta av de nämnda sonokemiska processerna kan i efterhand anpassas för drift i kontinuerligt flöde. Vi hjälper dig gärna att välja sonokemisk utrustning för dina processbehov. För forskning och testning av processer rekommenderar vi vår laboratorieutrustning eller UIP1000hdT-paketet.

Vid behov finns FM- och ATEX-certifierade ultraljudsenheter och reaktorer (t.ex. UIP1000-Exd) tillgängliga för ultraljudsbehandling av brandfarliga kemikalier och produktformuleringar i farliga miljöer.

Ultraljudskavitation förändrar ringöppningsreaktioner

Ultraljudsbehandling är en alternativ mekanism till värme, tryck, ljus eller elektricitet för att initiera kemiska reaktioner. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth och deras team vid kemiska fakulteten vid University of Illinois at Urbana-Champaign använde ultraljudseffekt för att utlösa och styra ringöppningsreaktioner. Vid ultraljudsbehandling gav de kemiska reaktionerna andra produkter än de som förutsagts av orbitalsymmetrireglerna (Nature 2007, 446, 423). Gruppen kopplade mekaniskt känsliga 1,2-disubstituerade bensocyklobutenisomerer till två polyetylenglykolkedjor, tillförde ultraljudsenergi och analyserade bulklösningarna med hjälp av C¹³ -kärnmagnetisk resonansspektroskopi. Spektren visade att både cis- och transisomererna ger samma ringöppnade produkt, den som förväntas från transisomeren. Medan termisk energi orsakar slumpmässig brownsk rörelse hos reaktanterna ger den mekaniska energin från ultraljudsbehandlingen atomrörelserna en riktning. Kavitationseffekterna riktar därför effektivt energin genom att deformera molekylen, vilket omformar den potentiella energiytan.

Högpresterande ultraljudsapparater för sonokemi

Hielscher Ultrasonics levererar ultraljudsprocessorer för laboratorier och industri. Alla Hielschers ultraljudsapparater är mycket kraftfulla och robusta ultraljudsmaskiner och är byggda för kontinuerlig drift dygnet runt, alla dagar i veckan, under full belastning. Digital styrning, programmerbara inställningar, temperaturövervakning, automatisk dataloggning och fjärrstyrning via webbläsare är bara några av funktionerna hos Hielschers ultraljudsapparater. Utrustningen från Hielscher Ultrasonics är konstruerad för hög prestanda och bekväm användning, och användarna uppskattar dess säkra och enkla hantering. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer ger amplituder på upp till 200µm och är idealiska för krävande tillämpningar. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.
Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: