Sonokemiska reaktioner och syntes
Sonokemi är tillämpningen av ultraljud på kemiska reaktioner och processer. Mekanismen som orsakar sonokemiska effekter i vätskor är fenomenet akustisk kavitation.
Hielscher ultraljudslaboratorium och industriella enheter används i ett brett spektrum av sonokemiska processer. Ultraljudskavitation intensifierar och påskyndar kemiska reaktioner såsom syntes och katalys.
sonokemiska reaktioner
Följande sonokemiska effekter kan observeras i kemiska reaktioner och processer:
- ökning av reaktionshastigheten
- ökning av reaktionsproduktionen
- Effektivare energianvändning
- Sonokemiska metoder för omkoppling av reaktionsväg
- Prestandaförbättring av fasöverföringskatalysatorer
- Undvikande av fasöverföringskatalysatorer
- Användning av råa eller tekniska reagenser
- Aktivering av metaller och fasta ämnen
- reaktiviteten hos reagenser eller katalysatorer (Klicka här för att läsa mer om ultraljudsassisterad katalys)
- Förbättring av partikelsyntesen
- Beläggning av nanopartiklar

7 ultraljudshomogenisatorer av modell UIP1000hdT (7x 1kW ultraljudseffekt) installerad som kluster för sonokemiska reaktioner i industriell skala.
Fördelar med ultraljudsintensifierade kemiska reaktioner
Ultraljudsfrämjade kemiska reaktioner är en etablerad teknik för processintensifiering inom området kemisk syntes och bearbetning. Genom att utnyttja kraften i ultraljudsvågor erbjuder dessa reaktioner många fördelar jämfört med konventionella metoder, vilket förbättrar kemisk katalys och syntes. Turbosnabba omvandlingshastigheter, utmärkt avkastning, förbättrad selektivitet, förbättrad energieffektivitet och minskad miljöpåverkan är de främsta fördelarna med sonokemiska reaktioner.
Tabellslaget visar några framträdande fördelar med ultraljudsfrämjad reaktion jämfört med konventionella kemiska reaktioner:
reaktion | Reaktionstid Konventionell |
Reaktionstid ultraljud |
avkastning Konventionell (%) |
avkastning Ultraljud (%) |
---|---|---|---|---|
Diels-Alder cyklisering | 35 h | 3,5 h | 77.9 | 97.3 |
Oxidation av indane till indane-1-one | 3 h | 3 h | mindre än 27 % | 73% |
Reduktion av metoxiaminosilan | Ingen reaktion | 3 h | 0% | 100% |
Epoxidation av långkedjiga omättade fettestrar | 2 h | 15 minuter | 48% | 92% |
Oxidation av arylalkaner | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
Mikaels tillsats av nitroalkaner till monosubstituerade α,β-omättade estrar | 2 dagar | 2 h | 85% | 90% |
Permanganatoxidation av 2-oktanol | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
Syntes av chalkoner genom CLaisen-Schmidt-kondensation | 60 minuter | 10 minuter | 5% | 76% |
UIllmann koppling av 2-jodnitrobensen | 2 h | 2 timmar | mindre solbränna 1,5 % | 70.4% |
Reformatskijs reaktion | 12 timmar | 30 minuter | 50% | 98% |
Ultraljud kavitation 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), högt tryck (~1000 atm) och enorma värme- och kylhastigheter (>109 K/sek) och vätskestrålar (~400 km/h). (Suslick 1998)
Kavitation med hjälp av UIP1000hd:
Kavitationsbubblor är vakuumbubblor. Vakuumet skapas av en snabbt rörlig yta på ena sidan och en inert vätska på den andra. De resulterande tryckskillnaderna tjänar till att övervinna kohesions- och vidhäftningskrafterna i vätskan.
Kavitation kan produceras på olika sätt, såsom Venturi-munstycken, högtrycksmunstycken, höghastighetsrotation eller ultraljudsgivare. I alla dessa system omvandlas den tillförda energin till friktion, turbulens, vågor och kavitation. Andelen av den tillförda energin som omvandlas till kavitation beror på flera faktorer som beskriver rörelsen av den kavitationsgenererande utrustningen i vätskan.
Accelerationsintensiteten är en av de viktigaste faktorerna som påverkar den effektiva omvandlingen av energi till kavitation. Högre acceleration skapar högre tryckskillnader. Detta ökar i sin tur sannolikheten för att vakuumbubblor bildas istället för att det skapas vågor som fortplantar sig genom vätskan. Således, ju högre acceleration desto högre är den del av energin som omvandlas till kavitation. I fallet med en ultraljudsgivare beskrivs accelerationsintensiteten av svängningens amplitud.
Högre amplituder resulterar i en mer effektiv generering av kavitation. De industriella enheterna för Hielscher Ultrasonics kan skapa amplituder på upp till 115 μm. Dessa höga amplituder möjliggör ett högt effektöverföringsförhållande, vilket i sin tur gör det möjligt att skapa höga effekttätheter på upp till 100 W/cm³.
Förutom intensiteten bör vätskan accelereras på ett sätt för att skapa minimala förluster när det gäller turbulens, friktion och vågbildning. För detta är det optimala sättet en ensidig rörelseriktning.
- Beredning av aktiva metaller genom reduktion av metallsalter
- Generering av aktiverade metaller genom ultraljudsbehandling
- sonokemisk syntes av partiklar genom utfällning av metalloxider (Fe, Cr, Mn, Co), t.ex. för användning som katalysatorer
- Impregnering av metaller eller metallhalogenider på stöd
- Beredning av aktiva metalllösningar
- Reaktioner som involverar metaller via in situ-genererade organiska elementarter
- 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, legeringar, karbider, oxider och kolloider med hög ytarea
- agglomerering av kristaller
- utjämning och avlägsnande av passiverande oxidbeläggning
- Mikromanipulation (fraktionering) av små partiklar
- dispersion av fasta ämnen
- beredning av kolloider (Ag, Au, Q-storlek CdS)
- interkalering av gästmolekyler till oorganiska skiktade fasta ämnen
- Sonokemi av 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 eftermonteras för att fungera inline. Vi hjälper dig gärna att välja sonokemisk utrustning för dina bearbetningsbehov. För forskning och för testning av processer rekommenderar vi våra laboratorieenheter eller UIP1000hdT uppsättning.
Vid behov, FM- och ATEX-certifierade ultraljudsenheter och reaktorer (t.ex. UIP1000-EXD) finns tillgängliga för ultraljudsbehandling av brandfarliga kemikalier och produktformuleringar i farliga miljöer.
Ultraljud kavitation förändringar ringöppningsreaktioner
Ultraljud är en alternativ mekanism till värme, tryck, ljus eller elektricitet för att initiera kemiska reaktioner. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth, och deras team på Kemiska fakulteten vid University of Illinois i Urbana-Champaign Använde ultraljudskraft för att utlösa och manipulera ringöppningsreaktioner. Under ultraljudsbehandling genererade de kemiska reaktionerna produkter som skiljer sig från de som förutspås av orbitala symmetriregler (Nature 2007, 446, 423). Gruppen kopplade mekaniskt känsliga 1,2-disubstituerade bensocyklobutenisomerer till två polyetylenglykolkedjor, applicerade ultraljudsenergi och analyserade bulklösningarna med hjälp av C13 kärnmagnetisk resonansspektroskopi. Spektra visade att både cis- och transisomererna ger samma ringöppnade produkt, den som förväntas av transisomeren. Medan termisk energi orsakar slumpmässig Brownsk rörelse av reaktanterna, ger den mekaniska energin av ultraljud en riktning till atomära rörelser. Därför riktar kavitationseffekter effektivt energin genom att anstränga molekylen och omforma den potentiella energiytan.

Ultraljudsapparater av sondtyp som UP400St intensifiera syntesen av nanopartiklar. Den sonokemiska vägen är enkel, effektiv, snabb och fungerar med giftfria kemikalier under milda förhållanden.
Högpresterande ultraljudsapparater för sonokemi
Hielscher Ultrasonics levererar ultraljudsprocessorer för labb och industri. Alla Hielscher ultraljudsapparater är mycket kraftfulla och robusta ultraljudsmaskiner och byggda för kontinuerlig 24/7 drift under full belastning. Digital kontroll, programmerbara inställningar, temperaturövervakning, automatisk dataprotokollering och fjärrkontroll till webbläsaren är bara några funktioner i Hielscher ultraljudsapparater. Designad för hög prestanda och bekväm drift, värdesätter användarna säker och enkel hantering av Hielscher Ultrasonics-utrustning. Hielscher industriella ultraljudsprocessorer levererar amplituder på upp till 200 μm och är idealiska för tunga applikationer. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
---|---|---|
1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur / Referenser
- 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 tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.