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

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:

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.

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: