Sonokemi och sonokemiska reaktorer

Sonokemi är det område inom kemi där högintensivt ultraljud används för att inducera, påskynda och modifiera kemiska reaktioner (syntes, katalys, nedbrytning, polymerisation, hydrolys etc.). Ultraljudsgenererad kavitation kännetecknas av unika energitäta förhållanden, som främjar och intensifierar kemiska reaktioner. Snabbare reaktionshastigheter, högre utbyten och användning av gröna, mildare reagenser gör sonokemi till ett mycket fördelaktigt verktyg för att få förbättrade kemiska reaktioner.

Sonokemi

Sonokemi är det forsknings- och bearbetningsområde där molekyler genomgår en kemisk reaktion på grund av tillämpningen av högintensiv ultraljud (t.ex. 20 kHz). Fenomenet som är ansvarigt för sonokemiska reaktioner är akustisk kavitation. Akustisk eller ultraljudskavitation uppstår när kraftfulla ultraljudsvågor kopplas till en vätska eller slurry. På grund av de växlande högtrycks- / lågtryckscyklerna som orsakas av ultraljudsvågor i vätskan, genereras vakuumbubblor (kavitationshåligheter) som växer över flera tryckcykler. När den kavitationella vakuumbubblan når en viss storlek där den inte kan absorbera mer energi, imploderar vakuumbubblan våldsamt och skapar en mycket energität hot spot. Denna lokalt förekommande "hot spot" kännetecknas av mycket höga temperaturer, tryck och mikroströmning av extremt snabba vätskestrålar.

Akustisk kavitation och effekter av högintensiv ultraljud

Akustisk kavitation, ofta även kallad ultraljudskavitation, kan delas in i två former, stabil och övergående kavitation. Under stabil kavitation svänger kavitationsbubblan många gånger runt sin jämviktsradie, medan under transient kavitation, där en kortlivad bubbla genomgår dramatiska volymförändringar i några akustiska cykler och slutar i en våldsam kollaps (Suslick 1988). Stabil och övergående kavitation kan förekomma samtidigt i lösningen och en bubbla som genomgår stabil kavitation kan bli en övergående kavitet. Bubbelimplosionen, som är karakteristisk för transient kavitation och högintensiv ultraljudsbehandling, skapar olika fysiska förhållanden inklusive mycket höga temperaturer på 5000–25 000 K, tryck på upp till flera 1000 bar och vätskeströmmar med hastigheter på upp till 1000 m/s. Eftersom kollapsen/implosionen av kavitationsbubblor sker på mindre än en nanosekund, mycket höga uppvärmnings- och kylningshastigheter på över 10¹¹ K/s kan observeras. Sådana höga uppvärmningshastigheter och tryckskillnader kan initiera och påskynda reaktioner. När det gäller de förekommande vätskeströmmarna visar dessa höghastighetsmikrojets särskilt stora fördelar när det gäller heterogena fasta–flytande uppslamningar. Vätskestrålarna träffar ytan med den fulla temperaturen och trycket från den kollapsande bubblan och orsakar erosion via interpartikelkollision samt lokal smältning. Följaktligen observeras en signifikant förbättrad massöverföring i lösningen.

Ultraljudskavitation genereras mest effektivt i vätskor och lösningsmedel med lågt ångtryck. Därför är medier med lågt ångtryck gynnsamma för sonokemiska tillämpningar.
Som ett resultat av ultraljudskavitation kan de intensiva krafter som skapas byta reaktionsvägar till mer effektiva vägar, så att mer fullständiga omvandlingar och/eller produktion av oönskade biprodukter undviks.
Det energitäta utrymmet som skapas när kavitationsbubblor kollapsar kallas hot-spot. Ultraljud med låg frekvens och hög effekt i intervallet 20 kHz och förmågan att skapa höga amplituder är väl etablerat för generering av intensiva hot-spots och gynnsamma sonokemiska förhållanden.

Ultraljudslaboratorieutrustning samt industriella ultraljudsreaktorer för kommersiella sonokemiska processer är lättillgängliga och bevisade som tillförlitliga, effektiva och miljövänliga i labb-, pilot- och fullt industriell skala. Sonokemiska reaktioner kan utföras som batch (dvs. öppet kärl) eller in-line-process med hjälp av en cellreaktor med slutet flöde.

Sono-syntes

Sonosyntes eller sonokemisk syntes är tillämpningen av ultraljudsgenererad kavitation för att initiera och främja kemiska reaktioner. Ultraljud med hög effekt (t.ex. vid 20 kHz) visar starka effekter på molekyler och kemiska bindningar. Till exempel kan de sonokemiska effekterna till följd av intensiv ultraljudsbehandling resultera i att dela upp molekyler, skapa fria radikaler och/eller byta kemiska vägar. Sonokemisk syntes används därför intensivt för tillverkning eller modifiering av ett brett spektrum av nanostrukturerade material. Exempel på nanomaterial som produceras via sonosyntes är nanopartiklar (t.ex. guld-NP, silver-NP), pigment, nanopartiklar med kärnskal, nano-hydroxiapatit, organiska ramverk av metall (MOFs), aktiva farmaceutiska ingredienser (API), mikrosfärdekorerade nanopartiklar, nanokompositer bland många andra material.
Exempel: Ultraljudstransesterifiering av fettsyrametylestrar (biodiesel) eller Transesterifiering av polyoler med hjälp av ultraljud.

TEM-bild (A) och dess partikelstorleksfördelning (B) av silvernanopartiklar (Ag-NPs), som har syntetiserats sonokemiskt under optimala förhållanden.

Också allmänt använd är den ultraljudsfrämjade kristallisationen (sono-kristallisation), där kraft-ultraljud används för att producera övermättade lösningar, för att initiera kristallisation / utfällning och kontrollera kristallstorlek och morfologi via ultraljudsprocessparametrar. Klicka här för att lära dig mer om sonokristallisering!

sono-katalys

Ultraljudsbehandling av en kemisk suspension eller lösning kan avsevärt förbättra de katalytiska reaktionerna. Den sonokemiska energin minskar reaktionstiden, förbättrar värme- och massöverföringen, vilket därefter resulterar i ökade kemiska hastighetskonstanter, utbyten och selektiviteter.
Det finns många katalytiska processer, som drar drastiska fördelar av tillämpningen av kraftultraljud och dess sonokemiska effekter. Varje heterogen fasöverföringskatalys (PTC) reaktion som involverar två eller flera oblandbara vätskor eller en vätska-fast sammansättning, drar nytta av ultraljudsbehandling, den sonokemiska energin och den förbättrade massöverföringen.
Till exempel, den jämförande analysen av tyst och ultraljudsassisterad katalytisk våtperoxidoxidation av fenol i vatten avslöjade att ultraljudsbehandling minskade energibarriären för reaktionen, men hade ingen inverkan på reaktionsvägen. Aktiveringsenergin för oxidation av fenol över RuI₃ katalysator under ultraljudsbehandling visade sig vara 13 kJ mol^-1, vilket var fyra gånger mindre jämfört med den tysta oxidationsprocessen (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonokemisk katalys används framgångsrikt för tillverkning av kemiska produkter samt tillverkning av mikron- och nanostrukturerade oorganiska material som metaller, legeringar, metallföreningar, icke-metalliska material och oorganiska kompositer. Vanliga exempel på ultraljudsassisterad PTC är transesterifiering av fria fettsyror till metylester (biodiesel), hydrolys, förtvålning av vegetabiliska oljor, sono-Fenton-reaktion (Fenton-liknande processer), sonokatalytisk nedbrytning etc.
Läs mer om sono-katalys och specifika tillämpningar!
Ultraljudsbehandling förbättrar klickkemi såsom azid-alkyn cykloaddition reaktioner!

Andra sonokemiska tillämpningar

På grund av deras mångsidiga användning, tillförlitlighet och enkla drift, sonokemiska system som UP400St eller UIP2000hdT värderas som effektiv utrustning för kemiska reaktioner. Hielscher Ultrasonics sonokemiska enheter kan enkelt användas för batch (öppen bägare) och kontinuerlig inline ultraljudsbehandling med hjälp av en sonokemisk flödescell. Sonokemi inklusive sonosyntes, sono-katalys, nedbrytning eller polymerisation används i stor utsträckning inom kemi, nanoteknik, materialvetenskap, läkemedel, mikrobiologi såväl som i andra industrier.

Högpresterande sonokemisk utrustning

Hielscher Ultrasonics är din främsta leverantör av innovativa, state-of-the-art ultraljudsapparater, sonokemiska flödesceller, reaktorer och tillbehör för effektiva och tillförlitliga sonokemiska reaktioner. Alla Hielscher ultraljudsapparater är exklusivt utformade, tillverkade och testade på Hielscher Ultrasonics huvudkontor i Teltow (nära Berlin), Tyskland. Förutom högsta tekniska standarder och enastående robusthet och 24/7/365 drift för mycket effektiv drift, är Hielscher ultraljudsapparater enkla och pålitliga att använda. Hög effektivitet, smart programvara, intuitiv meny, automatisk dataprotokollering och webbläsarens fjärrkontroll är bara några funktioner som skiljer Hielscher Ultrasonics från andra tillverkare av sonokemisk utrustning.

Exakt justerbara amplituder

Amplituden är förskjutningen på framsidan (spetsen) av sonotroden (även känd som ultraljudssond eller horn) och är den viktigaste påverkande faktorn för ultraljudskavitation. Högre amplituder innebär mer intensiv kavitation. Den erforderliga intensiteten av kavitation beror starkt på reaktionstypen, kemiska reagenser som används och riktade resultat av den specifika sonokemiska reaktionen. Detta innebär att amplituden bör vara exakt justerbar för att justera intensiteten av akustisk kavitation till den idealiska nivån. Alla Hielscher ultraljudsapparater kan justeras tillförlitligt och exakt via en intelligent digital kontroll till den idealiska amplituden. Boosterhorn kan dessutom användas för att minska eller öka amplituden mekaniskt. Ultraljud’ Industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.

Exakt temperaturkontroll under sonokemiska reaktioner

I kavitations-hotspoten kan extremt höga temperaturer på många tusen grader Celsius observeras. Dessa extrema temperaturer är dock lokalt begränsade till det minsta inre och omgivande av den imploderande kavitationsbubblan. I bulklösningen är temperaturökningen från implosionen med en enda eller ett fåtal kavitationsbubblor försumbar. Men kontinuerlig, intensiv ultraljudsbehandling under längre perioder kan orsaka en inkrementell ökning av bulkvätskans temperatur. Denna temperaturökning bidrar till många kemiska reaktioner och anses ofta vara fördelaktig. Olika kemiska reaktioner har dock olika optimala reaktionstemperaturer. När värmekänsliga material behandlas kan temperaturkontroll vara nödvändig. För att möjliggöra idealiska termiska förhållanden under sonokemiska processer erbjuder Hielscher Ultrasonics olika sofistikerade lösningar för exakt temperaturkontroll under sonokemiska processer, såsom sonokemiska reaktorer och flödesceller utrustade med kylmantel.
Våra sonokemiska flödesceller och reaktorer finns med kylmantel, som stöder en effektiv värmeavledning. För kontinuerlig temperaturövervakning är Hielscher ultraljudsapparater utrustade med en pluggbar temperatursensor, som kan sättas in i vätskan för konstant mätning av bulktemperaturen. Sofistikerad programvara gör det möjligt att ställa in ett temperaturområde. När temperaturgränsen överskrids pausar ultraljudaren automatiskt tills temperaturen i vätskan har sjunkit till ett visst börvärde och börjar automatiskt ultraljudsbehandling igen. Alla temperaturmätningar samt andra viktiga ultraljudsprocessdata registreras automatiskt på ett inbyggt SD-kort och kan enkelt revideras för processtyrning.
Temperatur är en avgörande parameter för sonokemiska processer. Hielschers utarbetade teknik hjälper dig att hålla temperaturen i din sonokemiska applikation inom det idealiska temperaturintervallet.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: