Sonokemi och sonokemiska reaktorer

Sonokemi är det område inom kemin där högintensivt ultraljud används för att initiera, påskynda och modifiera kemiska reaktioner (syntes, katalys, nedbrytning, polymerisation, hydrolys etc.). Ultraljudsgenererad kavitation kännetecknas av unika förhållanden med hög energitäthet som främjar och intensifierar kemiska reaktioner. Snabbare reaktionshastigheter, högre utbyten och användningen av miljövänliga, mildare reagenser gör sonokemi till ett mycket fördelaktigt verktyg för att förbättra kemiska reaktioner.

Sonokemi

Sonokemi är det forsknings- och processområde där molekyler genomgår en kemisk reaktion till följd av högintensiv ultraljudsbehandling (t.ex. 20 kHz). Fenomenet bakom sonokemiska reaktioner är akustisk kavitation. Akustisk kavitation, eller ultraljudskavitation, uppstår när kraftfulla ultraljudsvågor kopplas in i en vätska eller slurry. Till följd av de växlande högtrycks- och lågtryckscykler som skapas av effektultraljudsvågor i vätskan bildas vakuumbubblor (kavitationshålrum), som växer under flera tryckcykler. När vakuumbubblan som bildats genom kavitation når en viss storlek där den inte kan absorbera mer energi imploderar den våldsamt och skapar en het zon med mycket hög energitäthet. Denna lokalt uppkomna heta zon kännetecknas av mycket höga temperaturer och tryck samt mikroströmning med extremt snabba vätskestrålar.

Akustisk kavitation och effekter av högintensiv ultraljudsbehandling

Akustisk kavitation, ofta även kallad ultraljudskavitation, kan delas in i två former: stabil och transient kavitation. Vid stabil kavitation oscillerar kavitationsbubblan många gånger kring sin jämviktsradie, medan en kortlivad bubbla vid transient kavitation genomgår dramatiska volymförändringar under några få akustiska cykler och slutligen kollapsar våldsamt (Suslick 1988). Stabil och transient kavitation kan förekomma samtidigt i lösningen, och en bubbla som genomgår stabil kavitation kan övergå till ett transient kavitationshålrum. Bubbelimplosionen, som är karakteristisk för transient kavitation och högintensiv ultraljudsbehandling, skapar olika fysikaliska förhållanden, däribland mycket höga temperaturer på 5000–25 000 K, tryck på upp till flera 1000 bar och vätskeströmmar med hastigheter på upp till 1000m/s. Eftersom kavitationsbubblornas kollaps/implosion sker på mindre än en nanosekund kan mycket höga uppvärmnings- och kylningshastigheter observeras som överstiger 10¹¹ K/s. Så höga uppvärmningshastigheter och tryckskillnader kan initiera och påskynda reaktioner. När det gäller de vätskeströmmar som uppstår ger dessa snabba mikrostrålar särskilt stora fördelar vid behandling av heterogena slurryer med fasta ämnen i vätska. Vätskestrålarna träffar ytan med den kollapsande bubblans fulla temperatur och tryck och orsakar erosion genom kollisioner mellan partiklar samt lokal smältning. Följaktligen observeras en avsevärt förbättrad massöverföring i lösningen.

Ultraljudskavitation genereras mest effektivt i vätskor och lösningsmedel med låga ångtryck. Därför är medier med låga ångtryck gynnsamma för sonokemiska tillämpningar.
De intensiva krafter som uppstår genom ultraljudskavitation kan ändra reaktionsvägar till effektivare vägar, så att mer fullständig omvandling och/eller produktion av oönskade biprodukter undviks.
Det energitäta område som skapas när kavitationsbubblor kollapsar kallas en hetpunkt. Lågfrekvent ultraljud med hög effekt i området kring 20kHz och förmågan att skapa höga amplituder är väletablerade för att generera intensiva hetpunkter och gynnsamma sonokemiska förhållanden.

Ultraljudsutrustning för laboratorier samt industriella ultraljudsreaktorer för kommersiella sonokemiska processer är lättillgängliga och har visat sig vara tillförlitliga, effektiva och miljövänliga i laboratorieskala, pilotskala och full industriell skala. Sonokemiska reaktioner kan utföras satsvis (dvs. i ett öppet kärl) eller som en inlineprocess med en sluten flödescellsreaktor.

Sonosyntes

Sonosyntes eller sonokemisk syntes innebär att ultraljudsgenererad kavitation används för att initiera och främja kemiska reaktioner. Ultraljudsbehandling med hög effekt (t.ex. vid 20 kHz) har kraftiga effekter på molekyler och kemiska bindningar. Exempelvis kan de sonokemiska effekterna från intensiv ultraljudsbehandling leda till att molekyler spjälkas, fria radikaler bildas och/eller kemiska reaktionsvägar ändras. Sonokemisk syntes används därför i stor omfattning för framställning eller modifiering av ett brett spektrum av nanostrukturerade material. Exempel på nanomaterial som framställs genom sonosyntes är nanopartiklar (NPs) (t.ex. guldnanopartiklar, silvernanopartiklar), pigment, nanopartiklar med kärna–skal-struktur, nanohydroxiapatit, metallorganiska ramverk (MOFs), aktiva farmaceutiska substanser (APIs), nanopartiklar dekorerade med mikrosfärer, nanokompositer och många andra material.
Exempel: Ultraljudsbaserad transesterifiering av fettsyrametylestrar (biodiesel) eller transesterifiering av polyoler med ultraljud.

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

Ultraljudsfrämjad kristallisation (sonokristallisation) används också i stor omfattning. Där används högeffektsultraljud för att framställa övermättade lösningar, initiera kristallisation / utfällning och styra kristallstorlek och morfologi genom ultraljudsprocessens parametrar. Klicka här för att läsa mer om sonokristallisation!

Sonokatalys

Ultraljudsbehandling av en kemisk suspension eller lösning kan avsevärt förbättra katalytiska reaktioner. Den sonokemiska energin minskar reaktionstiden och förbättrar värme- och massöverföringen, vilket i sin tur leder till högre kemiska hastighetskonstanter, utbyten och selektiviteter.
Det finns många katalytiska processer som gynnas kraftigt av högeffektsultraljud och dess sonokemiska effekter. Alla heterogena reaktioner med fasöverföringskatalys (PTC) som innefattar två eller flera oblandbara vätskor eller en sammansättning av vätska och fast material gynnas av ultraljudsbehandling, den sonokemiska energin och den förbättrade massöverföringen.
Exempelvis visade en jämförande analys av katalytisk våtoxidation av fenol i vatten med peroxid, utan respektive med ultraljudsassistans, att ultraljudsbehandlingen sänkte reaktionens energibarriär men inte påverkade reaktionsvägen. Aktiveringsenergin för oxidation av fenol med RuI₃ -katalysatorn under ultraljudsbehandling konstaterades vara 13 kJ mol^-1, vilket var fyra gånger lägre än vid oxidationsprocessen utan ultraljud (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
Sonokemisk katalys används framgångsrikt för framställning av kemiska produkter samt tillverkning av oorganiska material med mikro- och nanostruktur, såsom metaller, legeringar, metallföreningar, icke-metalliska material och oorganiska kompositer. Vanliga exempel på ultraljudsassisterad PTC är omförestring av fria fettsyror till metylester (biodiesel), hydrolys, förtvålning av vegetabiliska oljor, sono-Fenton-reaktioner (Fenton-liknande processer), sonokatalytisk nedbrytning etc.
Läs mer om sonokatalys och specifika tillämpningar!
Ultraljudsbehandling förbättrar klickkemi såsom azid–alkyn-cykloadditionsreaktioner!

Andra sonokemiska tillämpningar

Tack vare sin mångsidiga användning, tillförlitlighet och enkla hantering är sonokemiska system som UP400St eller UIP2000hdT uppskattade som effektiv utrustning för kemiska reaktioner. Sonokemiska apparater från Hielscher Ultrasonics kan enkelt användas för satsvis ultraljudsbehandling (i öppen bägare) och kontinuerlig ultraljudsbehandling i flöde med en sonokemisk flödescell. Sonokemi, inklusive sonosyntes, sonokatalys, nedbrytning eller polymerisation, används i stor utsträckning inom kemi, nanoteknik, materialvetenskap, läkemedelsindustrin, mikrobiologi samt andra branscher.

Högpresterande sonokemisk utrustning

Hielscher Ultrasonics är din främsta leverantör av innovativa, toppmoderna ultraljudsapparater, sonokemiska flödesceller, reaktorer och tillbehör för effektiva och tillförlitliga sonokemiska reaktioner. Alla ultraljudsapparater från Hielscher konstrueras, tillverkas och testas uteslutande vid Hielscher Ultrasonics huvudkontor i Teltow (nära Berlin), Tyskland. Utöver högsta tekniska standard, enastående robusthet och drift 24/7/365 för högeffektiv användning erbjuder Hielschers ultraljudsapparater enkel och tillförlitlig hantering. Hög effektivitet, smart programvara, intuitiv meny, automatisk dataloggning och fjärrstyrning via webbläsare är bara några av de funktioner som skiljer Hielscher Ultrasonics från andra tillverkare av sonokemisk utrustning.

Exakt justerbara amplituder

Amplituden är förskjutningen vid sonotrodens främre ände (spets) (även kallad ultraljudssond eller ultraljudshorn) och är den huvudsakliga faktor som påverkar ultraljudskavitationen. Högre amplituder innebär intensivare kavitation. Den erforderliga kavitationsintensiteten beror i hög grad på reaktionstypen, de kemiska reagenser som används och de eftersträvade resultaten av den specifika sonokemiska reaktionen. Detta innebär att amplituden bör kunna justeras exakt för att ställa in den akustiska kavitationens intensitet på den ideala nivån. Alla ultraljudsapparater från Hielscher kan tillförlitligt och exakt ställas in på den ideala amplituden via en intelligent digital styrning. Förstärkarhorn kan dessutom användas för att mekaniskt minska eller öka amplituden. Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift 24/7. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder.

Exakt temperaturreglering under sonokemiska reaktioner

I kavitationens heta punkt kan extremt höga temperaturer på många tusentals grader Celsius observeras. Dessa extrema temperaturer är dock lokalt begränsade till det mycket lilla utrymmet inuti och omkring den imploderande kavitationsbubblan. I lösningen som helhet är temperaturökningen från implosionen av en enda eller ett fåtal kavitationsbubblor försumbar. Kontinuerlig, intensiv ultraljudsbehandling under längre perioder kan dock orsaka en gradvis ökning av vätskans temperatur som helhet. Denna temperaturökning bidrar till många kemiska reaktioner och betraktas ofta som fördelaktig. Olika kemiska reaktioner har dock olika optimala reaktionstemperaturer. När värmekänsliga material behandlas kan temperaturreglering vara nödvändig. För att möjliggöra idealiska termiska förhållanden under sonokemiska processer erbjuder Hielscher Ultrasonics olika avancerade lösningar för exakt temperaturreglering under sonokemiska processer, såsom sonokemiska reaktorer och flödesceller utrustade med kylmantlar.
Våra sonokemiska flödesceller och reaktorer finns med kylmantlar som främjar effektiv värmeavledning. För kontinuerlig temperaturövervakning är Hielschers ultraljudsapparater utrustade med en anslutningsbar temperaturgivare som kan föras in i vätskan för kontinuerlig mätning av vätskans temperatur som helhet. Avancerad programvara gör det möjligt att ställa in ett temperaturintervall. När temperaturgränsen överskrids pausar ultraljudsapparaten automatiskt tills temperaturen i vätskan har sjunkit till ett visst börvärde och återupptar sedan ultraljudsbehandlingen automatiskt. Alla temperaturmätningar samt andra viktiga processdata för ultraljudsbehandlingen registreras automatiskt på ett inbyggt SD-kort och kan enkelt granskas för processkontroll.
Temperaturen är en avgörande parameter i sonokemiska processer. Hielschers välutvecklade teknik hjälper dig att hålla temperaturen i din sonokemiska tillämpning inom det idealiska temperaturintervallet.

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: