Sonochemistry och sonokemiska reaktorer

Sonochemistry är det kemiområde där högintensiv ultraljud används för att inducera, accelerera och modifiera kemiska reaktioner (syntes, katalys, nedbrytning, polymerisation, hydrolys etc.). Ultraljud genereras kavitation kännetecknas av unika energitäta villkor, som främjar och intensifierar kemiska reaktioner. Snabbare reaktionshastigheter, högre utbyten och användning av gröna, mildare reagenser gör sonochemistry till ett mycket fördelaktigt verktyg för att få förbättrade kemiska reaktioner.

sonochemistry

Sonochemistry är det forsknings- och bearbetningsområde där molekyler genomgår en kemisk reaktion på grund av tillämpningen av högintensiv ultraljudsbehandling (t.ex. 20 kHz). Fenomenet som är ansvarigt för sonokemiska reaktioner är akustisk kavitation. Akustisk eller ultraljud kavitation uppstår när kraftfulla ultraljud vågor är kopplade till en vätska eller slam. På grund av de alternerande högtrycks- / lågtryckscyklerna orsakade av kraft ultraljudsvågor i vätskan genereras vakuumbubblor (cavitational voids) som växer över flera tryckcykler. När kavitationsvakuumbubblan 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 flytande jetstrålar.

Akustisk kavitation och effekter av högintensiv ultraljudsbehandling

Akustisk kavitation, ofta även kallad ultraljud kavitation, kan särskiljas i två former, stabil och övergående kavitation. Under stabil kavitation svänger kavitationsbubblan många gånger runt dess jämviktsradie, medan under övergående kavitation, där en kortlivad bubbla genomgår dramatiska volymförändringar i några akustiska cykler och avslutas i en våldsam kollaps (Suslick 1988). Stabil och övergående kavitation kan uppstå samtidigt i lösningen och en bubbla som genomgår stabil kavitation kan bli en övergående hålighet. Bubbelimplosionen, som är karakteristisk för övergående 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 flytande strömmar med hastigheter på upp till 1000m/s. Eftersom kollapsen/implosionen av kavitationsbubblor förekommer på mindre än en nanosekund, är det mycket höga värme- och kylhastigheter över 10¹¹ K/s kan observeras. Sådana höga uppvärmningshastigheter och tryckskillnader kan initiera och påskynda reaktioner. När det gäller de förekommande flytande strömmarna visar dessa höghastighetsmikrojets särskilt höga fördelar när det gäller heterogena fasta flytande slam. De flytande jetstrålarna infaller på ytan med den kollapsande bubblans fulla temperatur och tryck och orsakar erosion via interpartikelkollision samt lokaliserad smältning. Följaktligen observeras en avsevärt förbättrad massöverföring i lösningen.

Ultraljud kavitation genereras mest effektivt i vätskor och lösningsmedel wit låga ångtryck. Därför är media med lågt ångtryck gynnsamt för sonokemiska tillämpningar.
Som ett resultat av ultraljud kavitation, de intensiva krafter som skapas kan byta vägar av reaktioner till effektivare vägar, så att mer kompletta omvandlingar och /eller produktion av oönskade biprodukter undviks.
Det energitäta utrymmet som skapas av kollapsen av kavitationsbubblor kallas hot-spot. Lågfrekvent ultraljud med hög effekt i intervallet 20kHz och förmågan att skapa höga amplituder är väl etablerad för generering av intensiva hot-spots och de gynnsamma sonokemiska förhållandena.

Ultraljud laboratorieutrustning samt industriella ultraljud reaktorer för kommersiella sonochemical processer är lätt tillgängliga och beprövade som tillförlitliga, effektiva och miljövänliga på labb, pilot och helt industriell skala. Sonokemiska reaktioner kan utföras som sats (dvs. öppet kärl) eller in-line process med hjälp av en sluten flödescellreaktor.

Sono-syntes

Sono-syntes eller sonochemical syntes är tillämpningen av ultraljud genererade kavitation för att initiera och främja kemiska reaktioner. Hög effekt ultraljud (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 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 (NPs) (t.ex. guld-NPs, silver-NPs), pigment, nanopartiklar av kärnskal, nanohydroxiapatit, metall organiska ramverk (MOF), aktiva farmaceutiska ingredienser (API), mikrosfär dekorerade nanopartiklar, nanokompositer bland många andra material.
Exempel: Ultraljud transesterifiering av fettsyra metylestrar (biodiesel) eller transesterifiering av polyoler med ultraljud.

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

Också allmänt tillämpas är ultraljud främjas kristallisering (sono-kristallisering), där power-ultraljud är en vana att producera övermättade lösningar, att initiera kristallisering / nederbörd, och kontrollera kristallstorlek och morfologi via ultraljud processparametrar. Klicka här för att lära dig mer om sonokristallisering!

Sono-katalys

Ultraljudsbehandling av en kemisk suspension eller lösning kan avsevärt förbättra katalytiska reaktioner. 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 drastisk nytta av tillämpningen av kraft ultraljud och dess sonokemiska effekter. Varje heterogen fasöverföringskatalysreaktion (PTC) som involverar två eller flera omisskännliga vätskor eller en flytande fast sammansättning, drar nytta av ultraljudsbehandling, sonokemisk energi och förbättrad massöverföring.
Till exempel visade den jämförande analysen av tyst och ultraljud-assisterad katalytisk våt peroxid oxidation av fenol i vatten att ultraljudsbehandling minskade energibarriären av reaktionen, men hade ingen inverkan på reaktionsvägen. Aktiveringsenergin för oxidation av fenol över RuI₃ katalysator under ultraljudsbehandling konstaterades vara 13 kJ mol^-1, som var fyra gånger mindre i jämförelse med den tysta oxidationsprocessen (57 kJ mol^-1). (Rokhina m.fl., 2010)
Sonokemisk katalys används framgångsrikt för tillverkning av kemiska produkter samt tillverkning av mikron- och nanostrukturerade oorganiska material som metaller, legeringar, metallföreningar, icke-metallmaterial och oorganiska kompositer. Vanliga exempel på ultraljud assisterad PTC är transesterifiering av fria fettsyror till metyl ester (biodiesel), hydrolys, förtvålning av vegetabiliska oljor, sono-Fenton reaktion (Fenton-liknande processer), sonocatalytisk nedbrytning etc.
Läs mer om sonokatalys och specifika applikationer!
Ultraljudsbehandling förbättrar klick kemi såsom azid-alkyne cycloaddition reaktioner!

Andra sonokemiska tillämpningar

På grund av deras mångsidiga användning, tillförlitlighet och enkla drift kan sonokemiska system som UP400St eller UIP2000hdT värderas som effektiv utrustning för kemiska reaktioner. Hielscher Ultrasonics sonochemical enheter kan lätt användas för sats (öppen bägare) och kontinuerlig inline ultraljudsbehandling med hjälp av en sonochemical flöde cell. Sonochemistry inklusive sonosyntes, sono-katalys, nedbrytning eller polymerisation används ofta i kemi, nanoteknik, materialvetenskap, läkemedel, mikrobiologi samt i andra branscher.

Högpresterande sonokemisk utrustning

Hielscher Ultrasonics är din främsta leverantör av innovativa, toppmoderna ultraljudsatorer, sonokemiska flödesceller, reaktorer och tillbehör för effektiva och tillförlitliga sonokemiska reaktioner. Alla Hielscher ultrasonicators är uteslutande 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 högeffektiv drift, Hielscher ultrasonicators är lätta och tillförlitliga att använda. Hög effektivitet, smart programvara, intuitiv meny, automatisk dataprotokollering och webbläsarfjärrkontroll är bara några funktioner som skiljer Hielscher Ultrasonics från andra sonokemiska utrustningstillverkare.

Exakt justerbara amplituder

Amplituden är förskjutningen framtill (spetsen) av sonotroden (även känd som ultraljud sond eller horn) och är den viktigaste influensfaktorn för ultraljud kavitation. 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 ställa in intensiteten av akustisk kavitation till den ideala nivån. Alla Hielscher ultrasonicators kan justeras tillförlitligt och exakt via en intelligent digital kontroll till den perfekta amplituden. Booster horn kan dessutom användas för att minska eller öka amplitud mekaniskt. Ultraljud’ industriella ultraljud processorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotrodes.

Exakt temperaturkontroll under sonokemiska reaktioner

I kavitation hot-spot kan extremt höga temperaturer på många tusentals grader Celsius observeras. Dessa extrema temperaturer är dock begränsade lokalt till minutinredningen och omgivande av den imploderande kavitationsbubblan. I bulklösningen stiger temperaturen från implosionen en enda eller några kavitationsbubblor är försumbar. Men kontinuerlig, intensiv ultraljudsbehandling under längre perioder kan orsaka en stegvis 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 kyljackor.
Våra sonokemiska flödesceller och reaktorer finns med kyljackor, som stöder en effektiv värmeavledning. För kontinuerlig temperaturövervakning är Hielscher ultraljudsmätare utrustade med en pluggbar temperaturgivare, som kan sättas in i vätskan för konstant mätning av bulktemperaturen. Sofistikerad programvara gör det möjligt att ställa in ett temperaturområde. När temperaturgränsen överskrids pausas ultraljudspumpen automatiskt tills temperaturen i vätskan har sjunkit till en viss bördpunkt och börjar automatiskt ultraljudsförblöda igen. Alla temperaturmätningar samt andra viktiga ultraljud processdata registreras automatiskt på ett inbyggt SD-kort och kan enkelt revideras för processkontroll.
Temperatur är en avgörande parameter för sonokemiska processer. Hielschers utarbetade teknik hjälper dig att hålla temperaturen på din sonokemiska applikation inom det perfekta temperaturområdet.

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: