ปฏิกิริยาและการสังเคราะห์ทางโซโนเคมี

โซโนเคมีคือการประยุกต์ใช้อัลตราซาวนด์กับปฏิกิริยาและกระบวนการทางเคมี กลไกที่ก่อให้เกิดผลทางโซโนเคมีในของเหลวคือปรากฏการณ์คาวิเทชันจากคลื่นเสียง

อุปกรณ์อัลตราโซนิกสำหรับห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรมของ Hielscher ใช้ในกระบวนการทางโซโนเคมีหลากหลายประเภท คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์เพิ่มความเข้มข้นและเร่งปฏิกิริยาเคมี เช่น การสังเคราะห์และการเร่งปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาทางโซโนเคมี

สามารถสังเกตผลทางโซโนเคมีต่อไปนี้ได้ในปฏิกิริยาและกระบวนการทางเคมี:

• เพิ่มอัตราเร็วของปฏิกิริยา
• เพิ่มปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยา
• ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
• วิธีทางโซโนเคมีสำหรับเปลี่ยนเส้นทางปฏิกิริยา
• ปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาแบบถ่ายโอนเฟส
• หลีกเลี่ยงการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบถ่ายโอนเฟส
• ใช้สารทำปฏิกิริยาแบบหยาบหรือเกรดเทคนิค
• กระตุ้นโลหะและของแข็ง
• เพิ่มความสามารถในการทำปฏิกิริยาของสารทำปฏิกิริยาหรือตัวเร่งปฏิกิริยา (คลิกที่นี่เพื่ออ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเร่งปฏิกิริยาที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วย)
• ปรับปรุงการสังเคราะห์อนุภาค
• เคลือบอนุภาคนาโน

ข้อดีของปฏิกิริยาเคมีที่เพิ่มความเข้มข้นด้วยอัลตราซาวนด์

ปฏิกิริยาเคมีที่ส่งเสริมด้วยอัลตราซาวนด์เป็นเทคนิคการเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในงานสังเคราะห์และกระบวนการทางเคมี ด้วยการใช้พลังของคลื่นอัลตราซาวนด์ ปฏิกิริยาเหล่านี้ให้ข้อดีมากมายเหนือวิธีแบบดั้งเดิม โดยปรับปรุงการเร่งปฏิกิริยาและการสังเคราะห์ทางเคมี อัตราการเปลี่ยนสารที่รวดเร็วอย่างยิ่ง ผลได้ที่ดีเยี่ยม ความเลือกจำเพาะที่เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ดีขึ้น และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่ลดลง เป็นข้อดีหลักของปฏิกิริยาทางโซโนเคมี

ตารางด้านล่างแสดงข้อดีที่โดดเด่นบางประการของปฏิกิริยาที่ส่งเสริมด้วยอัลตราซาวนด์เมื่อเทียบกับปฏิกิริยาเคมีแบบดั้งเดิม:

คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ในของเหลว

คาวิเทชันคือการก่อตัว การเติบโต และการยุบตัวอย่างรุนแรงเข้าด้านในของฟองในของเหลว การยุบตัวของฟองคาวิเทชันทำให้เกิดความร้อนสูงเฉพาะจุด (~5000 K) ความดันสูง (~1000 atm) อัตราการเพิ่มและลดอุณหภูมิที่สูงมาก (>10⁹ K/sec) และกระแสเจ็ตของเหลว (~400 km/h) (Suslick 1998)

คาวิเทชันโดยใช้ UIP1000hd:

วิดีโอนี้แสดงการเกิดคาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิกหรือคลื่นเสียงในน้ำ ซึ่งสร้างโดย Hielscher UIP1000 คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกใช้ในงานแปรรูปของเหลวหลากหลายประเภท

ฟองคาวิเทชันเป็นฟองสุญญากาศ สุญญากาศเกิดจากพื้นผิวที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วด้านหนึ่งและของเหลวที่มีความเฉื่อยอีกด้านหนึ่ง ความแตกต่างของความดันที่เกิดขึ้นช่วยเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลชนิดเดียวกันและแรงยึดติดระหว่างโมเลกุลต่างชนิดภายในของเหลว

คาวิเทชันสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยวิธีต่าง ๆ เช่น หัวฉีดเวนจูรี หัวฉีดแรงดันสูง การหมุนด้วยความเร็วสูง หรือทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก ในระบบเหล่านี้ทั้งหมด พลังงานที่ป้อนเข้าจะเปลี่ยนเป็นแรงเสียดทาน การไหลปั่นป่วน คลื่น และคาวิเทชัน สัดส่วนของพลังงานที่ป้อนเข้าซึ่งเปลี่ยนเป็นคาวิเทชันขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการที่อธิบายการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์สร้างคาวิเทชันในของเหลว

ขนาดของความเร่งเป็นปัจจัยสำคัญที่สุดประการหนึ่งที่มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานเป็นคาวิเทชัน ความเร่งที่สูงขึ้นทำให้เกิดความแตกต่างของความดันที่สูงขึ้น ซึ่งเพิ่มโอกาสในการเกิดฟองสุญญากาศแทนการเกิดคลื่นที่แพร่ผ่านของเหลว ดังนั้น ยิ่งความเร่งสูง สัดส่วนของพลังงานที่เปลี่ยนเป็นคาวิเทชันก็ยิ่งสูง ในกรณีของทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก ขนาดของความเร่งอธิบายด้วยแอมพลิจูดของการสั่น

แอมพลิจูดที่สูงขึ้นทำให้สร้างคาวิเทชันได้อย่างมีประสิทธิผลมากขึ้น อุปกรณ์อุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics สามารถสร้างแอมพลิจูดได้สูงถึง 115 µm แอมพลิจูดที่สูงเหล่านี้ช่วยให้อัตราส่วนการส่งผ่านกำลังสูง ซึ่งทำให้สามารถสร้างความหนาแน่นกำลังได้สูงถึง 100 W/cm³

นอกจากขนาดของความเร่งแล้ว ควรเร่งของเหลวในลักษณะที่ทำให้เกิดการสูญเสียจากการไหลปั่นป่วน แรงเสียดทาน และการเกิดคลื่นน้อยที่สุด วิธีที่เหมาะสมที่สุดสำหรับจุดประสงค์นี้คือการเคลื่อนที่ในทิศทางเดียว

อัลตราซาวนด์ถูกนำมาใช้เนื่องจากผลที่มีต่อกระบวนการต่าง ๆ เช่น:

• การเตรียมโลหะที่ถูกกระตุ้นด้วยรีดักชันของเกลือโลหะ
• การสร้างโลหะที่ถูกกระตุ้นด้วยการใช้อัลตราซาวนด์
• การสังเคราะห์อนุภาคทางโซโนเคมีด้วยการตกตะกอนออกไซด์ของโลหะ (Fe, Cr, Mn, Co) เช่น เพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
• การอิมเพรกเนตโลหะหรือเมทัลเฮไลด์บนตัวรองรับ
• การเตรียมสารละลายโลหะที่ถูกกระตุ้น
• ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับโลหะผ่านสปีชีส์ออร์กาโนธาตุที่เกิดขึ้นในระบบปฏิกิริยา
• ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับของแข็งที่ไม่ใช่โลหะ
• การตกผลึกและการตกตะกอนของโลหะ โลหะผสม zeolithes และของแข็งอื่น ๆ
• การปรับเปลี่ยนสัณฐานวิทยาของพื้นผิวและขนาดอนุภาคด้วยการชนกันระหว่างอนุภาคที่ความเร็วสูง
  • การสร้างวัสดุอสัณฐานที่มีโครงสร้างระดับนาโน รวมถึงโลหะแทรนซิชันที่มีพื้นที่ผิวสูง โลหะผสม คาร์ไบด์ ออกไซด์ และคอลลอยด์
  • การเกาะกลุ่มของผลึก
  • การทำให้เรียบและการกำจัดชั้นเคลือบออกไซด์ที่ทำให้เกิดภาวะพาสซีฟ
  • การจัดการระดับจุลภาค (การแยกส่วน) ของอนุภาคขนาดเล็ก
• การกระจายตัวของของแข็ง
• การเตรียมคอลลอยด์ (Ag, Au, CdS ขนาด Q)
• การแทรกโมเลกุลเกสต์เข้าไปในของแข็งอนินทรีย์โครงสร้างชั้นที่เป็นโฮสต์
• โซโนเคมีของพอลิเมอร์
  • การสลายและการดัดแปรพอลิเมอร์
  • การสังเคราะห์พอลิเมอร์
• การสลายสารมลพิษอินทรีย์ในน้ำด้วยคลื่นเสียง

อุปกรณ์โซโนเคมี

กระบวนการทางโซโนเคมีส่วนใหญ่ที่กล่าวถึงสามารถปรับปรุงอุปกรณ์เดิมให้ทำงานแบบอินไลน์ได้ เรายินดีช่วยคุณเลือกอุปกรณ์โซโนเคมีให้เหมาะกับความต้องการในกระบวนการของคุณ สำหรับการวิจัยและการทดสอบกระบวนการ เราแนะนำอุปกรณ์สำหรับห้องปฏิบัติการของเราหรือ ชุด UIP1000hdT.

หากต้องการ มีอุปกรณ์อัลตราโซนิกและเครื่องปฏิกรณ์ที่ได้รับการรับรอง FM และ ATEX (เช่น UIP1000-Exd) สำหรับการใช้อัลตราซาวนด์กับสารเคมีไวไฟและสูตรผลิตภัณฑ์ในสภาพแวดล้อมอันตราย

คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์เปลี่ยนแปลงปฏิกิริยาเปิดวงแหวน

การใช้อัลตราซาวนด์เป็นกลไกทางเลือกแทนความร้อน ความดัน แสง หรือไฟฟ้า เพื่อเริ่มปฏิกิริยาเคมี Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth และทีมงานของพวกเขาที่ คณะเคมีแห่งมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์แบนา–แชมเพน ใช้กำลังอัลตราโซนิกเพื่อกระตุ้นและควบคุมปฏิกิริยาเปิดวงแหวน ภายใต้การใช้อัลตราซาวนด์ ปฏิกิริยาเคมีสร้างผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างจากผลิตภัณฑ์ที่ทำนายด้วยกฎสมมาตรของออร์บิทัล (Nature 2007, 446, 423) กลุ่มวิจัยเชื่อมไอโซเมอร์ของ benzocyclobutene ที่มีหมู่แทนที่สองหมู่ในตำแหน่ง 1,2 และไวต่อแรงเชิงกลเข้ากับสาย polyethylene glycol สองสาย ใช้พลังงานอัลตราโซนิก และวิเคราะห์สารละลายโดยรวมด้วยสเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ของ C¹³ . สเปกตรัมแสดงให้เห็นว่าไอโซเมอร์ทั้งแบบ cis และ trans ให้ผลิตภัณฑ์เปิดวงแหวนชนิดเดียวกัน ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่คาดว่าจะได้จากไอโซเมอร์แบบ trans ขณะที่พลังงานความร้อนทำให้สารตั้งต้นเกิดการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนอย่างสุ่ม พลังงานเชิงกลจากการใช้อัลตราซาวนด์ทำให้การเคลื่อนที่ของอะตอมมีทิศทาง ดังนั้น ผลของคาวิเทชันจึงกำหนดทิศทางของพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยทำให้โมเลกุลเกิดความเครียดและเปลี่ยนรูปร่างของพื้นผิวพลังงานศักย์

เครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับโซโนเคมี

Hielscher Ultrasonics จัดหาเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกสำหรับห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรม เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher ทุกเครื่องมีกำลังสูงมากและแข็งแรงทนทาน และสร้างขึ้นเพื่อทำงานต่อเนื่อง 24/7 ภายใต้ภาระเต็มกำลัง การควบคุมแบบดิจิทัล การตั้งค่าแบบโปรแกรมได้ การติดตามอุณหภูมิ การบันทึกข้อมูลอัตโนมัติ และการควบคุมระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ เป็นเพียงคุณสมบัติบางส่วนของเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher อุปกรณ์ของ Hielscher Ultrasonics ออกแบบมาเพื่อให้มีสมรรถนะสูงและใช้งานสะดวก ผู้ใช้จึงให้คุณค่ากับการใช้งานที่ปลอดภัยและง่ายดาย เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมของ Hielscher ให้แอมพลิจูดสูงถึง 200µm และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานหนัก สำหรับแอมพลิจูดที่สูงยิ่งขึ้น มีโซโนโทรดอัลตราโซนิกที่ผลิตตามความต้องการเฉพาะให้เลือก
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: