โซโนเคมีและเครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมี

โซโนเคมีเป็นสาขาวิชาเคมีที่ใช้อัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเพื่อเหนี่ยวนำ เร่ง และปรับเปลี่ยนปฏิกิริยาเคมี (การสังเคราะห์ การเร่งปฏิกิริยา การสลายตัว การเกิดพอลิเมอร์ ไฮโดรลิซิส เป็นต้น) คาวิเทชันที่เกิดจากอัลตราซาวนด์มีลักษณะเฉพาะคือสภาวะที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ซึ่งส่งเสริมและเพิ่มความเข้มข้นของปฏิกิริยาเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เร็วขึ้น ผลได้ที่สูงขึ้น และการใช้สารทำปฏิกิริยาที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีความรุนแรงน้อยลง ทำให้โซโนเคมีเป็นเครื่องมือที่มีข้อได้เปรียบอย่างมากในการปรับปรุงปฏิกิริยาเคมี

โซโนเคมี

โซโนเคมีเป็นสาขาการวิจัยและการดำเนินกระบวนการที่โมเลกุลเกิดปฏิกิริยาเคมีเนื่องจากการใช้อัลตราซาวนด์ความเข้มสูง (เช่น 20 kHz) ปรากฏการณ์ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาโซโนเคมีคือคาวิเทชันเชิงเสียง คาวิเทชันเชิงเสียงหรือคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์เกิดขึ้นเมื่อถ่ายทอดพลังงานจากคลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงเข้าสู่ของเหลวหรือสารแขวนลอยข้น วัฏจักรความดันสูง / ความดันต่ำที่สลับกัน ซึ่งเกิดจากคลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงในของเหลว ทำให้เกิดฟองสุญญากาศ (โพรงคาวิเทชัน) ที่ขยายตัวตลอดหลายวัฏจักรความดัน เมื่อฟองสุญญากาศจากคาวิเทชันมีขนาดถึงระดับที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีก ฟองจะยุบตัวอย่างรุนแรงและสร้างจุดร้อนที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงมาก จุดร้อนที่เกิดขึ้นเฉพาะที่นี้มีลักษณะเด่นคืออุณหภูมิและความดันที่สูงมาก รวมถึงการไหลระดับจุลภาคของลำของเหลวที่มีความเร็วสูงอย่างยิ่ง

คาวิเทชันเชิงเสียงและผลของการใช้อัลตราซาวนด์ความเข้มสูง

คาวิเทชันเชิงเสียง ซึ่งมักเรียกว่าคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ สามารถแบ่งได้เป็นสองรูปแบบ ได้แก่ คาวิเทชันแบบเสถียรและแบบชั่วครู่ ในคาวิเทชันแบบเสถียร ฟองคาวิเทชันจะสั่นหลายครั้งรอบรัศมีสมดุล ส่วนในคาวิเทชันแบบชั่วครู่ ฟองที่มีอายุสั้นจะเปลี่ยนแปลงปริมาตรอย่างมากภายในไม่กี่วัฏจักรเสียง และสิ้นสุดด้วยการยุบตัวอย่างรุนแรง (Suslick 1988) คาวิเทชันแบบเสถียรและแบบชั่วครู่อาจเกิดขึ้นพร้อมกันในสารละลาย และฟองที่เกิดคาวิเทชันแบบเสถียรอาจเปลี่ยนเป็นโพรงแบบชั่วครู่ได้ การยุบตัวของฟอง ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของคาวิเทชันแบบชั่วครู่และการใช้อัลตราซาวนด์ความเข้มสูง สร้างสภาวะทางกายภาพหลายประการ รวมถึงอุณหภูมิที่สูงมากถึง 5000–25,000 K ความดันสูงถึงหลายเท่าของ 1000 bar และกระแสของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 1000m/s เนื่องจากการยุบตัวของฟองคาวิเทชันเกิดขึ้นในเวลาน้อยกว่าหนึ่งนาโนวินาที จึงสามารถสังเกตพบอัตราการให้ความร้อนและการทำให้เย็นที่สูงมากเกินกว่า 10¹¹ K/s อัตราการให้ความร้อนและความแตกต่างของความดันที่สูงเช่นนี้สามารถเริ่มต้นและเร่งปฏิกิริยาได้ สำหรับกระแสของเหลวที่เกิดขึ้น ลำของเหลวระดับจุลภาคความเร็วสูงเหล่านี้ให้ประโยชน์อย่างยิ่งกับสารแขวนลอยข้นของแข็ง–ของเหลวที่เป็นระบบวิวิธพันธุ์ ลำของเหลวพุ่งกระทบพื้นผิวด้วยอุณหภูมิและความดันเต็มระดับของฟองที่กำลังยุบตัว และทำให้เกิดการสึกกร่อนจากการชนกันระหว่างอนุภาค รวมถึงการหลอมเฉพาะที่ ผลที่ตามมาคือสามารถสังเกตพบการถ่ายเทมวลในสารละลายที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์เกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิผลสูงสุดในของเหลวและตัวทำละลายที่มีความดันไอต่ำ ดังนั้น ตัวกลางที่มีความดันไอต่ำจึงเหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้โซโนเคมี
แรงรุนแรงที่เกิดจากคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์สามารถเปลี่ยนวิถีปฏิกิริยาไปสู่เส้นทางที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนสารที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นและ/หรือการเกิดผลิตภัณฑ์พลอยได้ที่ไม่ต้องการ
บริเวณที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงซึ่งเกิดจากการยุบตัวของฟองคาวิเทชันเรียกว่าจุดร้อน อัลตราซาวนด์ความถี่ต่ำและกำลังสูงในช่วง 20kHz รวมถึงความสามารถในการสร้างแอมพลิจูดสูง เป็นวิธีที่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายสำหรับการสร้างจุดร้อนที่รุนแรงและสภาวะโซโนเคมีที่เอื้ออำนวย

อุปกรณ์อัลตราซาวนด์สำหรับห้องปฏิบัติการและเครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์อุตสาหกรรมสำหรับกระบวนการโซโนเคมีเชิงพาณิชย์มีพร้อมให้ใช้งาน และได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความน่าเชื่อถือ มีประสิทธิภาพ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในระดับห้องปฏิบัติการ ระดับนำร่อง และระดับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ ปฏิกิริยาโซโนเคมีสามารถดำเนินการแบบแบตช์ (กล่าวคือ ในภาชนะเปิด) หรือแบบอินไลน์โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์เซลล์ไหลชนิดปิด

การสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี

การสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมีคือการใช้คาวิเทชันที่เกิดจากอัลตราซาวนด์เพื่อเริ่มต้นและส่งเสริมปฏิกิริยาเคมี การใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูง (เช่น ที่ 20 kHz) มีผลอย่างมากต่อโมเลกุลและพันธะเคมี ตัวอย่างเช่น ผลทางโซโนเคมีที่เกิดจากการใช้อัลตราซาวนด์อย่างเข้มข้นอาจทำให้โมเลกุลแตกตัว เกิดอนุมูลอิสระ และ/หรือเปลี่ยนวิถีปฏิกิริยาเคมี ดังนั้น การสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมีจึงถูกใช้อย่างกว้างขวางในการผลิตหรือปรับเปลี่ยนวัสดุที่มีโครงสร้างระดับนาโนหลายชนิด ตัวอย่างวัสดุนาโนที่ผลิตด้วยการสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี ได้แก่ อนุภาคนาโน (NPs) (เช่น อนุภาคนาโนทองคำ อนุภาคนาโนเงิน) สารสี อนุภาคนาโนแบบแกน–เปลือก ไฮดรอกซีอะพาไทต์ระดับนาโน, โครงข่ายโลหะ–อินทรีย์ (MOFs), สารออกฤทธิ์ทางเภสัชกรรม (APIs) อนุภาคนาโนที่ตกแต่งด้วยไมโครสเฟียร์ นาโนคอมโพสิต และวัสดุอื่น ๆ อีกมากมาย
ตัวอย่าง: ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของเมทิลเอสเทอร์ของกรดไขมัน (ไบโอดีเซล) ด้วยอัลตราซาวนด์ หรือ ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของพอลิออลโดยใช้อัลตราซาวนด์.

ภาพ TEM (A) และการกระจายขนาดอนุภาค (B) ของอนุภาคนาโนเงิน (Ag-NPs) ซึ่งสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมีภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด

อีกกระบวนการหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือการตกผลึกที่ส่งเสริมด้วยอัลตราซาวนด์ (การตกผลึกด้วยโซโนเคมี) ซึ่งใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงเพื่อผลิตสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวด เริ่มต้นการตกผลึก / การตกตะกอน และควบคุมขนาดและสัณฐานของผลึกผ่านพารามิเตอร์ของกระบวนการอัลตราซาวนด์ คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการตกผลึกด้วยโซโนเคมี!

การเร่งปฏิกิริยาด้วยโซโนเคมี

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับสารแขวนลอยหรือสารละลายเคมีสามารถปรับปรุงปฏิกิริยาที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างมีนัยสำคัญ พลังงานโซโนเคมีลดเวลาปฏิกิริยาและปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนและมวล ซึ่งส่งผลให้ค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ผลได้ และความเลือกจำเพาะเพิ่มขึ้น
มีกระบวนการเร่งปฏิกิริยามากมายที่ได้รับประโยชน์อย่างมากจากการใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงและผลทางโซโนเคมี ปฏิกิริยาการเร่งแบบถ่ายโอนวัฏภาค (PTC) ในระบบวิวิธพันธุ์ทุกชนิดที่เกี่ยวข้องกับของเหลวที่ไม่ผสมกันตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป หรือองค์ประกอบของเหลว–ของแข็ง ล้วนได้รับประโยชน์จากการใช้อัลตราซาวนด์ พลังงานโซโนเคมี และการถ่ายเทมวลที่ดีขึ้น
ตัวอย่างเช่น การวิเคราะห์เปรียบเทียบการออกซิเดชันฟีนอลในน้ำด้วยเปอร์ออกไซด์ในระบบเปียกที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ระหว่างกระบวนการที่ไม่ใช้อัลตราซาวนด์กับกระบวนการที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วย พบว่าการใช้อัลตราซาวนด์ลดกำแพงพลังงานของปฏิกิริยา แต่ไม่ส่งผลต่อวิถีปฏิกิริยา พลังงานกระตุ้นของการออกซิเดชันฟีนอลโดยใช้ RuI₃ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาระหว่างการใช้อัลตราซาวนด์พบว่ามีค่า 13 kJ mol^-1, ซึ่งต่ำกว่ากระบวนการออกซิเดชันที่ไม่ใช้อัลตราซาวนด์สี่เท่า (57 kJ mol^-1) (Rokhina et al, 2010)
การเร่งปฏิกิริยาด้วยโซโนเคมีถูกใช้อย่างประสบความสำเร็จในการผลิตผลิตภัณฑ์เคมี รวมถึงการผลิตวัสดุอนินทรีย์ที่มีโครงสร้างระดับไมครอนและนาโน เช่น โลหะ โลหะผสม สารประกอบโลหะ วัสดุอโลหะ และคอมโพสิตอนินทรีย์ ตัวอย่างทั่วไปของ PTC ที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วย ได้แก่ ทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของกรดไขมันอิสระเป็นเมทิลเอสเทอร์ (ไบโอดีเซล) ไฮโดรลิซิส การเกิดสบู่จากน้ำมันพืช ปฏิกิริยาโซโนเฟนตัน (กระบวนการคล้ายเฟนตัน) การสลายตัวโดยการเร่งปฏิกิริยาด้วยโซโนเคมี เป็นต้น
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเร่งปฏิกิริยาด้วยโซโนเคมีและการประยุกต์ใช้เฉพาะด้าน!
การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงเคมีคลิก เช่น ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันระหว่าง azide และ alkyne!

การประยุกต์ใช้โซโนเคมีด้านอื่น ๆ

ด้วยการใช้งานที่หลากหลาย ความน่าเชื่อถือ และการใช้งานที่ง่าย ระบบโซโนเคมี เช่น UP400St หรือ UIP2000hdT จึงได้รับการยอมรับว่าเป็นอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับปฏิกิริยาเคมี อุปกรณ์โซโนเคมีของ Hielscher Ultrasonics สามารถใช้งานได้อย่างง่ายดายทั้งการใช้อัลตราซาวนด์แบบแบตช์ (บีกเกอร์เปิด) และแบบอินไลน์ต่อเนื่องโดยใช้เซลล์ไหลโซโนเคมี โซโนเคมี ซึ่งรวมถึงการสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี การเร่งปฏิกิริยาด้วยโซโนเคมี การสลายตัว หรือการเกิดพอลิเมอร์ ถูกใช้อย่างแพร่หลายในเคมี นาโนเทคโนโลยี วัสดุศาสตร์ เภสัชกรรม จุลชีววิทยา และอุตสาหกรรมอื่น ๆ

อุปกรณ์โซโนเคมีสมรรถนะสูง

Hielscher Ultrasonics เป็นผู้จัดจำหน่ายชั้นนำของคุณสำหรับเครื่องอัลตราซาวนด์ เซลล์ไหลโซโนเคมี เครื่องปฏิกรณ์ และอุปกรณ์เสริมที่มีนวัตกรรมและเทคโนโลยีล้ำสมัย เพื่อปฏิกิริยาโซโนเคมีที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher ทุกเครื่องได้รับการออกแบบ ผลิต และทดสอบเฉพาะที่สำนักงานใหญ่ของ Hielscher Ultrasonics ในเมือง Teltow (ใกล้กรุงเบอร์ลิน) ประเทศเยอรมนี นอกจากมาตรฐานทางเทคนิคสูงสุด ความแข็งแกร่งทนทานที่โดดเด่น และการทำงานแบบ 24/7/365 เพื่อประสิทธิภาพการทำงานสูงแล้ว เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher ยังใช้งานได้ง่ายและเชื่อถือได้ ประสิทธิภาพสูง ซอฟต์แวร์อัจฉริยะ เมนูที่ใช้งานได้อย่างเป็นธรรมชาติ การบันทึกข้อมูลอัตโนมัติ และการควบคุมระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ เป็นเพียงส่วนหนึ่งของคุณสมบัติที่ทำให้ Hielscher Ultrasonics แตกต่างจากผู้ผลิตอุปกรณ์โซโนเคมีรายอื่น

แอมพลิจูดที่ปรับได้อย่างแม่นยำ

แอมพลิจูดคือระยะการกระจัดที่ด้านหน้า (ปลาย) ของโซโนโทรด (หรือที่เรียกว่าโพรบหรือฮอร์นอัลตราซาวนด์) และเป็นปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ แอมพลิจูดที่สูงขึ้นหมายถึงคาวิเทชันที่เข้มข้นขึ้น ความเข้มของคาวิเทชันที่ต้องการขึ้นอยู่กับชนิดของปฏิกิริยา สารทำปฏิกิริยาเคมีที่ใช้ และผลลัพธ์เป้าหมายของปฏิกิริยาโซโนเคมีนั้นอย่างมาก ซึ่งหมายความว่าแอมพลิจูดควรปรับได้อย่างแม่นยำ เพื่อปรับความเข้มของคาวิเทชันเชิงเสียงให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมที่สุด เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher ทุกเครื่องสามารถปรับให้ได้แอมพลิจูดที่เหมาะสมที่สุดอย่างน่าเชื่อถือและแม่นยำผ่านระบบควบคุมดิจิทัลอัจฉริยะ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ฮอร์นบูสเตอร์เพื่อลดหรือเพิ่มแอมพลิจูดด้วยกลไกได้ เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์อุตสาหกรรมของ Ultrasonics สามารถให้แอมพลิจูดสูงมากได้ สามารถทำงานต่อเนื่องแบบ 24/7 ด้วยแอมพลิจูดสูงถึง 200µm ได้อย่างง่ายดาย สำหรับแอมพลิจูดที่สูงกว่านี้ มีโซโนโทรดอัลตราซาวนด์ที่ผลิตตามความต้องการให้เลือกใช้

การควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำระหว่างปฏิกิริยาโซโนเคมี

ในจุดร้อนของคาวิเทชัน สามารถสังเกตพบอุณหภูมิสูงอย่างยิ่งถึงหลายพันองศาเซลเซียส อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่สูงอย่างยิ่งเหล่านี้จำกัดอยู่เฉพาะบริเวณขนาดเล็กมากภายในและรอบฟองคาวิเทชันที่กำลังยุบตัว ในสารละลายโดยรวม อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจากการยุบตัวของฟองคาวิเทชันเพียงฟองเดียวหรือไม่กี่ฟองมีค่าน้อยจนละเลยได้ แต่การใช้อัลตราซาวนด์อย่างเข้มข้นและต่อเนื่องเป็นเวลานานอาจทำให้อุณหภูมิของของเหลวโดยรวมค่อย ๆ เพิ่มขึ้น การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมินี้มีส่วนช่วยในปฏิกิริยาเคมีหลายชนิดและมักถือว่าเป็นประโยชน์ อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาเคมีแต่ละชนิดมีอุณหภูมิปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุดแตกต่างกัน เมื่อดำเนินกระบวนการกับวัสดุที่ไวต่อความร้อน อาจจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิ เพื่อให้ได้สภาวะทางความร้อนที่เหมาะสมที่สุดระหว่างกระบวนการโซโนเคมี Hielscher Ultrasonics จึงนำเสนอโซลูชันที่มีเทคโนโลยีขั้นสูงหลากหลายรูปแบบสำหรับการควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำระหว่างกระบวนการโซโนเคมี เช่น เครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีและเซลล์ไหลที่ติดตั้งแจ็กเก็ตหล่อเย็น
เซลล์ไหลและเครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีของเรามีรุ่นที่ติดตั้งแจ็กเก็ตหล่อเย็น ซึ่งช่วยให้ระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับการติดตามอุณหภูมิอย่างต่อเนื่อง เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher ติดตั้งเซนเซอร์อุณหภูมิแบบเสียบต่อได้ ซึ่งสามารถสอดเข้าไปในของเหลวเพื่อวัดอุณหภูมิโดยรวมอย่างต่อเนื่อง ซอฟต์แวร์ขั้นสูงช่วยให้ตั้งค่าช่วงอุณหภูมิได้ เมื่ออุณหภูมิเกินขีดจำกัด เครื่องอัลตราซาวนด์จะหยุดชั่วคราวโดยอัตโนมัติจนกว่าอุณหภูมิในของเหลวจะลดลงถึงค่าที่กำหนดไว้ จากนั้นจึงเริ่มทำงานด้วยอัลตราซาวนด์อีกครั้งโดยอัตโนมัติ ผลการวัดอุณหภูมิทั้งหมด รวมถึงข้อมูลสำคัญอื่น ๆ ของกระบวนการอัลตราซาวนด์ จะถูกบันทึกโดยอัตโนมัติลงในการ์ด SD ที่ติดตั้งในเครื่อง และสามารถตรวจทานได้อย่างง่ายดายเพื่อควบคุมกระบวนการ
อุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์สำคัญของกระบวนการโซโนเคมี เทคโนโลยีที่พัฒนาอย่างประณีตของ Hielscher ช่วยให้คุณรักษาอุณหภูมิของการประยุกต์ใช้โซโนเคมีให้อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา: