เครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีและโซโนเคมี

โซโนเคมีเป็นสาขาเคมีที่ใช้อัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเพื่อเหนี่ยวนําเร่งและปรับเปลี่ยนปฏิกิริยาเคมี (การสังเคราะห์การเร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายพอลิเมอไรเซชันไฮโดรไลซิส ฯลฯ ) โพรงอากาศที่สร้างขึ้นด้วยอัลตราโซนิกมีลักษณะเป็นสภาวะที่มีพลังงานหนาแน่นเฉพาะซึ่งส่งเสริมและเพิ่มปฏิกิริยาเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เร็วขึ้น ผลผลิตที่สูงขึ้น และการใช้รีเอเจนต์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและอ่อนโยนกว่าทําให้โซโนเคมีเป็นเครื่องมือที่ได้เปรียบมากเพื่อให้ได้ปฏิกิริยาทางเคมีที่ดีขึ้น

โซโนเคมี

โซโนเคมีเป็นสาขาการวิจัยและการประมวลผลที่โมเลกุลได้รับปฏิกิริยาทางเคมีเนื่องจากการใช้อัลตราโซนิกความเข้มสูง (เช่น 20 kHz) ปรากฏการณ์ที่รับผิดชอบต่อปฏิกิริยาโซโนเคมีคือโพรงอากาศอะคูสติก โพรงอากาศแบบอะคูสติกหรืออัลตราโซนิกเกิดขึ้นเมื่อคลื่นอัลตราซาวนด์อันทรงพลังถูกจับคู่เป็นของเหลวหรือสารละลาย เนื่องจากรอบความดันสูง / แรงดันต่ําสลับกันที่เกิดจากคลื่นอัลตราซาวนด์กําลังในของเหลวฟองอากาศสูญญากาศ (ช่องว่างโพรงอากาศ) จะถูกสร้างขึ้นซึ่งเติบโตในรอบความดันหลายรอบ เมื่อฟองสูญญากาศโพรงอากาศถึงขนาดที่กําหนดซึ่งไม่สามารถดูดซับพลังงานได้มากขึ้นฟองสูญญากาศจะระเบิดอย่างรุนแรงและสร้างฮอตสปอตที่มีพลังงานหนาแน่นสูง ฮอตสปอตที่เกิดขึ้นในท้องถิ่นนี้มีลักษณะด้วยอุณหภูมิความดันและไมโครสตรีมมิ่งของไอพ่นของเหลวที่เร็วมาก

โพรงอากาศอะคูสติกและผลกระทบของอัลตราโซนิกความเข้มสูง

โพรงอากาศอะคูสติก ซึ่งมักเรียกอีกอย่างว่าโพรงอากาศอัลตราโซนิก สามารถแยกแยะออกเป็นสองรูปแบบ ได้แก่ โพรงอากาศที่เสถียรและโพรงอากาศชั่วคราว ในระหว่างการเกิดโพรงอากาศที่เสถียรฟองอากาศจะแกว่งหลายครั้งรอบรัศมีสมดุลในขณะที่ในระหว่างการเกิดโพรงอากาศชั่วคราวซึ่งฟองอากาศที่มีอายุสั้นจะผ่านการเปลี่ยนแปลงระดับเสียงอย่างมากในรอบอะคูสติกสองสามรอบและสิ้นสุดลงด้วยการยุบตัวอย่างรุนแรง (Suslick 1988) การเกิดโพรงอากาศที่เสถียรและชั่วคราวอาจเกิดขึ้นพร้อมกันในสารละลาย และฟองอากาศที่เกิดโพรงอากาศที่เสถียรอาจกลายเป็นโพรงชั่วคราว การระเบิดของฟองอากาศซึ่งเป็นลักษณะสําหรับการเกิดโพรงอากาศชั่วคราวและ sonication ความเข้มสูงสร้างสภาพทางกายภาพต่างๆรวมถึงอุณหภูมิที่สูงมากที่ 5,000-25,000 K ความดันสูงถึง 1,000 บาร์และกระแสของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 1,000 เมตร / วินาที เนื่องจากการยุบตัว/การระเบิดของฟองอากาศเกิดขึ้นในเวลาน้อยกว่านาโนวินาที¹¹ สามารถสังเกต K/s ได้ อัตราการให้ความร้อนสูงและความแตกต่างของแรงดันดังกล่าวสามารถเริ่มต้นและเร่งปฏิกิริยาได้ เกี่ยวกับกระแสของเหลวที่เกิดขึ้นไมโครเจ็ทความเร็วสูงเหล่านี้มีประโยชน์สูงเป็นพิเศษเมื่อพูดถึงสารละลายของแข็งและของเหลวที่แตกต่างกัน ไอพ่นของเหลวกระทบพื้นผิวด้วยอุณหภูมิและความดันเต็มที่ของฟองอากาศที่ยุบตัวและทําให้เกิดการกัดเซาะผ่านการชนกันระหว่างอนุภาคและการหลอมเหลวเฉพาะที่ ดังนั้นจึงสังเกตเห็นการถ่ายเทมวลที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสําคัญในสารละลาย

โพรงอากาศอัลตราโซนิกถูกสร้างขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดในของเหลวและตัวทําละลายที่มีแรงดันไอต่ํา ดังนั้นสื่อที่มีแรงดันไอต่ําจึงเหมาะสําหรับการใช้งานโซโนเคมี
อันเป็นผลมาจากโพรงอากาศอัลตราโซนิกแรงที่รุนแรงที่สร้างขึ้นสามารถเปลี่ยนเส้นทางของปฏิกิริยาไปยังเส้นทางที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อหลีกเลี่ยงการแปลงที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นและ / หรือการผลิตผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการ
พื้นที่ที่มีพลังงานหนาแน่นที่เกิดจากการยุบตัวของฟองอากาศเรียกว่าฮอตสปอต อัลตราซาวนด์ความถี่ต่ํากําลังสูงในช่วง 20kHz และความสามารถในการสร้างแอมพลิจูดสูงนั้นเป็นที่ยอมรับสําหรับการสร้างจุดร้อนที่รุนแรงและสภาวะโซโนเคมีที่เอื้ออํานวย

อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการอัลตราโซนิกเช่นเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรมสําหรับกระบวนการโซโนเคมีเชิงพาณิชย์พร้อมใช้งานและได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเชื่อถือได้มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในห้องปฏิบัติการนําร่องและระดับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ ปฏิกิริยาโซโนเคมีสามารถทําได้เป็นแบทช์ (เช่นภาชนะเปิด) หรือกระบวนการแบบอินไลน์โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลแบบปิด

โซโนสังเคราะห์

การสังเคราะห์โซโนหรือการสังเคราะห์โซโนเคมีคือการประยุกต์ใช้โพรงอากาศที่สร้างขึ้นด้วยอัลตราโซนิกเพื่อเริ่มต้นและส่งเสริมปฏิกิริยาเคมี อัลตราโซนิกกําลังสูง (เช่นที่ 20 kHz) แสดงผลกระทบอย่างมากต่อโมเลกุลและพันธะทางเคมี ตัวอย่างเช่นผลกระทบของโซโนเคมีที่เกิดจากการ sonication ที่รุนแรงอาจส่งผลให้เกิดการแยกโมเลกุลสร้างอนุมูลอิสระและ / หรือเปลี่ยนเส้นทางเคมี การสังเคราะห์โซโนเคมีจึงถูกนํามาใช้อย่างเข้มข้นสําหรับการประดิษฐ์หรือดัดแปลงวัสดุที่มีโครงสร้างนาโนที่หลากหลาย ตัวอย่างสําหรับวัสดุนาโนที่ผลิตโดยการสังเคราะห์โซโน ได้แก่ อนุภาคนาโน (NPs) (เช่น NP ทองคํา NPs เงิน) เม็ดสีอนุภาคนาโนเปลือกแกน นาโนไฮดรอกซีอะพาไทต์, กรอบโลหะอินทรีย์ (MOFs), สารออกฤทธิ์ทางเภสัชกรรม (API), อนุภาคนาโนตกแต่งไมโครสเฟียร์, นาโนคอมโพสิต ท่ามกลางวัสดุอื่นๆ อีกมากมาย
ตัว อย่าง เช่น: อัลตราโซนิก transesterification ของกรดไขมันเมทิลเอสเทอร์ (ไบโอดีเซล) หรือ การเปลี่ยนเอสเทอริฟิเคชันของโพลิออลโดยใช้อัลตราซาวนด์.

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

นอกจากนี้ยังใช้กันอย่างแพร่หลายคือการตกผลึกที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิก (sono-crystallization) ซึ่งอัลตราซาวนด์พลังงานใช้ในการผลิตสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดเพื่อเริ่มต้นการตกผลึก / การตกตะกอนและควบคุมขนาดผลึกและสัณฐานวิทยาผ่านพารามิเตอร์กระบวนการอัลตราโซนิก คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการตกผลึกของโซโน!

โซโน-เร่งปฏิกิริยา

การสะท้อนสารแขวนลอยหรือสารละลายทางเคมีสามารถปรับปรุงปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างมาก พลังงานโซโนเคมีช่วยลดเวลาในการตอบสนองปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนและมวลซึ่งส่งผลให้ค่าคงที่อัตราสารเคมีผลผลิตและการคัดเลือกเพิ่มขึ้น
มีกระบวนการเร่งปฏิกิริยามากมายซึ่งได้รับประโยชน์อย่างมากจากการใช้อัลตราซาวนด์พลังงานและผลโซโนเคมี ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนเฟสที่แตกต่างกัน (PTC) ใด ๆ ที่เกี่ยวข้องกับของเหลวที่ไม่ผสมกันตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปหรือองค์ประกอบที่เป็นของเหลว - ของแข็งได้รับประโยชน์จาก sonication, พลังงานโซโนเคมีและการถ่ายเทมวลที่ดีขึ้น.
ตัวอย่างเช่นการวิเคราะห์เปรียบเทียบการออกซิเดชันเปอร์ออกไซด์เปียกแบบเร่งปฏิกิริยาแบบเงียบและอัลตราโซนิกของฟีนอลในน้ําเผยให้เห็นว่าการ sonication ช่วยลดอุปสรรคพลังงานของปฏิกิริยา แต่ไม่มีผลกระทบต่อเส้นทางปฏิกิริยา พลังงานกระตุ้นสําหรับการเกิดออกซิเดชันของฟีนอลเหนือ RuI₃ ตัวเร่งปฏิกิริยาระหว่างการ sonication พบว่าเป็น 13 kJ mol^-1ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าสี่เท่าเมื่อเทียบกับกระบวนการออกซิเดชันแบบเงียบ (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
ตัวเร่งปฏิกิริยาโซโนเคมีประสบความสําเร็จในการนํามาใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์เคมีตลอดจนการผลิตวัสดุอนินทรีย์ที่มีโครงสร้างไมครอนและนาโนเช่นโลหะโลหะผสมสารประกอบโลหะวัสดุที่ไม่ใช่โลหะและคอมโพสิตอนินทรีย์ ตัวอย่างทั่วไปของ PTC ที่ใช้อัลตราโซนิกช่วย ได้แก่ การถ่ายโอนเอสเทอริฟิเคชันของกรดไขมันอิสระเป็นเมทิลเอสเทอร์ (ไบโอดีเซล) ไฮโดรไลซิส การเป็นสบู่ของน้ํามันพืช ปฏิกิริยาโซโน-เฟนตัน (กระบวนการคล้ายเฟนตัน) การย่อยสลายแบบโซโนคะตาไลติก เป็นต้น
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเร่งปฏิกิริยาโซโนและการใช้งานเฉพาะ!
Sonication ช่วยเพิ่มเคมีคลิกเช่นปฏิกิริยาไซโคลไซด์ - อัลคีน!

การใช้งาน Sonochemical อื่น ๆ

เนื่องจากการใช้งานที่หลากหลายความน่าเชื่อถือและใช้งานง่ายระบบโซโนเคมีเช่น UP400ST หรือ UIP2000hdt มีคุณค่าเป็นอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสําหรับปฏิกิริยาเคมี อุปกรณ์ sonochemical ของ Hielscher Ultrasonics สามารถใช้ได้อย่างง่ายดายสําหรับแบทช์ (บีกเกอร์เปิด) และ sonication แบบอินไลน์อย่างต่อเนื่องโดยใช้เซลล์การไหลแบบโซโนเคมี โซโนเคมีรวมถึงการสังเคราะห์โซโนการเร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายหรือพอลิเมอไรเซชันใช้กันอย่างแพร่หลายในเคมีนาโนเทคโนโลยีวัสดุเภสัชกรรมจุลชีววิทยาตลอดจนในอุตสาหกรรมอื่น ๆ

อุปกรณ์ Sonochemical ประสิทธิภาพสูง

Hielscher Ultrasonics เป็นซัพพลายเออร์ชั้นนําของคุณสําหรับอัลตราโซนิกที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่ทันสมัยเซลล์การไหลโซโนเคมีเครื่องปฏิกรณ์และอุปกรณ์เสริมสําหรับปฏิกิริยาโซโนเคมีที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ทั้งหมดได้รับการออกแบบผลิตและทดสอบโดยเฉพาะที่สํานักงานใหญ่ของ Hielscher Ultrasonics ในเมืองเทลโทว์ (ใกล้เบอร์ลิน) ประเทศเยอรมนี นอกเหนือจากมาตรฐานทางเทคนิคสูงสุดและความทนทานที่โดดเด่นและการทํางานตลอด 24/7/365 เพื่อการทํางานที่มีประสิทธิภาพสูงเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ยังใช้งานง่ายและเชื่อถือได้ ซอฟต์แวร์อัจฉริยะที่มีประสิทธิภาพสูงเมนูที่ใช้งานง่ายโปรโตคอลข้อมูลอัตโนมัติและรีโมทคอนโทรลของเบราว์เซอร์เป็นเพียงคุณสมบัติบางประการที่ทําให้ Hielscher Ultrasonics แตกต่างจากผู้ผลิตอุปกรณ์ sonochemical รายอื่น

แอมพลิจูดที่ปรับได้อย่างแม่นยํา

แอมพลิจูดคือการกระจัดที่ด้านหน้า (ปลาย) ของ sonotrode (หรือที่เรียกว่าโพรบอัลตราโซนิกหรือฮอร์น) และเป็นปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อการเกิดโพรงอากาศอัลตราโซนิก แอมพลิจูดที่สูงขึ้นหมายถึงโพรงอากาศที่รุนแรงขึ้น ความเข้มที่ต้องการของโพรงอากาศขึ้นอยู่กับประเภทปฏิกิริยา รีเอเจนต์เคมีที่ใช้ และผลลัพธ์เป้าหมายของปฏิกิริยาโซโนเคมีที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งหมายความว่าแอมพลิจูดควรปรับได้อย่างแม่นยําเพื่อปรับความเข้มของโพรงอากาศอะคูสติกให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ทั้งหมดสามารถปรับได้อย่างน่าเชื่อถือและแม่นยําผ่านการควบคุมแบบดิจิตอลอัจฉริยะเพื่อแอมพลิจูดในอุดมคติ ฮอร์นบูสเตอร์สามารถใช้เพื่อเพิ่มหรือเพิ่มแอมพลิจูดทางกลไก อัลตราโซนิก’ โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรมสามารถให้แอมพลิจูดที่สูงมาก แอมพลิจูดสูงถึง 200μm สามารถทํางานต่อเนื่องได้อย่างง่ายดายในการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมี sonotrodes อัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง

การควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยําระหว่างปฏิกิริยาโซโนเคมี

ในจุดร้อนของโพรงอากาศสามารถสังเกตอุณหภูมิที่สูงมากหลายพันองศาเซลเซียส อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่สูงเกินไปเหล่านี้ถูกจํากัดเฉพาะภายในและบริเวณโดยรอบของฟองอากาศที่ระเบิด ในสารละลายจํานวนมาก อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจากการระเบิดของฟองอากาศเพียงฟองเดียวหรือสองสามฟองนั้นเล็กน้อย แต่การ sonication อย่างต่อเนื่องและเข้มข้นเป็นระยะเวลานานอาจทําให้อุณหภูมิของของเหลวจํานวนมากเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมินี้ก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีหลายอย่างและมักถือว่าเป็นประโยชน์ อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาเคมีที่แตกต่างกันมีอุณหภูมิปฏิกิริยาที่เหมาะสมต่างกัน เมื่อวัสดุที่ไวต่อความร้อนได้รับการบําบัด อาจจําเป็นต้องมีการควบคุมอุณหภูมิ เพื่อให้เกิดสภาวะความร้อนที่เหมาะสมในระหว่างกระบวนการโซโนเคมี Hielscher Ultrasonics นําเสนอโซลูชั่นที่ซับซ้อนมากมายสําหรับการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยําในระหว่างกระบวนการโซโนเคมีเช่นเครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีและโฟลว์เซลล์ที่ติดตั้งแจ็คเก็ตระบายความร้อน
เซลล์การไหลและเครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีของเรามีให้เลือกทั้งปลอกระบายความร้อนซึ่งรองรับการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ สําหรับการตรวจสอบอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher มีเซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบเสียบได้ซึ่งสามารถใส่ลงในของเหลวเพื่อวัดอุณหภูมิจํานวนมากได้อย่างต่อเนื่อง ซอฟต์แวร์ที่ซับซ้อนช่วยให้สามารถตั้งค่าช่วงอุณหภูมิได้ เมื่อเกินขีด จํากัด อุณหภูมิเครื่องอัลตราโซนิกจะหยุดชั่วคราวโดยอัตโนมัติจนกว่าอุณหภูมิในของเหลวจะลดลงถึงจุดที่กําหนดและเริ่มการสะท้อนเสียงโดยอัตโนมัติอีกครั้ง การวัดอุณหภูมิทั้งหมดรวมถึงข้อมูลกระบวนการอัลตราโซนิกที่สําคัญอื่น ๆ จะถูกบันทึกโดยอัตโนมัติในการ์ด SD ในตัวและสามารถแก้ไขได้อย่างง่ายดายสําหรับการควบคุมกระบวนการ
อุณหภูมิเป็นตัวแปรสําคัญของกระบวนการโซโนเคมี เทคโนโลยีที่ประณีตของ Hielscher ช่วยให้คุณรักษาอุณหภูมิของการใช้งานโซโนเคมีให้อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสม

ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: