Sonokimya ve Sonokimyasal Reaktörler

Sonokimya, kimyasal reaksiyonları (sentez, kataliz, bozunma, polimerizasyon, hidroliz vb.) indüklemek, hızlandırmak ve değiştirmek için yüksek yoğunluklu ultrasonun kullanıldığı kimya alanıdır. Ultrasonik olarak üretilen kavitasyon, kimyasal reaksiyonları teşvik eden ve yoğunlaştıran benzersiz enerji yoğun koşullar ile karakterize edilir. Daha hızlı reaksiyon hızları, daha yüksek verimler ve yeşil, daha hafif reaktiflerin kullanılması, gelişmiş kimyasal reaksiyonlar elde etmek için sonokimyayı çok avantajlı bir araca dönüştürür.

Sono-kimya

Sonochemistry, yüksek yoğunluklu ultrasonikasyon (örneğin, 20 kHz) uygulaması nedeniyle moleküllerin kimyasal bir reaksiyona girdiği araştırma ve işleme alanıdır. Sonokimyasal reaksiyonlardan sorumlu fenomen akustik kavitasyondur. Akustik veya ultrasonik kavitasyon, güçlü ultrason dalgaları bir sıvı veya bulamaç içine bağlandığında meydana gelir. Sıvıdaki güç ultrason dalgalarının neden olduğu alternatif yüksek basınç / düşük basınç döngüleri nedeniyle, birkaç basınç döngüsü boyunca büyüyen vakum kabarcıkları (kavitasyonel boşluklar) üretilir. Kavitasyonel vakum kabarcığı, daha fazla enerji ememeyeceği belirli bir boyuta ulaştığında, vakum kabarcığı şiddetli bir şekilde patlar ve oldukça enerji yoğun bir sıcak nokta oluşturur. Yerel olarak oluşan bu sıcak nokta, çok yüksek sıcaklıklar, basınçlar ve son derece hızlı sıvı jetlerinin mikro akışı ile karakterize edilir.

Akustik Kavitasyon ve Yüksek Yoğunluklu Ultrasonikasyonun Etkileri

Genellikle ultrasonik kavitasyon olarak da adlandırılan akustik kavitasyon, kararlı ve geçici kavitasyon olmak üzere iki forma ayrılabilir. Kararlı kavitasyon sırasında, kavitasyon kabarcığı denge yarıçapı etrafında birçok kez salınırken, kısa ömürlü bir kabarcığın birkaç akustik döngüde dramatik hacim değişikliklerine uğradığı ve şiddetli bir çöküşle sona erdiği geçici kavitasyon sırasında (Suslick 1988). Çözeltide kararlı ve geçici kavitasyon aynı anda meydana gelebilir ve kararlı kavitasyona uğrayan bir kabarcık geçici bir boşluk haline gelebilir. Geçici kavitasyon ve yüksek yoğunluklu sonikasyon için karakteristik olan kabarcık patlaması, 5000-25.000 K'lik çok yüksek sıcaklıklar, birkaç 1000 bar'a kadar basınçlar ve 1000m / s'ye kadar hızlara sahip sıvı akışları dahil olmak üzere çeşitli fiziksel koşullar yaratır. Kavitasyon kabarcıklarının çökmesi/patlaması bir nanosaniyeden daha kısa sürede gerçekleştiğinden, 10'u aşan çok yüksek ısıtma ve soğutma hızları¹¹ K/s gözlemlenebilir. Bu tür yüksek ısıtma hızları ve basınç farkları reaksiyonları başlatabilir ve hızlandırabilir. Meydana gelen sıvı akışları ile ilgili olarak, bu yüksek hızlı mikrojetler, heterojen katı-sıvı bulamaçlar söz konusu olduğunda özellikle yüksek faydalar gösterir. Sıvı jetleri, çöken kabarcığın tam sıcaklığı ve basıncı ile yüzeye çarpar ve parçacıklar arası çarpışmanın yanı sıra lokalize erime yoluyla erozyona neden olur. Sonuç olarak, çözeltide önemli ölçüde geliştirilmiş bir kütle transferi gözlenir.

Ultrasonik kavitasyon, düşük buhar basınçları ile sıvılarda ve çözücülerde en etkili şekilde üretilir. Bu nedenle, düşük buhar basınçlarına sahip ortamlar sonokimyasal uygulamalar için uygundur.
Ultrasonik kavitasyonun bir sonucu olarak, oluşturulan yoğun kuvvetler, reaksiyon yollarını daha verimli yollara değiştirebilir, böylece daha tam dönüşümler ve / veya istenmeyen yan ürünlerin üretimi önlenir.
Kavitasyon kabarcıklarının çökmesiyle oluşan enerji yoğun boşluğa sıcak nokta denir. 20kHz aralığında düşük frekanslı, yüksek güçlü ultrason ve yüksek genlikler oluşturma yeteneği, yoğun sıcak noktaların oluşturulması ve uygun sonokimyasal koşullar için iyi bir şekilde kurulmuştur.

Ultrasonik laboratuvar ekipmanı ve ticari sonokimyasal süreçler için endüstriyel ultrasonik reaktörler kolayca temin edilebilir ve laboratuvar, pilot ve tam endüstriyel ölçekte güvenilir, verimli ve çevre dostu olduğu kanıtlanmıştır. Sonokimyasal reaksiyonlar, kapalı akışlı bir hücre reaktörü kullanılarak kesikli (yani açık kap) veya sıralı proses olarak gerçekleştirilebilir.

sono-sentez

Sono-sentez veya sonokimyasal sentez, kimyasal reaksiyonları başlatmak ve teşvik etmek için ultrasonik olarak üretilen kavitasyonun uygulanmasıdır. Yüksek güçlü ultrasonikasyon (örneğin, 20 kHz'de) moleküller ve kimyasal bağlar üzerinde güçlü etkiler gösterir. Örneğin, yoğun sonikasyondan kaynaklanan sonokimyasal etkiler, moleküllerin bölünmesine, serbest radikallerin oluşturulmasına ve / veya kimyasal yolların değiştirilmesine neden olabilir. Bu nedenle sonokimyasal sentez, çok çeşitli nano yapılı malzemelerin imalatı veya modifikasyonu için yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Sono-sentez yoluyla üretilen nanomalzemelere örnek olarak nanopartiküller (NP'ler) (örneğin, altın NP'ler, gümüş NP'ler), pigmentler, çekirdek-kabuk nano-partikülleri, nano-hidroksiapatit, metal organik çerçeveler (MOF'lar), aktif farmasötik bileşenler (API'ler), mikroküre süslü nanopartiküller, diğer birçok malzeme arasında nano-kompozitler.
Örnekler: Yağ Asidi Metil Esterlerinin (biyodizel) ultrasonik transesterifikasyonu veya ultrason kullanılarak poliollerin transesterifikasyonu.

Optimum koşullar altında sonokimyasal olarak sentezlenmiş gümüş nanopartiküllerin (Ag-NP'ler) TEM görüntüsü (A) ve partikül boyutu dağılımı (B).

Ayrıca yaygın olarak uygulanan, güç ultrasonunun aşırı doymuş çözeltiler üretmek, kristalleşmeyi / çökeltmeyi başlatmak ve ultrasonik işlem parametreleri aracılığıyla kristal boyutunu ve morfolojisini kontrol etmek için kullanıldığı ultrasonik olarak teşvik edilen kristalizasyondur (sono-kristalizasyon). Sonokristalizasyon hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!

Sono-Kataliz

Kimyasal bir süspansiyonun veya çözeltinin sonikasyonu, katalitik reaksiyonları önemli ölçüde artırabilir. Sonokimyasal enerji, reaksiyon süresini azaltır, ısı ve kütle transferini iyileştirir, bu da daha sonra kimyasal hız sabitlerinin, verimlerin ve seçiciliklerin artmasına neden olur.
Güç ultrason uygulamasından ve sonokimyasal etkilerinden büyük ölçüde yararlanan çok sayıda katalitik işlem vardır. İki veya daha fazla karışmayan sıvı veya sıvı-katı bileşimi içeren herhangi bir heterojen faz transfer katalizi (PTC) reaksiyonu, sonikasyondan, sonokimyasal enerjiden ve geliştirilmiş kütle transferinden yararlanır.
Örneğin, fenolün sudaki sessiz ve ultrasonik destekli katalitik ıslak peroksit oksidasyonunun karşılaştırmalı analizi, sonikasyonun reaksiyonun enerji bariyerini azalttığını, ancak reaksiyon yolu üzerinde hiçbir etkisi olmadığını ortaya koydu. Fenolün RuI üzerinde oksidasyonu için aktivasyon enerjisi₃ sonikasyon sırasında katalizörün 13 kJ mol olduğu bulundu^-1sessiz oksidasyon işlemine kıyasla dört kat daha küçüktü (57 kJ mol^-1). (Rokhina ve diğerleri, 2010)
Sonokimyasal kataliz, kimyasal ürünlerin imalatının yanı sıra metaller, alaşımlar, metal bileşikleri, metal olmayan malzemeler ve inorganik kompozitler gibi mikron ve nano yapılı inorganik malzemelerin imalatında başarıyla kullanılmaktadır. Ultrasonik destekli PTC'nin yaygın örnekleri, serbest yağ asitlerinin metil estere (biyodizel) transesterifikasyonu, hidroliz, bitkisel yağların sabunlaştırılması, sono-Fenton reaksiyonu (Fenton benzeri süreçler), sonokatalitik bozunma vb.
Sono-kataliz ve özel uygulamalar hakkında daha fazla bilgi edinin!
Sonikasyon, azid-alkin siklo ekleme reaksiyonları gibi tıklama kimyasını geliştirir!

Diğer Sonokimyasal Uygulamalar

Çok yönlü kullanımları, güvenilirlikleri ve basit kullanımları nedeniyle, aşağıdaki gibi sonokimyasal sistemler UP400St veya UIP2000hdT kimyasal reaksiyonlar için verimli ekipman olarak değerlendirilir. Hielscher Ultrasonik sonokimyasal cihazlar, bir sonokimyasal akış hücresi kullanarak toplu (açık beher) ve sürekli satır içi sonikasyon için kolayca kullanılabilir. Sono-sentez, sono-kataliz, bozunma veya polimerizasyon dahil olmak üzere sonokimya, kimya, nanoteknoloji, malzeme bilimi, ilaç, mikrobiyoloji ve diğer endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Yüksek Performanslı Sonochemical Ekipman

Hielscher Ultrasonics, verimli ve güvenilir sonokimyasal reaksiyonlar için yenilikçi, son teknoloji ultrasonicators, sonochemical flow cell, reaktörler ve aksesuarların en iyi tedarikçisidir. Tüm Hielscher ultrasonicators özel olarak tasarlanmış, üretilmiş ve Teltow (Berlin yakınlarında), Almanya'daki Hielscher Ultrasonik merkezinde test edilmiştir. En yüksek teknik standartların ve olağanüstü sağlamlığın ve yüksek verimli çalışma için 7/24/365 çalışmanın yanı sıra, Hielscher ultrasonicators kullanımı kolay ve güvenilirdir. Yüksek verimlilik, akıllı yazılım, sezgisel menü, otomatik veri protokolü ve tarayıcı uzaktan kumandası, Hielscher Ultrasonics'i diğer sonokimyasal ekipman üreticilerinden ayıran özelliklerden sadece birkaçıdır.

Hassas Ayarlanabilir Genlikler

Genlik, sonotrotun (ultrasonik prob veya korna olarak da bilinir) ön (ucundaki) yer değiştirmedir ve ultrasonik kavitasyonun ana etki faktörüdür. Daha yüksek genlikler daha yoğun kavitasyon anlamına gelir. Gerekli kavitasyon yoğunluğu büyük ölçüde reaksiyon tipine, kullanılan kimyasal reaktiflere ve spesifik sonokimyasal reaksiyonun hedeflenen sonuçlarına bağlıdır. Bu, akustik kavitasyonun yoğunluğunu ideal seviyeye ayarlamak için genliğin hassas bir şekilde ayarlanması gerektiği anlamına gelir. Tüm Hielscher ultrasonicators, ideal genliğe akıllı bir dijital kontrol ile güvenilir ve hassas bir şekilde ayarlanabilir. Genliği mekanik olarak azaltmak veya artırmak için ek olarak yükseltici kornalar kullanılabilir. Ultrasonik’ Endüstriyel ultrasonik işlemciler çok yüksek genlikler sağlayabilir. 200μm'ye kadar genlikler, 7/24 çalışmada kolayca sürekli olarak çalıştırılabilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodlar mevcuttur.

Sonokimyasal Reaksiyonlar Sırasında Hassas Sıcaklık Kontrolü

Kavitasyon sıcak noktasında, binlerce santigrat dereceye kadar aşırı yüksek sıcaklıklar gözlemlenebilir. Bununla birlikte, bu aşırı sıcaklıklar yerel olarak patlayan kavitasyon balonunun iç ve çevresi ile sınırlıdır. Toplu çözeltide, tek veya birkaç kavitasyon kabarcığı olan patlamadan kaynaklanan sıcaklık artışı ihmal edilebilir düzeydedir. Ancak daha uzun süreler boyunca sürekli, yoğun sonikasyon, dökme sıvının sıcaklığının artmasına neden olabilir. Sıcaklıktaki bu artış birçok kimyasal reaksiyona katkıda bulunur ve genellikle faydalı olarak kabul edilir. Bununla birlikte, farklı kimyasal reaksiyonların farklı optimum reaksiyon sıcaklıkları vardır. Isıya duyarlı malzemeler işlendiğinde, sıcaklık kontrolü gerekli olabilir. Sonokimyasal işlemler sırasında ideal termal koşullara izin vermek için, Hielscher Ultrasonics, sonokimyasal reaktörler ve soğutma ceketleri ile donatılmış akış hücreleri gibi sonokimyasal işlemler sırasında hassas sıcaklık kontrolü için çeşitli sofistike çözümler sunar.
Sonokimyasal akış hücrelerimiz ve reaktörlerimiz, etkili bir ısı dağılımını destekleyen soğutma ceketleri ile mevcuttur. Sürekli sıcaklık izleme için, Hielscher ultrasonicators, toplu sıcaklığın sabit ölçümü için sıvıya yerleştirilebilen takılabilir bir sıcaklık sensörü ile donatılmıştır. Gelişmiş yazılım, bir sıcaklık aralığının ayarlanmasına izin verir. Sıcaklık sınırı aşıldığında, ultrasonicator sıvıdaki sıcaklık belirli bir ayar noktasına düşene kadar otomatik olarak duraklar ve otomatik olarak tekrar sonikasyona başlar. Tüm sıcaklık ölçümleri ve diğer önemli ultrasonik işlem verileri otomatik olarak dahili bir SD karta kaydedilir ve işlem kontrolü için kolayca revize edilebilir.
Sıcaklık, sonokimyasal süreçlerin çok önemli bir parametresidir. Hielscher'ın ayrıntılı teknolojisi, sonokimyasal uygulamanızın sıcaklığını ideal sıcaklık aralığında tutmanıza yardımcı olur.

Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir: