Sonokimya, kimyasal reaksiyonları (sentez, kataliz, bozulma, polimerizasyon, hidroliz vb.) teşvik etmek, hızlandırmak ve değiştirmek için yüksek yoğunluklu ultrasonun kullanıldığı kimya alanıdır. Ultrasonik olarak oluşturulan kavitasyon, kimyasal reaksiyonları teşvik eden ve yoğunlaştıran benzersiz enerji yoğun koşullarla karakterize edilir. Daha hızlı reaksiyon oranları, daha yüksek verim ve yeşil, daha hafif reaktiflerin kullanımı, gelişmiş kimyasal reaksiyonlar elde etmek için sonokimyayı çok avantajlı bir araca dönüştürmektedir.

Sono-kimya

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

Akustik Kavitasyon ve Yüksek Yoğunluklu Ultrasonication Etkileri

Genellikle ultrasonik kavitasyon olarak da adlandırılan akustik kavitasyon, kararlı ve geçici kavitasyon olmak üzere iki forma ayırt edilebilir. Kararlı kavitasyon sırasında kavitasyon kabarcığı denge yarıçapı etrafında birçok kez salınırken, geçici kavitasyon sırasında kısa ömürlü bir kabarcık birkaç akustik döngüde dramatik hacim değişikliklerine uğrar ve şiddetli bir çöküşte sona erer (Suslick 1988). Çözeltide aynı anda stabil ve geçici kavitasyon oluşabilir ve kararlı kavitasyon geçiren bir kabarcık geçici bir boşluk haline gelebilir. Geçici kavitasyon ve yüksek yoğunluklu sonication 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 nanosaniyeden daha az, 10'dan fazla çok yüksek ısıtma ve soğutma oranlarında meydana geldiğinden¹¹ K/s gözlemlenebilir. Bu kadar yüksek ısıtma oranları ve basınç farkları reaksiyonları başlatabilir ve hızlandırabilir. Meydana gelen sıvı akışları ile ilgili olarak, bu yüksek hızlı mikro jetler heterojen katı-sıvı bulamacı söz konusu olduğunda özellikle yüksek faydalar gösterir. Sıvı jetler, çöken kabarcığın tam sıcaklığı ve basıncı ile yüzeye müdahale ediyor ve çiftler arası çarpışmanın yanı sıra lokalize erime yoluyla erozyona neden oluyor. Sonuç olarak, çözeltide önemli ölçüde geliştirilmiş bir kütle transferi gözlenir.

Ultrasonik kavitasyon en etkili sıvılar ve çözücüler nükte düşük buhar basınçları oluşturulur. Bu nedenle, düşük buhar basınçlarına sahip ortamlar sonokimyasal uygulamalar için elverişlidir.
Ultrasonik kavitasyon sonucu, oluşturulan yoğun kuvvetler daha verimli rotalara reaksiyon yollarını değiştirebilir, böylece daha eksiksiz dönüşümler ve / veya istenmeyen yan ürünlerin üretimi önlenir.
Kavitasyon kabarcıklarının çökmesiyle oluşan enerji yoğun alana sıcak nokta denir. 20kHz aralığında düşük frekanslı, yüksek güçlü ultrason ve yüksek genlikler oluşturma yeteneği, yoğun sıcak noktaların ve elverişli sonokimyasal koşulların oluşturulması için iyi kurulmuştur.

Ultrasonik laboratuvar ekipmanları yanı sıra ticari sonokimyasal işlemler için endüstriyel ultrasonik reaktörler hazır ve laboratuvar, pilot ve tamamen endüstriyel ölçekte güvenilir, verimli ve çevre dostu olarak kanıtlanmıştır. Sonokimyasal reaksiyonlar, kapalı bir akış hücresi reaktörü kullanılarak toplu (yani açık kap) veya sıralı işlem olarak gerçekleştirilebilir.

Sono-sentezi

Sono-sentez veya sonokimyasal sentez, kimyasal reaksiyonları başlatmak ve teşvik etmek için ultrasonik olarak oluşturulan kavitasyonun uygulanmasıdır. Yüksek güçlü ultrasonication (örneğin, 20 kHz'de) moleküller ve kimyasal yapıştırmalar 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 nanomalzemeler için örnekler nanopartiküller (NP'ler) (örneğin, altın NP'ler, gümüş NP'ler), pigmentler, çekirdek kabuklu nano parçacıklar, nano-hidroksiapatit, metal organik çerçeveler (MF'ler), aktif farmasötik bileşenler (API'ler), mikrokürez dekore nanopartiküller, nano kompozitler diğer birçok malzeme arasında.
Örnekler: Yağ Asidi Metil Esterlerinin (biyodizel) ultrasonik transesterifikasyonu veya ultrason kullanarak poliollerin transesterifikasyonu.

TEM görüntüsü (A) ve en uygun koşullarda sonokimyasal olarak sentezlenen gümüş nanopartiküllerin (Ag-NP) parçacık boyutu dağılımı (B).

Ayrıca yaygın olarak uygulanan ultrasonik teşvik kristalizasyon (sono-kristalizasyon), burada güç-ultrason aşırı doymamış çözümler üretmek için kullanılan, kristalizasyon / yağış başlatmak ve ultrasonik süreç parametreleri ile kristal boyutu ve morfoloji kontrol etmek için kullanılır. Sono-kristalizasyon hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!

Sono-Kataliz

Kimyasal bir süspansiyon veya çözeltinin sonicating önemli ölçüde katalitik reaksiyonları artırabilir. Sonokimyasal enerji reaksiyon süresini azaltır, ısı ve kütle transferini iyileştirir, bu da daha sonra kimyasal oran sabitlerinin, verimlerinin ve seçiciliklerinin artmasına neden olur.
Güç ultrason ve sonokimyasal etkileri uygulamasından büyük ölçüde yararlanan çok sayıda katalitik süreç vardır. İki veya daha fazla immiscible sıvı veya sıvı-katı bileşimi içeren herhangi bir heterojen faz transferi kataliz (PTC) reaksiyonu, sonikasyondan, sonokimyasal enerjiden ve geliştirilmiş kütle transferinden yararlanır.
Örneğin, sudaki fenolün sessiz ve ultrasonik destekli katalitik ıslak peroksit oksidasyonunun karşılaştırmalı analizi, sonication reaksiyonun enerji bariyerini azalttığını, ancak reaksiyon yolu üzerinde hiçbir etkisi olmadığını ortaya koydu. RuI üzerinde fenol oksidasyonu için aktivasyon enerjisi₃ sonication sırasında katalizör 13 kJ mol bulundu^-1, sessiz oksidasyon işlemine kıyasla dört kat daha küçüktü (57 kJ mol^-1). (Rokhina ve arkadaşları, 2010)
Sonokimyasal kataliz, kimyasal ürünlerin imalatının yanı sıra metaller, alaşımlar, metal bileşikler, metal olmayan malzemeler ve inorganik kompozitler gibi mikron ve nano yapılı inorganik malzemelerin üretimi için başarıyla kullanılmaktadır. Ultrasonik destekli PTC'nin yaygın örnekleri, serbest yağ asitlerinin metil estere (biyodizel), hidroliz, bitkisel yağların saponifikasyonu, sono-Fenton reaksiyonu (Fenton benzeri süreçler), sonokatalitik bozulma vb.
Sono-catalysis ve özel uygulamalar hakkında daha fazla bilgi edinin!
Sonikasyon, azid-alkin-sikloekleme reaksiyonları gibi tıklama kimyasını geliştirir!

Diğer Sonokimyasal Uygulamalar

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

Yüksek Performanslı Sonokimyasal Ekipmanlar

Hielscher Ultrasonics yenilikçi, son teknoloji ultrasonicators, sonokimyasal akış hücresi, reaktörler ve aksesuarlar verimli ve güvenilir sonokimyasal reaksiyonlar için en iyi tedarikçisidir. Tüm Hielscher ultrasonicators özel olarak tasarlanmış, üretilmiş ve Teltow Hielscher Ultrasonics merkezi (Berlin yakınında), Almanya' da test edilmektedir. 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 sadece birkaç özelliktir.

Hassas Ayarlanabilir Genlikler

Genlik, sonotrodun (ultrasonik prob veya boynuz olarak da bilinir) önündeki (ucunda) yer değiştirmedir ve ultrasonik kavitasyonun ana etkileyen faktörüdür. Daha yüksek genlikler daha yoğun kavitasyon anlamına gelir. Kavitasyonun gerekli yoğunluğu, reaksiyon tipine, kullanılan kimyasal reaktiflere ve spesifik sonokimyasal reaksiyonun hedeflenen sonuçlarına bağlıdır. Bu, akustik kavitasyonun yoğunluğunu ideal seviyeye ayarlamak için genliklerin tam olarak ayarlanabilmesi gerektiği anlamına gelir. Tüm Hielscher ultrasonicators güvenilir ve hassas ideal genlik için akıllı bir dijital kontrol ile ayarlanabilir. Güçlendirici boynuzlar ayrıca genliği mekanik olarak azaltmak veya artırmak için de kullanılabilir. Ultrasonik’ endüstriyel ultrasonik işlemciler çok yüksek genlikler sunabilir. 200 μm'ye kadar genlikler 7/24 çalışmada kolayca çalıştırılabilir. Daha yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodes mevcuttur.

Sonokimyasal Reaksiyonlar Sırasında Hassas Sıcaklık Kontrolü

Kavitasyon sıcak noktasında, binlerce santigrat derecelik son derece yüksek sıcaklıklar gözlenebilir. Bununla birlikte, bu aşırı sıcaklıklar yerel olarak, çöken kavitasyon balonunun dakika iç mekanı ve çevresi ile sınırlıdır. Toplu çözeltide, tek veya birkaç kavitasyon kabarcıklarının patlamasından kaynaklanan sıcaklık artışı ihmal edilebilir. Ancak daha uzun süreler boyunca sürekli, yoğun sonication, dökme sıvının sıcaklığının artımlı bir artışına neden olabilir. Sıcaklıktaki bu artış birçok kimyasal reaksiyona katkıda bulunur ve genellikle faydalı olarak kabul edilir. Bununla birlikte, farklı kimyasal reaksiyonlar farklı optimum reaksiyon sıcaklıklarına sahiptir. Isıya duyarlı malzemeler tedavi edildiğinde, sıcaklık kontrolü gerekebilir. Sonokimyasal işlemler sırasında ideal termal koşullara izin vermek için Hielscher Ultrasonics, sonokimyasal işlemler sırasında hassas sıcaklık kontrolü için sonokimyasal reaktörler ve soğutma ceketleri ile donatılmış akış hücreleri gibi çeşitli sofistike çözümler sunar.
Sonokimyasal akış hücrelerimiz ve reaktörlerimiz, etkili bir ısı dağılımına destek olan soğutma ceketleri ile mevcuttur. Sürekli sıcaklık izleme için, Hielscher ultrasonicators, toplu sıcaklığın sabit ölçümü için sıvıya takılabilen takılabilir bir sıcaklık sensörü ile donatılmıştır. Gelişmiş yazılım, bir sıcaklık aralığının ayarlanmasına izin verir. Sıcaklık sınırı aşıldığında, ultrasonicator otomatik olarak sıvıdaki sıcaklık belirli bir ayar noktasına inene kadar duraklar ve otomatik olarak tekrar sonicating başlar. Tüm sıcaklık ölçümleri ve diğer önemli ultrasonik işlem verileri otomatik olarak yerleşik bir SD karta kaydedilir ve proses kontrolü için kolayca revize edilebilir.
Sıcaklık sonokimyasal süreçlerin önemli bir parametresidir. Hielscher'ın ayrıntılı teknolojisi, sonokimyasal uygulamanızın sıcaklığını ideal sıcaklık aralığında tutmanıza yardımcı olur.

Aşağıdaki tablo size bizim ultrasonicators yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesidir: