Сонохімічні реакції та синтез

Сонохімія – це застосування ультразвуку до хімічних реакцій і процесів. Механізмом виникнення сонохімічних ефектів у рідинах є явище акустичної кавітації.

Лабораторні та промислові ультразвукові пристрої Hielscher використовують у широкому спектрі сонохімічних процесів. Ультразвукова кавітація інтенсифікує та прискорює хімічні реакції, зокрема синтез і каталіз.

Сонохімічні реакції

У хімічних реакціях і процесах можна спостерігати такі сонохімічні ефекти:

• збільшення швидкості реакції
• збільшення виходу продуктів реакції
• ефективніше використання енергії
• сонохімічні методи зміни шляху перебігу реакції
• підвищення ефективності каталізаторів міжфазного перенесення
• усунення потреби в каталізаторах міжфазного перенесення
• використання неочищених або технічних реагентів
• активація металів і твердих речовин
• підвищення реакційної здатності реагентів або каталізаторів (натисніть тут, щоб дізнатися більше про каталіз за сприяння ультразвуку)
• удосконалення синтезу частинок
• нанесення покриттів на наночастинки

Переваги хімічних реакцій, інтенсифікованих ультразвуком

Хімічні реакції, стимульовані ультразвуком, є усталеним методом інтенсифікації процесів у галузі хімічного синтезу та переробки. Завдяки використанню потужності ультразвукових хвиль ці реакції мають численні переваги перед традиційними методами, поліпшуючи хімічний каталіз і синтез. Надшвидкі темпи перетворення, відмінний вихід продуктів, підвищена селективність, поліпшена енергоефективність і зменшений вплив на довкілля – основні переваги сонохімічних реакцій.

У таблиці нижче наведено деякі вагомі переваги реакцій, стимульованих ультразвуком, порівняно з традиційними хімічними реакціями:

Ультразвукова кавітація в рідинах

Кавітація – це утворення, ріст та імплозивне схлопування бульбашок у рідині. Кавітаційне схлопування спричиняє інтенсивне локальне нагрівання (~5000 K), високий тиск (~1000 atm), надзвичайно високі швидкості нагрівання й охолодження (>10⁹ K/sec) та струмені рідини (~400 km/h). (Suslick 1998)

Кавітація за допомогою UIP1000hd:

У цьому відео показано ультразвукову / акустичну кавітацію у воді, створену Hielscher UIP1000. Ультразвукову кавітацію застосовують у багатьох процесах обробки рідин.

Кавітаційні бульбашки є вакуумними бульбашками. Вакуум утворюється завдяки поверхні, що швидко рухається, з одного боку та рідині, що має інерцію, з іншого. Перепади тиску, які виникають унаслідок цього, дають змогу подолати сили когезії та адгезії в рідині.

Кавітацію можна створювати різними способами, наприклад за допомогою сопел Вентурі, сопел високого тиску, високошвидкісного обертання або ультразвукових перетворювачів. У всіх цих системах підведена енергія перетворюється на тертя, турбулентність, хвилі та кавітацію. Частка підведеної енергії, що перетворюється на кавітацію, залежить від кількох чинників, які описують рух обладнання, що створює кавітацію, у рідині.

Величина прискорення є одним із найважливіших чинників, що впливають на ефективність перетворення енергії на кавітацію. Більше прискорення створює більші перепади тиску. Це, своєю чергою, підвищує ймовірність утворення вакуумних бульбашок замість утворення хвиль, що поширюються в рідині. Отже, що більше прискорення, то більша частка енергії перетворюється на кавітацію. У випадку ультразвукового перетворювача величина прискорення описується амплітудою коливань.

Більші амплітуди забезпечують ефективніше створення кавітації. Промислові пристрої Hielscher Ultrasonics можуть створювати амплітуди до 115 µm. Ці високі амплітуди забезпечують високий коефіцієнт передавання потужності, що, своєю чергою, дає змогу створювати високу густину потужності до 100 W/cm³.

Окрім величини прискорення, слід також забезпечити таке прискорення рідини, за якого втрати на турбулентність, тертя та утворення хвиль будуть мінімальними. Для цього оптимальним є рух в одному напрямку.

Ультразвук застосовують завдяки його впливу на такі процеси:

• одержання активованих металів шляхом відновлення солей металів
• одержання активованих металів за допомогою ультразвукової обробки
• сонохімічний синтез частинок шляхом осадження оксидів металів (Fe, Cr, Mn, Co), наприклад для використання як каталізаторів
• нанесення металів або галогенідів металів на носії методом просочування
• приготування активованих розчинів металів
• реакції за участю металів через елементоорганічні частинки, утворені in situ
• реакції за участю неметалічних твердих речовин
• кристалізація та осадження металів, сплавів, zeolithes та інших твердих речовин
• модифікація морфології поверхні та розміру частинок шляхом високошвидкісних зіткнень між частинками
  • утворення аморфних наноструктурованих матеріалів, зокрема перехідних металів із великою питомою площею поверхні, сплавів, карбідів, оксидів і колоїдів
  • агломерація кристалів
  • згладжування та видалення пасивувального оксидного покриття
  • мікроманіпулювання (фракціонування) дрібних частинок
• диспергування твердих речовин
• одержання колоїдів (Ag, Au, CdS із розміром Q)
• інтеркаляція гостьових молекул у неорганічні шаруваті тверді речовини-господарі
• сонохімія полімерів
  • деструкція та модифікація полімерів
  • синтез полімерів
• соноліз органічних забруднювачів у воді

Сонохімічне обладнання

Більшість згаданих сонохімічних процесів можна адаптувати для роботи в потоці шляхом модернізації обладнання. Ми радо допоможемо вам вибрати сонохімічне обладнання відповідно до ваших технологічних потреб. Для досліджень і випробувань процесів ми рекомендуємо наші лабораторні пристрої або комплект UIP1000hdT.

За потреби доступні сертифіковані за FM та ATEX ультразвукові пристрої й реактори (наприклад, UIP1000-Exd) для ультразвукової обробки легкозаймистих хімічних речовин і рецептурних сумішей у вибухонебезпечних середовищах.

Ультразвукова кавітація змінює реакції розкриття циклу

Ультразвукова обробка є альтернативним до нагрівання, тиску, світла чи електрики механізмом ініціювання хімічних реакцій. Джеффрі С. Мур, Чарльз Р. Гікенбот та їхня команда з хімічного факультету Іллінойського університету в Урбана-Шампейн використали потужність ультразвуку для ініціювання реакцій розкриття циклу та керування ними. За ультразвукової обробки внаслідок хімічних реакцій утворювалися продукти, відмінні від передбачених правилами орбітальної симетрії (Nature 2007, 446, 423). Дослідники приєднали механочутливі ізомери 1,2-дизаміщеного бензоциклобутену до двох поліетиленгліколевих ланцюгів, застосували ультразвукову енергію та проаналізували розчини в об’ємі методом спектроскопії ядерного магнітного резонансу на ядрах C¹³ . Спектри показали, що і цис-, і транс-ізомери дають однаковий продукт розкриття циклу – той, що очікується від транс-ізомеру. Тоді як теплова енергія спричиняє хаотичний броунівський рух реагентів, механічна енергія ультразвукової обробки надає рухам атомів певного напрямку. Отже, кавітаційні ефекти ефективно спрямовують енергію, деформуючи молекулу та змінюючи форму поверхні потенціальної енергії.

Високопродуктивні ультразвукові апарати для сонохімії

Hielscher Ultrasonics постачає ультразвукові процесори для лабораторій і промисловості. Усі ультразвукові апарати Hielscher – це дуже потужні та надійні ультразвукові пристрої, розраховані на безперервну роботу 24/7 під повним навантаженням. Цифрове керування, програмовані налаштування, моніторинг температури, автоматичне протоколювання даних і дистанційне керування через браузер – лише деякі з функцій ультразвукових апаратів Hielscher. Обладнання Hielscher Ultrasonics розроблене для високої продуктивності та зручної експлуатації, а користувачі цінують його безпечне й просте використання. Промислові ультразвукові процесори Hielscher забезпечують амплітуди до 200µm та ідеально підходять для застосувань із високими навантаженнями. Для ще вищих амплітуд доступні ультразвукові сонотроди, виготовлені на замовлення.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових апаратів: