Сонохімія та сонохімічні реактори

Сонохімія - це область хімії, де ультразвук високої інтенсивності використовується для викликання, прискорення та модифікації хімічних реакцій (синтез, каталіз, деградація, полімеризація, гідроліз тощо). Ультразвукова кавітація характеризується унікальними енергетично насиченими умовами, які сприяють і інтенсифікують хімічні реакції. Більш високі швидкості реакцій, більш високі виходи і використання зелених, більш м'яких реагентів перетворюють сонохімію в дуже вигідний інструмент для отримання поліпшених хімічних реакцій.

Сонохімія

Сонохімія – це область досліджень і обробки, в якій молекули піддаються хімічній реакції через застосування ультразвуку високої інтенсивності (наприклад, 20 кГц). Явищем, відповідальним за сонохімічні реакції, є акустична кавітація. Акустична або ультразвукова кавітація виникає при з'єднанні потужних ультразвукових хвиль в рідину або суспензію. Внаслідок чергування циклів високого / низького тиску, викликаних енергетичними ультразвуковими хвилями в рідині, утворюються вакуумні бульбашки (кавітаційні порожнечі), які ростуть протягом декількох циклів тиску. Коли кавітаційна вакуумна бульбашка досягає певного розміру, коли вона не може поглинути більше енергії, вакуумна бульбашка сильно вибухає і створює гарячу точку з високою енергетичною насиченістю. Ця локальна гаряча точка характеризується дуже високими температурами, тиском і мікропотоками надзвичайно швидких струменів рідини.

Акустична кавітація та ефекти високоінтенсивного ультразвуку

Акустичну кавітацію, яку часто також називають ультразвуковою кавітацією, можна виділити на дві форми: стабільну і перехідну кавітацію. Під час стабільної кавітації кавітаційна бульбашка багаторазово коливається навколо свого рівноважного радіуса, тоді як під час перехідної кавітації, при якій короткоживучий міхур зазнає різких змін гучності за кілька акустичних циклів і закінчується сильним колапсом (Suslick 1988). Стабільна і перехідна кавітація можуть виникати одночасно в розчині, а міхур, що піддається стабільній кавітації, може стати перехідною порожниною. Імплозія бульбашки, характерна для перехідної кавітації та ультразвуку високої інтенсивності, створює різні фізичні умови, включаючи дуже високі температури 5000–25 000 К, тиск до кількох 1000 бар та потоки рідини зі швидкістю до 1000 м/с. Оскільки руйнування/імплозія кавітаційних бульбашок відбувається менш ніж за наносекунду, дуже високі швидкості нагрівання та охолодження перевищують 10¹¹ К/с можна спостерігати. Така висока швидкість нагріву та перепади тиску можуть ініціювати та прискорювати реакції. Що стосується потоків рідини, що виникають, ці високошвидкісні мікроджети демонструють особливо високі переваги, коли мова йде про неоднорідні суспензії тверде тіло-рідина. Струмені рідини впливають на поверхню з повною температурою і тиском міхура, що руйнується, і викликають ерозію шляхом зіткнення між частинками, а також локалізованого плавлення. Отже, спостерігається значно поліпшений масообмін в розчині.

Ультразвукова кавітація найбільш ефективно генерується в рідинах і розчинниках при низькому тиску пари. Тому середовища з низьким тиском пари є сприятливими для застосування в сонохімії.
В результаті ультразвукової кавітації створювані інтенсивні сили можуть перемикати шляхи реакцій на більш ефективні маршрути, що дозволяє уникнути більш повних перетворень та/або виробництва небажаних побічних продуктів.
Енергоємний простір, що утворюється в результаті колапсу кавітаційних бульбашок, називається гарячою точкою. Низькочастотний, потужний ультразвук в діапазоні 20 кГц і здатність створювати високі амплітуди добре зарекомендувала себе для генерації інтенсивних гарячих точок і сприятливих сонохімічних умов.

Ультразвукове лабораторне обладнання, а також промислові ультразвукові реактори для комерційних сонохімічних процесів легко доступні та довели свою надійність та екологічність у лабораторних, пілотних та повністю промислових масштабах. Сонохімічні реакції можуть проводитися періодичним (тобто відкритою посудиною) або потоковим процесом з використанням реактора із замкнутим потоковим елементом.

Соносинтез

Соносинтез або сонохімічний синтез - це застосування кавітації, що генерується ультразвуком, з метою ініціації та сприяння хімічним реакціям. Ультразвук високої потужності (наприклад, на частоті 20 кГц) демонструє сильний вплив на молекули та хімічні зв'язки. Наприклад, сонохімічні ефекти в результаті інтенсивного ультразвуку можуть призвести до розщеплення молекул, утворення вільних радикалів та/або зміни хімічних шляхів. Тому сонохімічний синтез інтенсивно використовується для виготовлення або модифікації широкого спектру наноструктурованих матеріалів. Прикладами для наноматеріалів, отриманих за допомогою соносинтезу, є наночастинки (НЧ) (наприклад, НЧ золота, НЧ срібла), пігменти, наночастинки оболонки ядра, нано-гідроксиапатит, металеві органічні каркаси (MOFs), активні фармацевтичні інгредієнти (АФІ), наночастинки, прикрашені мікросферами, нанокомпозити та багато інших матеріалів.
Приклади: Ультразвукова переетерифікація метилових ефірів жирних кислот (біодизельного палива) або Переетерифікація поліолів за допомогою ультразвуку.

Зображення ТЕМ (А) та його гранулометричний склад (В) наночастинок срібла (Ag-NPs), які були синтезовані сонохімічним шляхом за оптимальних умов.

Також широко застосовується ультразвукова кристалізація (соно-кристалізація), де силовий ультразвук використовується для отримання пересичених розчинів, для ініціації кристалізації / осадження, а також контролю розміру та морфології кристалів за допомогою параметрів ультразвукового процесу. Натисніть тут, щоб дізнатися більше про соно-кристалізацію!

Соно-каталіз

Ультразвукування хімічної суспензії або розчину дозволяє значно поліпшити каталітичні реакції. Сонохимическая енергія скорочує час реакції, покращує тепло- і масообмін, що в подальшому призводить до збільшення констант хімічної швидкості, виходу і селективності.
Існують численні каталітичні процеси, які значно виграють від застосування енергетичного ультразвуку та його сонохімічних ефектів. Будь-яка реакція гетерогенного каталізу з фазовим переносом (PTC) за участю двох або більше рідин, що не змішуються, або рідко-твердої композиції, має переваги звукового звуку, сонохимической енергії та покращеного масообміну.
Наприклад, порівняльний аналіз безшумного та ультразвукового каталітичного окислення фенолу вологою перекисом у воді показав, що ультразвук знижує енергетичний бар'єр реакції, але не впливає на шлях реакції. Енергія активації для окислення фенолу над RuI₃ Було встановлено, що каталізатором при ультразвуковому дослідженні є 13 кДж моль^-1, що в чотири рази менше в порівнянні з безшумним процесом окислення (57 кДж моль^-1). (Рохіна та ін., 2010)
Сонохімічний каталіз успішно використовується для виготовлення хімічних продуктів, а також для виготовлення мікронних та наноструктурованих неорганічних матеріалів, таких як метали, сплави, сполуки металів, неметалеві матеріали та неорганічні композити. Поширеними прикладами ультразвукового ПТК є переетерифікація вільних жирних кислот у метиловий ефір (біодизель), гідроліз, омилення рослинних олій, соно-фентонова реакція (фентоноподібні процеси), сонокаталітична деградація тощо.
Дізнайтеся більше про сонокаталіз та конкретні застосування!
Ультразвукова хвороба покращує хімію клацання, наприклад, реакції циклоприєднання азид-алкінів!

Інші сонохімічні застосування

Завдяки своєму універсальному використанню, надійності та простій експлуатації, сонохімічні системи, такі як UP400St або UIP2000HDT цінуються як ефективне обладнання для проведення хімічних реакцій. Ультразвукові сонохімічні пристрої Hielscher можуть бути легко використані для пакетного (відкрита мензурка) і безперервного вбудованого ультразвуку за допомогою сонохімічної проточної камери. Сонохімія, включаючи соносинтез, сонокаталіз, деградацію або полімеризацію, широко використовується в хімії, нанотехнологіях, матеріалознавстві, фармацевтиці, мікробіології, а також в інших галузях промисловості.

Високопродуктивне сонохімічне обладнання

Hielscher Ultrasonics є вашим головним постачальником інноваційних, найсучасніших ультразвукових засобів, сонохімічних проточних елементів, реакторів та аксесуарів для ефективних і надійних сонохімічних реакцій. Всі ультразвукові апарати Hielscher ексклюзивно розроблені, виготовлені та протестовані в штаб-квартирі Hielscher Ultrasonics в Тельтові (поблизу Берліна), Німеччина. Окрім найвищих технічних стандартів та видатної надійності та роботи 24/7/365 для високоефективної роботи, ультразвукові пристрої Hielscher прості та надійні в експлуатації. Висока ефективність, розумне програмне забезпечення, інтуїтивно зрозуміле меню, автоматичне протоколювання даних і дистанційне керування браузером – це лише деякі особливості, які відрізняють Hielscher Ultrasonics від інших виробників сонохімічного обладнання.

Точно регульовані амплітуди

Амплітуда - це зміщення в передній частині (кінчику) сонотрода (також відомого як ультразвуковий зонд або ріжок) і є основним фактором впливу ультразвукової кавітації. Більш високі амплітуди означають більш інтенсивну кавітацію. Необхідна інтенсивність кавітації сильно залежить від типу реакції, використовуваних хімічних реактивів і цілеспрямованих результатів конкретної сонохимической реакції. Це означає, що амплітуда повинна бути точно регульована, щоб налаштувати інтенсивність акустичної кавітації до ідеального рівня. Всі ультразвукові апарати Hielscher можна надійно і точно налаштувати за допомогою інтелектуального цифрового управління до ідеальної амплітуди. Бустерні клаксони можуть додатково використовуватися для механічного зменшення або збільшення амплітуди. Ультразвук’ Промислові ультразвукові процесори можуть видавати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.

Точний контроль температури під час сонохімічних реакцій

У гарячій точці кавітації можуть спостерігатися надзвичайно високі температури в багато тисяч градусів за Цельсієм. Однак ці екстремальні температури локально обмежені найдрібнішими внутрішніми частинами та оточенням вибухаючої кавітаційної бульбашки. У сипучому розчині підвищення температури від імплозії одного або декількох кавітаційних бульбашок незначно. Але безперервне, інтенсивне ультразвукове випромінювання протягом більш тривалих періодів може спричинити поступове підвищення температури об'ємної рідини. Таке підвищення температури сприяє багатьом хімічним реакціям і часто розглядається як корисне. Однак різні хімічні реакції мають різну оптимальну температуру реакції. При обробці термочутливих матеріалів може знадобитися контроль температури. Щоб забезпечити ідеальні теплові умови під час сонохімічних процесів, компанія Hielscher Ultrasonics пропонує різноманітні складні рішення для точного контролю температури під час сонохімічних процесів, такі як сонохімічні реактори та проточні комірки, оснащені сорочками охолодження.
Наші сонохімічні проточні камери та реактори доступні з охолоджувальними сорочками, які підтримують ефективне розсіювання тепла. Для безперервного контролю температури ультразвукові апарати Hielscher оснащені роз'ємним датчиком температури, який можна вставити в рідину для постійного вимірювання температури маси. Складне програмне забезпечення дозволяє встановлювати температурний діапазон. При перевищенні граничної температури ультразвуковий прилад автоматично робить паузу, поки температура в рідині не знизиться до певного заданого значення, і знову починає автоматично проводити ультразвук. Всі вимірювання температури, а також інші важливі дані ультразвукового процесу автоматично записуються на вбудовану SD-карту і можуть бути легко переглянуті для контролю процесу.
Температура є найважливішим параметром сонохимических процесів. Розроблена технологія Hielscher допомагає вам підтримувати температуру вашого сонохімічного застосування в ідеальному діапазоні температур.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: