Сонохімія та сонохімічні реактори
Сонохімія – це галузь хімії, в якій високоефективний ультразвук використовується для ініціювання, прискорення та модифікації хімічних реакцій (синтез, каталіз, деградація, полімеризація, гідроліз тощо). Ультразвуково генерована кавітація характеризується унікальними енергонасиченими умовами, які сприяють та інтенсифікують хімічні реакції. Швидші швидкості реакцій, вищі виходи та використання зелених, м’якших реагентів перетворюють сонохімію на дуже вигідний інструмент для отримання покращених хімічних реакцій.
Сонохімія
Сонохімія – це дослідницька та обробна галузь, в якій молекули зазнають хімічної реакції внаслідок застосування високоефективної ультразвукової обробки (наприклад, 20 kHz). Феноменом, відповідальним за сонохімічні реакції, є акустична кавітація. Акустична або ультразвукова кавітація виникає, коли потужні ультразвукові хвилі вводяться в рідину або суспензію. Через чергування циклів високого тиску / низького тиску, спричинених потужними ультразвуковими хвилями в рідині, генеруються вакуумні бульбашки (кавітаційні порожнини), які зростають протягом кількох циклів тиску. Коли кавітаційна вакуумна бульбашка досягає певного розміру, за якого вона не може поглинати більше енергії, вакуумна бульбашка різко колапсує і створює високоенергонасичену гарячу точку. Ця локально виникаюча гаряча точка характеризується дуже високими температурами, тисками та мікроструменями надзвичайно швидких рідинних струменів.
Закритий реактор періодичної дії, виготовлений зі нержавіючої сталі, обладнаний ультразвуковим обробником UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Акустична кавітація та ефекти високоефективної ультразвукової обробки
Акустичну кавітацію, яку часто також називають ультразвуковою кавітацією, можна розрізнити на дві форми: стабільну та перехідну кавітацію. Під час стабільної кавітації кавітаційна бульбашка коливається багато разів навколо свого рівноважного радіуса, тоді як під час перехідної кавітації короткоживуча бульбашка зазнає драматичних змін об’єму за кілька акустичних циклів і завершується різким колапсом (Suslick 1988). Стабільна та перехідна кавітація можуть виникати одночасно в розчині, і бульбашка, що зазнає стабільної кавітації, може стати перехідною порожниною. Колапс бульбашки, який є характерним для перехідної кавітації та високоефективної ультразвукової обробки, створює різні фізичні умови, включаючи дуже високі температури 5000–25 000 K, тиски до кількох 1000 bar та рідинні потоки зі швидкістю до 1000m/s. Оскільки колапс/імплосія кавітаційних бульбашок відбувається менш ніж за наносекунду, спостерігаються дуже високі швидкості нагрівання та охолодження, що перевищують 1011 K/s. Такі високі швидкості нагрівання та різниці тисків можуть ініціювати та прискорювати реакції. Щодо виникаючих рідинних потоків, ці високоскладові мікрострумені демонструють особливо високі переваги, коли мова йде про гетерогенні твердо-рідкі суспензії. Рідинні струмені вдаряються об поверхню з повною температурою та тиском колапсуючої бульбашки та спричиняють ерозію через міжчастинкове зіткнення, а також локальне плавлення. Внаслідок цього спостерігається значно покращений масоперенос у розчині.
Ультразвукова кавітація найефективніше генерується в рідинах і розчинниках з низьким тиском насиченої пари. Тому середовища з низьким тиском насиченої пари є сприятливими для сонохімічних застосувань.
Внаслідок ультразвукової кавітації інтенсивні сили, що створюються, можуть змінювати шляхи реакцій на більш ефективні маршрути, так що уникаються більш повні перетворення та/або утворення небажаних побічних продуктів.
Енергонасичений простір, створений колапсом кавітаційних бульбашок, називається гарячою точкою. Низькочастотний високоефективний ультразвук у діапазоні 20kHz та здатність створювати високі амплітуди добре зарекомендували себе для генерації інтенсивних гарячих точок та сприятливих сонохімічних умов.
Ультразвукове лабораторне обладнання, а також промислові ультразвукові реактори для комерційних сонохімічних процесів легко доступні та перевірені як надійні, ефективні та екологічно безпечні на лабораторному, пілотному та повністю промисловому масштабах. Сонохімічні реакції можна проводити як партійні (тобто, у відкритій посудині) або в потоковому процесі з використанням закритої проточної комірки реактора.
Соно-синтез
Соно-синтез або сонохімічний синтез – це застосування ультразвукової кавітації для ініціювання та стимулювання хімічних реакцій. Високоефективна ультразвукова обробка (наприклад, при 20 kHz) чинить сильний вплив на молекули та хімічні зв’язки. Наприклад, сонохімічні ефекти, що виникають внаслідок інтенсивної ультразвукової обробки, можуть призводити до розщеплення молекул, утворення вільних радикалів та/або зміни хімічних шляхів. Тому сонохімічний синтез активно використовується для виготовлення або модифікації широкого спектру наноструктурованих матеріалів. Прикладами наноматеріалів, отриманих за допомогою соно-синтезу, є наночастинки (NPs) (наприклад, наночастинки золота, наночастинки срібла), пігменти, наночастинки з ядром і оболонкою, наногідроксиапатит, металоорганічні каркаси (MOFs), активні фармацевтичні інгредієнти (APIs), наночастинки, декоровані мікросферами, наноконструкційні матеріали серед багатьох інших матеріалів.
Приклади: Ультразвукова переетерифікація метилових ефірів жирних кислот (біодизель) або переетерифікація поліолів за допомогою ультразвуку.
Зображення ПЕМ (A) та його розподіл частинок за розміром (B) наночастинок срібла (Ag-NPs), які були сонохімічно синтезовані за оптимальних умов.
Широко застосовується також ультразвуково стимульована кристалізація (соно-кристалізація), де високоефективний ультразвук використовується для отримання пересичених розчинів, ініціювання кристалізації / осадження та контролю розміру та морфології кристалів через параметри ультразвукового процесу. Натисніть тут, щоб дізнатися більше про соно-кристалізацію!
Соно-каталіз
Ультразвукова обробка хімічної суспензії або розчину може суттєво покращити каталітичні реакції. Сонохімічна енергія зменшує час реакції, покращує тепло- та масоперенос, що в подальшому призводить до збільшення хімічних констант швидкості, виходів та селективності.
Існує безліч каталітичних процесів, які значно виграють від застосування високоефективного ультразвуку та його сонохімічних ефектів. Будь-яка гетерогенна реакція фазового переносу каталізу (PTC), що включає дві або більше незмішуваних рідин або рідко-тверду композицію, виграє від ультразвукової обробки, сонохімічної енергії та покращеного масопереносу.
Наприклад, порівняльний аналіз каталітичного окиснення фенолу у воді пероксидом в умовах тиші та за ультразвукової допомоги виявив, що ультразвукова обробка знижувала енергетичний бар’єр реакції, але не впливала на шлях реакції. Енергія активації для окиснення фенолу над каталізатором RuI3 під час ультразвукової обробки становила 13 kJ mol-1, що було в чотири рази менше порівняно з процесом окиснення в умовах тиші (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
Сонохімічний каталіз успішно використовується для виготовлення хімічних продуктів, а також виробництва мікро- та наноструктурованих неорганічних матеріалів, таких як метали, сплави, сполуки металів, неметалеві матеріали та неорганічні композити. Типовими прикладами ультразвуково-асистованого PTC є переетерифікація вільних жирних кислот у метилові ефіри (біодизель), гідроліз, омилення рослинних олій, соно-Фентонівська реакція (процеси, подібні до Фентона), сонокаталітична деградація тощо.
Дізнайтеся більше про сонокаталіз та конкретні застосування!
Ультразвукова обробка покращує клік-хімію, таку як реакції азид-алкінової циклоаддиції!
Інші сонохімічні застосування
Завдяки своїй універсальності, надійності та простоті експлуатації, сонохімічні системи, такі як UP400St або UIP2000hdT цінуються як ефективне обладнання для хімічних реакцій. Сонохімічні пристрої Hielscher Ultrasonics можна легко використовувати для періодичного (відкрита хімічна склянка) та безперервного проточного ультразвукового опромінення за допомогою сонохімічної проточної комірки. Сонохімія, включаючи соносинтез, сонокаталіз, деградацію або полімеризацію, широко використовується в хімії, нанотехнологіях, матеріалознавстві, фармацевтиці, мікробіології, а також в інших галузях промисловості.
Промисловий ультразвуковий апарат UIP2000hdT (2kW) із сонохімічним проточним реактором.
Високоефективне сонохімічне обладнання
Hielscher Ultrasonics є вашим провідним постачальником інноваційних, найсучасніших ультразвукових апаратів, сонохімічних проточних комірок, реакторів та аксесуарів для ефективних та надійних сонохімічних реакцій. Усі ультразвукові апарати Hielscher розробляються, виготовляються та тестуються виключно в головній квартирі Hielscher Ultrasonics у Тельтові (поблизу Берліна), Німеччина. Окрім найвищих технічних стандартів, видатної міцності та роботи 24/7/365 для високоефективної експлуатації, ультразвукові апарати Hielscher прості та надійні в управлінні. Висока ефективність, розумне програмне забезпечення, інтуїтивне меню, автоматичне протоколювання даних та дистанційне керування через браузер – це лише кілька особливостей, які відрізняють Hielscher Ultrasonics від інших виробників сонохімічного обладнання.
Точно регульовані амплітуди
Амплітуда – це зміщення на передній частині (кінчику) сонотрода (також відомого як ультразвуковий зонд або ріг) і є основним фактором, що впливає на ультразвукову кавітацію. Вищі амплітуди означають інтенсивнішу кавітацію. Необхідна інтенсивність кавітації сильно залежить від типу реакції, використаних хімічних реагентів та цільових результатів конкретної сонохімічної реакції. Це означає, що амплітуда повинна бути точно регульованою, щоб налаштувати інтенсивність акустичної кавітації на ідеальний рівень. Усі ультразвукові апарати Hielscher можна надійно та точно налаштувати на ідеальну амплітуду за допомогою інтелектуального цифрового керування. Для механічного зменшення або збільшення амплітуди можна додатково використовувати підсилювальні роги. Промислові ультразвукові процесори Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати в режимі безперервної роботи 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.
Точний контроль температури під час сонохімічних реакцій
У гарячій точці кавітації спостерігаються надзвичайно високі температури в тисячі градусів Цельсія. Однак ці екстремальні температури обмежені локально крихітною внутрішньою частиною та оточенням бульбашки кавітації, що імплодує. У масовому розчині підвищення температури від імплозії однієї або кількох бульбашок кавітації є незначним. Але безперервна, інтенсивна ультразвукова обробка протягом триваліших періодів може призвести до поступового підвищення температури масової рідини. Це підвищення температури сприяє багатьом хімічним реакціям і часто вважається корисним. Однак різні хімічні реакції мають різні оптимальні температури реакції. При обробці термочутливих матеріалів може бути необхідний контроль температури. Щоб забезпечити ідеальні термічні умови під час сонохімічних процесів, Hielscher Ultrasonics пропонує різноманітні складні рішення для точного контролю температури під час сонохімічних процесів, такі як сонохімічні реактори та проточні комірки, обладнані охолоджувальними сорочками.
Наші сонохімічні проточні комірки та реактори доступні з охолоджувальними сорочками, які сприяють ефективному відведенню тепла. Для безперервного моніторингу температури ультразвукові апарати Hielscher обладнані знімним температурним сенсором, який можна вставити в рідину для постійного вимірювання температури масової рідини. Складне програмне забезпечення дозволяє встановити діапазон температур. Коли температурний ліміт перевищується, ультразвуковий апарат автоматично зупиняється, доки температура в рідині не знизиться до певного заданого значення, і автоматично відновлює ультразвукову обробку. Всі вимірювання температури, а також інші важливі дані про ультразвуковий процес автоматично записуються на вбудовану SD-картку, і їх можна легко переглянути для контролю процесу.
Температура є критичним параметром сонохімічних процесів. Розроблена технологія Hielscher допомагає вам підтримувати температуру вашого сонохімічного застосування в ідеальному температурному діапазоні.
- висока ефективність
- передові технології
- простота та безпека експлуатації
- надійність та міцність
- партійний та потоковий режим
- для будь-якого об’єму
- інтелектуальне програмне забезпечення
- розумні функції (наприклад, протоколювання даних)
- CIP (мийка на місці)
Сонохімічний реактор: інтенсивна ультразвукова обробка та спричинена нею кавітація ініціюють та інтенсифікують хімічні реакції та можуть навіть змінювати шляхи реакцій.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 1–500 mL | 10–200 mL/min | UP100H |
| 10–2000 mL | 20–400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20 L | 0,2–4 L/min | UIP2000hdT |
| 10–100 L | 2–10 L/min | UIP4000hdT |
| н.д. | 10–100 L/min | UIP16000 |
| н.д. | більший | кластер UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для застосувань у змішуванні, диспергуванні, емульгуванні та екстракції в лабораторному, пілотному та промисловому масштабах.
Приклади хімічних реакцій, покращених за допомогою ультразвуку, порівняно зі звичайними реакціями
Наведена нижче таблиця дає огляд кількох поширених хімічних реакцій. Для кожного типу реакції порівняно звичайну реакцію та реакцію, інтенсифіковану ультразвуком, щодо виходу та швидкості перетворення.
| Реакція | Час реакції – звичайний | Час реакції – ультразвуковий | Вихід – звичайний (%) | Вихід – ультразвуковий (%) |
|---|---|---|---|---|
| Циклізація Дільса–Альдера | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Окислення індану до індан-1-ону | 3 h | 3 h | менше 27% | 73% |
| Відновлення метоксиаміносилану | реакція відсутня | 3 h | 0% | 100% |
| Епоксидування довголанцюгових ненасичених жирних ефірів | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Окислення арилалканів | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Міхаелівське приєднання нітроалканів до монозаміщених α,β-ненасичених ефірів | 2 days | 2 h | 85% | 90% |
| Перманганатне окислення 2-октанолу | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Синтез халконів за допомогою конденсації Кляйзена–Шмідта | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Сполучення Ульмана 2-йоднітробензолу | 2 h | 2h | менше 1,5% | 70,4% |
| Реакція Реформатського | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(пор. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Published 2019 by Wiley)
Література / Посилання
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового розміру.