Сонохімія та сонохімічні реактори

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

Сонохімія

Сонохімія - це дослідницьке та технологічне поле, в якому молекули зазнають хімічної реакції через застосування ультразвуку високої інтенсивності (наприклад, 20 кГц). Явище, відповідальне за сонохімічні реакції, - акустична кавітація. Акустична або ультразвукова кавітація відбувається, коли потужні ультразвукові хвилі з'єднання в рідину або шлам. Завдяки змінним циклам високого тиску / низького тиску, викликаним силовими ультразвуковими хвилями в рідині, генеруються вакуумні бульбашки (кавітаційні порожнечі), які ростуть протягом декількох циклів тиску. Коли кавітаційна вакуумна бульбашка досягає певного розміру, коли вона не може поглинати більше енергії, вакуумна бульбашка бурхливо в'яне і створює високоенергетичні гарячі точки. Ця локально відбувається гаряча точка характеризується дуже високими температурами, тиском і мікро-потокового надзвичайно швидких рідких струменів.

Акустична кавітація та ефекти ультразвуку високої інтенсивності

Акустичну кавітацію, часто ще називають ультразвуковою кавітацією, можна виділити на дві форми, стабільну і швидкоплинну кавітацію. Під час стабільної кавітації кавітаційна бульбашка багато разів коливається навколо свого рівноважного радіусу, в той час як під час перехідної кавітації, в якій короткотривала бульбашка зазнає різких змін об'єму в декількох акустичних циклах і закінчується насильницьким колапсом (Suslick 1988). Стабільна і швидкоплинна кавітація може відбуватися одночасно в розчині і міхур, що проходить стабільну кавітацію, може стати перехідною порожниною. Міхур імплозії, яка характерна для перехідної кавітації і високої інтенсивності ультразвукової обробки, створює різні фізичні умови, включаючи дуже високі температури 5000-25000 К, тиск до декількох 1000 бар, і рідкі потоки зі швидкістю до 1000 м / с. Оскільки колапс / імплозія кавітаційних бульбашок відбувається менш ніж за наносекунду, дуже високі темпи нагрівання та охолодження перевищують 10¹¹ Можна спостерігати К/с. Такі високі показники нагрівання і диференціал тиску можуть ініціювати і прискорювати реакції. Що стосується потоків рідини, що відбуваються, ці високошвидкісні мікроджети показують особливо високі переваги, коли мова йде про неоднорідних твердих рідких шламах. Рідкі струмені нав'язували поверхню з повною температурою і тиском бульбашки, що руйнується, і викликають ерозію через міжчастине зіткнення, а також локалізоване плавлення. Отже, спостерігається значно поліпшена масова передача в розчині.

Ультразвукова кавітація найбільш ефективно генерується в рідинах і розчинниках з низьким тиском пари. Тому засоби масової інформації з низьким тиском пари сприятливі для сонохімічних застосувань.
В результаті ультразвукової кавітації, створені інтенсивні сили можуть перемикати шляхи реакцій на більш ефективні маршрути, так що більш повні перетворення та / або виробництво небажаних побічних продуктів уникають.
Енергозберіговий простір, створений колапсом кавітаційних бульбашок, називається гарячою точкою. Низькочастотне, високоенергічне ультразвук в діапазоні 20 кГц і здатність створювати високі амплітуди добре налагоджені для генерації інтенсивних гарячих точок і сприятливих сонохімічних умов.

Ультразвукове лабораторне обладнання, а також промислові ультразвукові реактори для комерційних сонохімічних процесів легко доступні та перевірені як надійні, ефективні та екологічні на лабораторних, пілотних та повністю промислових масштабах. Сонохімічні реакції можуть здійснюватися як пакетні (тобто відкриті судна) або в режимі он-лайн з використанням реактора закритої проточної клітини.

Соносинтез

Соно-синтез або сонохімічний синтез - це застосування ультразвукової кавітації з метою ініціювання та сприяння хімічним реакціям. Високоенергійна ультразвукова дослідження (наприклад, на частоті 20 кГц) показує сильний вплив на молекули та хімічні зв'язок. Наприклад, сонохімічні ефекти, отримані в результаті інтенсивної ультразвукової обробки, можуть призвести до розщеплення молекул, створення вільних радикалів та / або перемикання хімічних шляхів. Тому сонохімічний синтез інтенсивно використовується для виготовлення або модифікації широкого спектру наноструктурованих матеріалів. Прикладами наноматеріалів, що виробляються за допомогою соно-синтезу, є наночастинки (NPs) (наприклад, золоті NPS, срібні NPS), пігменти, наночастинки оболонки ядра, нано-гідроксиапатит, металеві органічні каркаси (MOF), активні фармацевтичні інгредієнти (АФІ), мікросферні прикрашені наночастинки, нано-композити серед багатьох інших матеріалів.
Приклади: Ultrasonic transesterification of Fatty Acid Methyl Esters (biodiesel) або the transesterification of polyols using ultrasound.

Зображення ТЕМ (А) та розподіл розмірів його частинок (В) наночастинок срібла (Ag-NPs), які були сонохімічно синтезовані в оптимальних умовах.

Також широко застосовується ультразвукова кристалізація (сонокристалізація), де power-ультразвук використовується для виробництва перенасичених розчинів, для ініціювання кристалізації / опадів, а також контролю розміру кристалів і морфології за допомогою параметрів ультразвукового процесу. Натисніть тут, щоб дізнатися більше про сонокристалізацію!

Соно-Каталіз

Ультразвукова обробка хімічної суспензії або розчину може значно поліпшити каталичні реакції. Сонохімічна енергія скорочує час реакції, покращує тепло- і масообмін, що в подальшому призводить до збільшення хімічних показників, врожайності та вибірності.
Існують численні каталичні процеси, які різко виходять на користь застосування ультразвуку влади і його сонохімічних ефектів. Будь-яка реакція каталізу фазового перенесення (PTC), що включає дві або більше несмішливих рідин або рідко-твердий склад, виграє від ультразвукової обробки, сонохімічної енергії та поліпшення масової передачі.
Наприклад, порівняльний аналіз тихого та ультразвукового каталітного окислення перекису фенолу у воді показав, що ультразвукова обробка зменшила енергетичний бар'єр реакції, але не вплинула на шлях реакції. Енергія активації для окислення фенолу над РУІ₃ каталізатором під час ультразвукової обробки було виявлено 13 кДж моль^-1, що в чотири рази менше в порівнянні з процесом безшумного окислення (57 кДж моль^-1). (Рохіна та ін., 2010)
Сонохімічний каталіз успішно використовується для виготовлення хімічних продуктів, а також для виготовлення мікронних і наноструктурованих неорганічних матеріалів, таких як метали, сплави, металеві сполуки, не металочерепиці та неорганічні композити. Поширеними прикладами ультразвуку PTC є переетерифікація вільних жирних кислот у метиловий ефір (біодизель), гідроліз, сапоніфікація рослинних олій, реакція соно-Фентона (процеси, схожі на Фентон), сонокаталітична деградація тощо.
Дізнайтеся більше про соно-каталіз і конкретні застосування!

Інші сонохімічні програми

Завдяки їх універсальному використанню, надійності та простоти роботи, сонохімічні системи, такі як UP400St або UIP2000hdT оцінюються як ефективне обладнання для хімічних реакцій. Hielscher Ультразвук сонохімічні пристрої можуть бути легко використані для партії (відкритий бока) і безперервної вбудованої ультразвукової обробки з використанням сонохімічної клітини потоку. Сонохімія, включаючи соно-синтез, соно-каталіз, деградацію або полімеризацію, широко використовується в хімії, нанотехнології, матеріалознавстві, фармацевтиці, мікробіології, а також в інших галузях промисловості.

Високоеціонансне сонохімічне обладнання

Hielscher Ultrasonics є вашим головним постачальником інноваційних, сучасних ультраакукаторів, сонохімічних клітин потоку, реакторів та аксесуарів для ефективних та надійних сонохімічних реакцій. Всі Hielscher ультраакукатори розроблені, виготовлені і випробувані в штаб-квартира Hielscher Ultrasonics в Тельтові (поблизу Берліна), Німеччина. Крім найвищих технічних стандартів та видатної надійності та роботи 24/7/365 для високоефективної роботи, hielscher ультраакукатори прості та надійні в експлуатації. Висока ефективність, розумне програмне забезпечення, інтуїтивно зрозуміле меню, автоматичне протоколування даних та пульт дистанційного керування браузером - це лише кілька функцій, які відрізняють Hielscher Ultrasonics від інших виробників сонохімічного обладнання.

Точно регульовані амплітуди

Амплітуда - це зміщення спереду (кінчику) сонотрода (також відомого як ультразвуковий зонд або ріг) і є основним фактором впливу ультразвукової кавітації. Більш високі амплітуди означають більш інтенсивну кавітацію. Необхідна інтенсивність кавітації сильно залежить від типу реакції, використовуваних хімічних реагентів і цільових результатів специфічної сонохімічної реакції. Це означає, що амплітуда повинна бути точно регульована для того, щоб налаштувати інтенсивність акустичної кавітації до ідеального рівня. Всі Hielscher ультраакукатори можуть бути надійно і точно скориговані за допомогою інтелектуального цифрового управління до ідеальної амплітуди. Бустерні роги можуть бути додатково використані для зменшення або збільшення амплітуди механічно. Ультразвук’ промислові ультразвукові процесори можуть доставляти дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно запускати в роботі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.

Точний контроль температури під час сонохімічних реакцій

У кавітаційній гарячій точці можна спостерігати надзвичайно високі температури в багато тисяч градусів Цельсія. Тим не менш, ці екстремальні температури обмежені локально до хвилинного інтер'єру та оточення бульбашки кавітації, що імплогії. У сипучому розчині підвищення температури від імплозії однієї або декількох кавітаційних бульбашок незначне. Але безперервна інтенсивна ультразвукова обробка протягом більш тривалих періодів може викликати поступове підвищення температури об'ємної рідини. Таке підвищення температури сприяє багатьом хімічним реакціям і часто вважається корисним. Однак різні хімічні реакції мають різну оптимальну температуру реакції. При обробці теплочутливих матеріалів може знадобитися контроль температури. Для того, щоб забезпечити ідеальні теплові умови під час сонохімічних процесів, Hielscher Ultrasonics пропонує різні складні рішення для точного контролю температури під час сонохімічних процесів, таких як сонохімічні реактори та проточні клітини, оснащені охолоджуючими куртками.
Наші сонохімічні проточні клітини та реактори доступні з охолоджуючими куртками, які підтримують ефективне розсічення тепла. Для безперервного моніторингу температури ультраакукатори Hielscher оснащені підключеним датчиком температури, який можна вставити в рідину для постійного вимірювання об'ємної температури. Складне програмне забезпечення дозволяє встановити температурний діапазон. При перевищенні температурного ліміту ультраакукатор автоматично призупиняється, поки температура в рідині не знизиться до певної заяної точки і не почне автоматично ультразвук знову. 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 важливим параметром сонохімічних процесів. Розроблена технологія Hielscher допомагає підтримувати температуру вашого сонохімічного застосування в ідеальному температурному діапазоні.

У таблиці нижче наведено приблизну потужність обробки наших ультразвукових пристроїв: