Sonokimyoviy reaksiyalar va sintez
Sonokimyo – ultratovushni kimyoviy reaksiyalar va jarayonlarda qoʻllashdir. Suyuqliklarda sonokimyoviy taʼsirlarni yuzaga keltiruvchi mexanizm akustik kavitatsiya hodisasidir.
Hielscher laboratoriya va sanoat ultratovush qurilmalari sonokimyoviy jarayonlarning keng doirasida qoʻllaniladi. Ultratovushli kavitatsiya sintez va kataliz kabi kimyoviy reaksiyalarni jadallashtiradi va tezlashtiradi.
Sonokimyoviy reaksiyalar
Kimyoviy reaksiyalar va jarayonlarda quyidagi sonokimyoviy taʼsirlarni kuzatish mumkin:
- reaksiya tezligining oshishi
- reaksiya mahsuloti chiqishining oshishi
- energiyadan yanada samarali foydalanish
- reaksiya yoʻlini oʻzgartirish uchun sonokimyoviy usullar
- fazalararo oʻtish katalizatorlari samaradorligining oshishi
- fazalararo oʻtish katalizatorlaridan foydalanishdan voz kechish
- tozalanmagan yoki texnik reagentlardan foydalanish
- metallar va qattiq moddalarni faollashtirish
- reagentlar yoki katalizatorlarning reaksiyaga kirishish qobiliyatining oshishi (ultratovush yordamidagi kataliz haqida koʻproq oʻqish uchun shu yerni bosing)
- zarrachalar sintezini yaxshilash
- nanozarrachalarni qoplash
7 ta ultratovushli gomogenizator – UIP1000hdT modeli (7x 1kW ultratovush quvvati) sanoat miqyosidagi sonokimyoviy reaksiyalar uchun klaster sifatida oʻrnatilgan.
Ultratovush bilan jadallashtirilgan kimyoviy reaksiyalarning afzalliklari
Ultratovush bilan kuchaytiriladigan kimyoviy reaksiyalar kimyoviy sintez va qayta ishlash sohasida jarayonlarni jadallashtirishning amaliyotda qaror topgan usulidir. Ultratovush toʻlqinlari quvvatidan foydalanish orqali bu reaksiyalar anʼanaviy usullarga nisbatan koʻplab afzalliklarni taqdim etadi hamda kimyoviy kataliz va sintezni yaxshilaydi. Oʻta tez konversiya, aʼlo darajadagi mahsulot chiqishi, kuchaytirilgan selektivlik, yaxshilangan energiya samaradorligi va atrof-muhitga taʼsirning kamayishi sonokimyoviy reaksiyalarning asosiy afzalliklaridir.
Quyidagi jadval ultratovush bilan kuchaytiriladigan reaksiyalarning anʼanaviy kimyoviy reaksiyalarga nisbatan ayrim muhim afzalliklarini koʻrsatadi:
| Reaksiya | Reaksiya vaqti Anʼanaviy usul |
Reaksiya vaqti Ultratovush |
Mahsulot chiqishi Anʼanaviy usul (%) |
Mahsulot chiqishi Ultratovush (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder sikllanishi | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Indanning indan-1-ongacha oksidlanishi | 3 h | 3 h | 27% dan kam | 73% |
| Metoksiaminosilanning qaytarilishi | reaksiya sodir boʻlmaydi | 3 h | 0% | 100% |
| Uzun zanjirli toʻyinmagan yogʻ kislota efirlarining epoksidlanishi | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Arilalkanlarning oksidlanishi | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Nitroalkanlarning bitta oʻrinbosarli α,β-toʻyinmagan efirlarga Michael birikishi | 2 kun | 2 h | 85% | 90% |
| 2-oktanolning permanganat bilan oksidlanishi | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Claisen-Schmidt kondensatsiyasi orqali xalkonlar sintezi | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| 2-yodonitrobenzolning Ullmann birikishi | 2 h | 2h | 1,5% dan kam | 70,4% |
| Reformatsky reaksiyasi | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Suyuqliklarda ultratovushli kavitatsiya
Kavitatsiya – suyuqlikda pufakchalarning hosil boʻlishi, oʻsishi va ichkariga tomon keskin qulashidir. Kavitatsion qulash kuchli mahalliy qizish (~5000 K), yuqori bosimlar (~1000 atm), nihoyatda katta qizish va sovish tezliklari (>10⁹ K/sec) hamda suyuqlikning oqimchalarini (~400 km/h) hosil qiladi. (Suslick 1998)
Kavitatsiya hosil qilishda qoʻllanilgan qurilma UIP1000hd:
Kavitatsiya pufakchalari vakuum pufakchalaridir. Vakuum bir tomondagi tez harakatlanuvchi sirt va ikkinchi tomondagi inersiyaga ega suyuqlik orqali hosil boʻladi. Natijada yuzaga keladigan bosim farqlari suyuqlik ichidagi kogeziya va adgeziya kuchlarini yengishga xizmat qiladi.
Kavitatsiyani Venturi soplolari, yuqori bosimli soplolar, yuqori tezlikdagi aylanish yoki ultratovush oʻzgartirgichlari kabi turli usullar bilan hosil qilish mumkin. Bu tizimlarning barchasida kiritilgan energiya ishqalanish, turbulentlik, toʻlqinlar va kavitatsiyaga aylanadi. Kiritilgan energiyaning kavitatsiyaga aylanadigan ulushi suyuqlik ichida kavitatsiya hosil qiluvchi uskunaning harakatini tavsiflovchi bir nechta omilga bogʻliq.
Tezlanish jadalligi energiyaning kavitatsiyaga samarali aylanishiga taʼsir qiluvchi eng muhim omillardan biridir. Yuqoriroq tezlanish kattaroq bosim farqlarini hosil qiladi. Bu esa, oʻz navbatida, suyuqlik boʻylab tarqaladigan toʻlqinlar oʻrniga vakuum pufakchalari hosil boʻlish ehtimolini oshiradi. Shunday qilib, tezlanish qanchalik yuqori boʻlsa, energiyaning kavitatsiyaga aylanadigan ulushi shunchalik katta boʻladi. Ultratovush oʻzgartirgichida tezlanish jadalligi tebranish amplitudasi bilan tavsiflanadi.
Yuqoriroq amplitudalar kavitatsiyaning yanada samarali hosil boʻlishiga olib keladi. Hielscher Ultrasonics sanoat qurilmalari 115 µm gacha boʻlgan amplitudalarni hosil qila oladi. Bu yuqori amplitudalar quvvat uzatish nisbatining yuqori boʻlishini taʼminlaydi, bu esa, oʻz navbatida, 100 W/cm³ gacha boʻlgan yuqori quvvat zichliklarini hosil qilish imkonini beradi.
Jadallikdan tashqari, suyuqlik turbulentlik, ishqalanish va toʻlqin hosil boʻlishi bilan bogʻliq yoʻqotishlar eng kam boʻladigan tarzda tezlashtirilishi kerak. Buning uchun eng maqbul yoʻl – bir tomonlama harakat yoʻnalishidir.
Oqim ichidagi sonokimyoviy kuchaytirilgan transesterifikatsiya uchun 16 000 vatt quvvatli ultratovush reaktori.
- metall tuzlarini qaytarish orqali faollashtirilgan metallarni tayyorlash
- ultratovush bilan ishlov berish orqali faollashtirilgan metallarni hosil qilish
- metall (Fe, Cr, Mn, Co) oksidlarini choʻktirish orqali, masalan, katalizator sifatida foydalanish uchun zarrachalarning sonokimyoviy sintezi
- tashuvchilarga metallar yoki metall galogenidlarini singdirish
- faollashtirilgan metall eritmalarini tayyorlash
- in situ hosil qilingan organoelement turlari orqali metallar ishtirokidagi reaksiyalar
- nometall qattiq moddalar ishtirokidagi reaksiyalar
- metallar, qotishmalar, zeolithes va boshqa qattiq moddalarning kristallanishi va choʻkishi
- zarrachalar orasidagi yuqori tezlikdagi toʻqnashuvlar orqali sirt morfologiyasi va zarracha oʻlchamini oʻzgartirish
- sirt yuzasi katta boʻlgan oʻtish metallari, qotishmalar, karbidlar, oksidlar va kolloidlarni oʻz ichiga oluvchi amorf nanostrukturali materiallarni hosil qilish
- kristallarning aglomeratsiyasi
- passivlashtiruvchi oksid qoplamasini silliqlash va olib tashlash
- kichik zarrachalarni mikromanipulyatsiya qilish (fraksiyalarga ajratish)
- qattiq moddalarni dispersiyalash
- kolloidlarni tayyorlash (Ag, Au, Q oʻlchamli CdS)
- mehmon molekulalarni mezbon noorganik qatlamli qattiq moddalarga interkalatsiya qilish
- polimerlar sonokimyosi
- polimerlarni parchalash va modifikatsiya qilish
- polimerlar sintezi
- suvdagi organik ifloslantiruvchilarning sonolizi
Sonokimyoviy uskunalar
Yuqorida aytib oʻtilgan sonokimyoviy jarayonlarning aksariyatini oqim ichida ishlash uchun qayta jihozlash mumkin. Qayta ishlash ehtiyojlaringiz uchun sonokimyoviy uskunalarni tanlashda sizga yordam berishdan mamnun boʻlamiz. Tadqiqotlar va jarayonlarni sinash uchun laboratoriya qurilmalarimizni yoki UIP1000hdT toʻplamini tavsiya qilamiz.
Zarur boʻlsa, xavfli muhitlarda yonuvchan kimyoviy moddalar va mahsulot formulalariga ultratovush bilan ishlov berish uchun FM va ATEX sertifikatiga ega ultratovush qurilmalari va reaktorlari (masalan, UIP1000-Exd) mavjud.
Ultratovushli kavitatsiya halqa ochilish reaksiyalarini oʻzgartiradi
Ultratovush bilan ishlov berish kimyoviy reaksiyalarni boshlash uchun issiqlik, bosim, yorugʻlik yoki elektrga muqobil mexanizmdir. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth hamda Urbana-Champaigndagi Illinois universitetining kimyo fakultetidagi ularning jamoasi halqa ochilish reaksiyalarini boshlash va boshqarish uchun ultratovush quvvatidan foydalandi. Ultratovush bilan ishlov berilganda kimyoviy reaksiyalar orbital simmetriya qoidalari bashorat qilgan mahsulotlardan farqli mahsulotlarni hosil qildi (Nature 2007, 446, 423). Guruh mexanik taʼsirga sezgir 1,2-dioʻrinbosarli benzotsiklobuten izomerlarini ikkita polietilenglikol zanjiriga uladi, ultratovush energiyasini qoʻlladi va eritmalarni C13 yadroviy magnit rezonans spektroskopiyasi yordamida umumiy hajmda tahlil qildi. Spektrlar cis va trans izomerlarining ikkalasi ham bir xil halqasi ochilgan mahsulotni – trans izomeridan kutiladigan mahsulotni hosil qilishini koʻrsatdi. Issiqlik energiyasi reaksiyaga kirishuvchi moddalarning tasodifiy Broun harakatiga sabab boʻlsa, ultratovush bilan ishlov berishning mexanik energiyasi atomlar harakatiga yoʻnalish beradi. Shu sababli kavitatsion taʼsirlar molekulani deformatsiyalab, potensial energiya sirtining shaklini oʻzgartirish orqali energiyani samarali yoʻnaltiradi.
Zond turidagi ultratovush qurilmalari, masalan, UP400St, nanozarrachalar sintezini jadallashtiradi. Sonokimyoviy yoʻl sodda, samarali, tezkor boʻlib, yumshoq sharoitlarda zaharli boʻlmagan kimyoviy moddalar bilan ishlaydi.
Sonokimyo uchun yuqori unumdorlikdagi ultratovush qurilmalari
Hielscher Ultrasonics laboratoriya va sanoat uchun ultratovush protsessorlarini yetkazib beradi. Barcha Hielscher ultratovush qurilmalari juda kuchli va mustahkam ultratovush uskunalari boʻlib, toʻliq yuklama ostida uzluksiz 24/7 ishlash uchun yaratilgan. Raqamli boshqaruv, dasturlanadigan sozlamalar, harorat monitoringi, maʼlumotlarni avtomatik qayd etish va brauzer orqali masofadan boshqarish Hielscher ultratovush qurilmalarining ayrim xususiyatlaridir. Yuqori unumdorlik va qulay foydalanish uchun ishlab chiqilgan Hielscher Ultrasonics uskunalarini foydalanuvchilar xavfsiz va oson ishlatish mumkinligini qadrlaydilar. Hielscher sanoat ultratovush protsessorlari 200µm gacha boʻlgan amplitudalarni taʼminlaydi va ogʻir ish sharoitlaridagi qoʻllanishlar uchun ideal hisoblanadi. Yanada yuqori amplitudalar uchun maxsus tayyorlangan ultratovush sonotrodlari mavjud.
Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy qayta ishlash quvvati haqida tasavvur beradi:
| Partiya hajmi | Hajmiy oqim tezligi | Tavsiya etiladigan qurilmalar |
|---|---|---|
| 1 dan 500mL gacha | 10 dan 200mL/min gacha | UP100H |
| 10 dan 2000mL gacha | 20 dan 400mL/min gacha | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 dan 20L gacha | 0,2 dan 4L/min gacha | UIP2000hdT |
| 10 dan 100L gacha | 2 dan 10L/min gacha | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 dan 100L/min gacha | UIP16000 |
| n.a. | kattaroq | quyidagi qurilmalardan tashkil topgan klaster: UIP16000 |
Biz bilan bogʻlaning! / Bizdan soʻrang!
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, tajriba-sanoat va sanoat miqyosida aralashtirish, dispersiyalash, emulsiyalash va ekstraksiya uchun yuqori unumdorlikdagi ultratovushli gomogenizatorlar ishlab chiqaradi.
Adabiyotlar / Manbalar
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
- Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis (2019): Chapter 4 ENERGY – PI Approaches in Thermodynamic Domain. in: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Published 2019 by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.(page 136)
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- 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.
- Barrera-Salgado, Karen; Ramírez-Robledo, Gabriela; Alvarez-Gallegos, Alberto; Arellano, Carlos; Sierra, Fernando; Perez, J. A.; Silva Martínez, Susana (2016): Fenton Process Coupled to Ultrasound and UV Light Irradiation for the Oxidation of a Model Pollutant. Journal of Chemistry, 2016. 1-7.
Hielscher Ultrasonics yuqori unumdorlikdagi ultratovushli gomogenizatorlarni laboratoriya miqyosidan sanoat miqyosigacha ishlab chiqaradi.