Sonokimyo va sonokimyoviy reaktorlar
Sonokimyo – kimyoviy reaksiyalarni (sintez, kataliz, parchalanish, polimerlanish, gidroliz va boshqalar) boshlash, tezlashtirish va oʻzgartirish uchun yuqori intensivlikdagi ultratovush qoʻllaniladigan kimyo sohasi. Ultratovush yordamida hosil qilinadigan kavitatsiya kimyoviy reaksiyalarni ragʻbatlantiradigan va jadallashtiradigan, energiya zichligi yuqori boʻlgan oʻziga xos sharoitlar bilan tavsiflanadi. Reaksiyalarning tezroq kechishi, yuqoriroq mahsulot chiqishi hamda ekologik toza, yumshoqroq taʼsir qiluvchi reagentlardan foydalanish sonokimyoni kimyoviy reaksiyalarni yaxshilash uchun juda afzal vositaga aylantiradi.
Sonokimyo
Sonokimyo – yuqori intensivlikdagi ultratovush bilan ishlov berish (masalan, 20 kHz) natijasida molekulalar kimyoviy reaksiyaga kirishadigan tadqiqot va texnologik ishlov berish sohasi. Sonokimyoviy reaksiyalarni yuzaga keltiradigan hodisa akustik kavitatsiyadir. Akustik yoki ultratovushli kavitatsiya kuchli ultratovush toʻlqinlari suyuqlik yoki suspenziyaga uzatilganda yuzaga keladi. Suyuqlikdagi kuchli ultratovush toʻlqinlari keltirib chiqaradigan, navbatma-navbat almashinuvchi yuqori bosim / past bosim sikllari tufayli vakuum pufakchalari (kavitatsion boʻshliqlar) hosil boʻlib, bir necha bosim sikli davomida kattalashadi. Kavitatsion vakuum pufakchasi boshqa energiya yuta olmaydigan muayyan oʻlchamga yetganda, u shiddat bilan ichkariga qulab, energiya zichligi juda yuqori boʻlgan qaynoq nuqtani hosil qiladi. Mahalliy ravishda yuzaga keladigan bu qaynoq nuqta juda yuqori haroratlar, bosimlar va nihoyatda tez suyuqlik oqimlarining mikrooqimlari bilan tavsiflanadi.
Zanglamaydigan poʻlatdan yasalgan yopiq davriy reaktor quyidagi qurilma bilan jihozlangan: ultratovush qurilmasi UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Akustik kavitatsiya va yuqori intensivlikdagi ultratovush bilan ishlov berishning taʼsiri
Koʻpincha ultratovushli kavitatsiya deb ham ataladigan akustik kavitatsiyani ikki shaklga – barqaror va oʻtkinchi kavitatsiyaga ajratish mumkin. Barqaror kavitatsiya paytida kavitatsiya pufakchasi oʻzining muvozanat radiusi atrofida koʻp marta tebranadi, oʻtkinchi kavitatsiya paytida esa qisqa umrli pufakchaning hajmi bir necha akustik sikl ichida keskin oʻzgarib, oxirida u shiddat bilan qulaydi (Suslick 1988). Eritmada barqaror va oʻtkinchi kavitatsiya bir vaqtda yuzaga kelishi mumkin, barqaror kavitatsiyaga uchrayotgan pufakcha esa oʻtkinchi boʻshliqqa aylanishi mumkin. Oʻtkinchi kavitatsiya va yuqori intensivlikdagi ultratovush bilan ishlov berishga xos boʻlgan pufakchaning ichkariga qulashi turli fizik sharoitlarni, jumladan, 5000–25 000 K darajasidagi juda yuqori haroratlarni, bir necha 1000 bar gacha boʻlgan bosimlarni va tezligi 1000m/s gacha boʻlgan suyuqlik oqimlarini hosil qiladi. Kavitatsiya pufakchalarining qulashi / ichkariga qulashi bir nanosekunddan kam vaqtda sodir boʻlgani uchun qizish va sovishning 1011 K/s dan ortiq boʻlgan juda yuqori tezliklarini kuzatish mumkin. Bunday yuqori qizish tezliklari va bosim farqlari reaksiyalarni boshlashi va tezlashtirishi mumkin. Hosil boʻladigan suyuqlik oqimlariga kelsak, bu yuqori tezlikdagi mikrooqimlar geterogen qattiq–suyuq suspenziyalar uchun ayniqsa katta foyda beradi. Suyuqlik oqimlari qulayotgan pufakchaning toʻliq harorati va bosimi bilan sirtga uriladi hamda zarrachalararo toʻqnashuvlar va mahalliy erish orqali eroziyaga sabab boʻladi. Natijada eritmada massa almashinuvi sezilarli darajada yaxshilangani kuzatiladi.
Ultratovushli kavitatsiya bugʻ bosimi past boʻlgan suyuqliklar va erituvchilarda eng samarali hosil qilinadi. Shu sababli bugʻ bosimi past boʻlgan muhitlar sonokimyoviy qoʻllanishlar uchun qulaydir.
Ultratovushli kavitatsiya natijasida hosil boʻladigan kuchli kuchlar reaksiyalarning yoʻllarini samaraliroq yoʻnalishlarga oʻzgartirishi mumkin, natijada yanada toʻliqroq konversiyalar va/yoki istalmagan qoʻshimcha mahsulotlarning hosil boʻlishi oldi olinadi.
Kavitatsiya pufakchalarining qulashi natijasida hosil boʻladigan, energiya zichligi yuqori boʻlgan makon qaynoq nuqta deb ataladi. 20kHz atrofidagi past chastotali, yuqori quvvatli ultratovush va yuqori amplitudalarni hosil qilish imkoniyati kuchli qaynoq nuqtalar hamda qulay sonokimyoviy sharoitlarni yaratishda oʻzini yaxshi isbotlagan.
Ultratovushli laboratoriya uskunalari hamda tijoriy sonokimyoviy jarayonlar uchun sanoat ultratovush reaktorlari oson topiladi va laboratoriya, tajriba-sanoat hamda toʻliq sanoat miqyosida ishonchli, samarali va ekologik toza ekanligi isbotlangan. Sonokimyoviy reaksiyalar davriy jarayon sifatida (yaʼni ochiq idishda) yoki yopiq oqim hujayrasi reaktori yordamida oqimdagi jarayon sifatida amalga oshirilishi mumkin.
Sonosintez
Sonosintez yoki sonokimyoviy sintez – kimyoviy reaksiyalarni boshlash va ragʻbatlantirish uchun ultratovush yordamida hosil qilingan kavitatsiyani qoʻllashdir. Yuqori quvvatli ultratovush bilan ishlov berish (masalan, 20 kHz da) molekulalar va kimyoviy bogʻlarga kuchli taʼsir koʻrsatadi. Masalan, intensiv ultratovush bilan ishlov berish natijasidagi sonokimyoviy taʼsirlar molekulalarning parchalanishiga, erkin radikallarning hosil boʻlishiga va/yoki kimyoviy reaksiya yoʻllarining oʻzgarishiga olib kelishi mumkin. Shu sababli sonokimyoviy sintez keng turdagi nanostrukturali materiallarni tayyorlash yoki oʻzgartirish uchun jadal qoʻllaniladi. Sonosintez orqali olinadigan nanomateriallarga nanozarrachalar (NPs) (masalan, oltin nanozarrachalari, kumush nanozarrachalari), pigmentlar, yadro–qobiq tuzilishidagi nanozarrachalar, nanogidroksiapatit, metall-organik karkaslar (MOFs), faol farmatsevtik moddalar (APIs), mikrosferalar bilan bezatilgan nanozarrachalar, nanokompozitlar va boshqa koʻplab materiallar misol boʻladi.
Misollar: Yogʻ kislotalari metil efirlarini (biodizel) ultratovush yordamida qayta efirlash yoki poliollarni ultratovush yordamida qayta efirlash.
Optimal sharoitlarda sonokimyoviy usulda sintez qilingan kumush nanozarrachalarining (Ag-NPs) TEM tasviri (A) va ularning oʻlcham boʻyicha taqsimoti (B).
Ultratovush yordamida ragʻbatlantiriladigan kristallanish (sonokristallanish) ham keng qoʻllaniladi; bunda kuchli ultratovush oʻta toʻyingan eritmalarni hosil qilish, kristallanish / choʻktirishni boshlash hamda ultratovush jarayonining parametrlari orqali kristall oʻlchami va morfologiyasini boshqarish uchun ishlatiladi. Sonokristallanish haqida koʻproq bilish uchun bu yerga bosing!
Sonokataliz
Kimyoviy suspenziya yoki eritmaga ultratovush bilan ishlov berish katalitik reaksiyalarni sezilarli darajada yaxshilashi mumkin. Sonokimyoviy energiya reaksiya vaqtini qisqartiradi, issiqlik va massa almashinuvini yaxshilaydi, bu esa keyinchalik kimyoviy reaksiya tezligi konstantalari, mahsulot chiqishi va selektivlikning oshishiga olib keladi.
Kuchli ultratovush va uning sonokimyoviy taʼsirlarini qoʻllashdan juda katta foyda oladigan koʻplab katalitik jarayonlar mavjud. Ikki yoki undan ortiq oʻzaro aralashmaydigan suyuqlik yoki suyuq–qattiq tarkib ishtirok etadigan har qanday geterogen fazalararo oʻtish katalizi (PTC) reaksiyasi ultratovush bilan ishlov berish, sonokimyoviy energiya va yaxshilangan massa almashinuvidan foyda oladi.
Masalan, suvdagi fenolni ultratovushsiz va ultratovush yordamida katalitik nam peroksidli oksidlashning qiyosiy tahlili ultratovush bilan ishlov berish reaksiyaning energetik toʻsigʻini kamaytirganini, ammo reaksiya yoʻliga taʼsir qilmaganini koʻrsatdi. Ultratovush bilan ishlov berish paytida fenolning RuI3 katalizatori ishtirokida oksidlanishining aktivlanish energiyasi 13 kJ mol-1 ekanligi aniqlandi, bu ultratovushsiz oksidlash jarayonidagiga (57 kJ mol-1) nisbatan toʻrt marta kichik edi. (Rokhina et al, 2010)
Sonokimyoviy kataliz kimyoviy mahsulotlarni tayyorlash, shuningdek, metallar, qotishmalar, metall birikmalari, nometall materiallar va noorganik kompozitlar kabi mikro- va nanostrukturali noorganik materiallarni ishlab chiqarish uchun muvaffaqiyatli qoʻllaniladi. Ultratovush yordamidagi PTC ning keng tarqalgan misollariga erkin yogʻ kislotalarini metil efiriga (biodizel) qayta efirlash, gidroliz, oʻsimlik moylarini sovunlash, sono-Fenton reaksiyasi (Fentonga oʻxshash jarayonlar), sonokatalitik parchalanish va boshqalar kiradi.
Sonokataliz va uning muayyan qoʻllanishlari haqida koʻproq oʻqing!
Ultratovush bilan ishlov berish azid–alkin sikloqoʻshilish reaksiyalari kabi klik-kimyo reaksiyalarini yaxshilaydi!
Boshqa sonokimyoviy qoʻllanishlar
Koʻp qirrali qoʻllanishi, ishonchliligi va ishlatishning soddaligi tufayli UP400St yoki UIP2000hdT kabi sonokimyoviy tizimlar kimyoviy reaksiyalar uchun samarali uskunalar sifatida qadrlanadi. Hielscher Ultrasonics sonokimyoviy qurilmalaridan davriy (ochiq stakanda) ishlov berish hamda sonokimyoviy oqim hujayrasi yordamida oqimda uzluksiz ultratovush bilan ishlov berish uchun oson foydalanish mumkin. Sonokimyo, jumladan, sonosintez, sonokataliz, parchalanish yoki polimerlanish kimyo, nanotexnologiya, materialshunoslik, farmatsevtika, mikrobiologiya hamda boshqa sanoat tarmoqlarida keng qoʻllaniladi.
Sanoat ultratovush qurilmasi UIP2000hdT (2kW) sonokimyoviy oqim reaktori bilan jihozlangan.
Yuqori unumdorlikdagi sonokimyoviy uskunalar
Hielscher Ultrasonics – samarali va ishonchli sonokimyoviy reaksiyalar uchun innovatsion, eng zamonaviy ultratovush qurilmalari, sonokimyoviy oqim hujayrasi, reaktorlar va aksessuarlarni yetkazib beruvchi yetakchi taʼminotchingiz. Barcha Hielscher ultratovush qurilmalari faqat Germaniyaning Teltow shahridagi (Berlin yaqinida) Hielscher Ultrasonics bosh qarorgohida loyihalanadi, ishlab chiqariladi va sinovdan oʻtkaziladi. Eng yuqori texnik standartlar, ajoyib mustahkamlik va yuqori samaradorlikni taʼminlovchi 24/7/365 ishlash imkoniyatidan tashqari, Hielscher ultratovush qurilmalarini ishlatish oson va ishonchli. Yuqori samaradorlik, aqlli dasturiy taʼminot, intuitiv menyu, maʼlumotlarni avtomatik qayd etish va brauzer orqali masofadan boshqarish – Hielscher Ultrasonics ni boshqa sonokimyoviy uskunalar ishlab chiqaruvchilaridan ajratib turadigan xususiyatlarning ayrimlaridir.
Aniq sozlanadigan amplitudalar
Amplituda – sonotrodning (ultratovush zondi yoki shoxi deb ham ataladi) old qismidagi (uchidagi) siljish boʻlib, ultratovushli kavitatsiyaga taʼsir qiluvchi asosiy omildir. Yuqoriroq amplitudalar kuchliroq kavitatsiyani anglatadi. Kavitatsiyaning talab etiladigan intensivligi reaksiya turiga, ishlatiladigan kimyoviy reagentlarga va muayyan sonokimyoviy reaksiyaning koʻzlangan natijalariga kuchli bogʻliq. Bu akustik kavitatsiya intensivligini ideal darajaga moslashtirish uchun amplituda aniq sozlanadigan boʻlishi kerakligini anglatadi. Barcha Hielscher ultratovush qurilmalarini aqlli raqamli boshqaruv orqali ideal amplitudaga ishonchli va aniq sozlash mumkin. Amplitudani mexanik ravishda kamaytirish yoki oshirish uchun qoʻshimcha ravishda kuchaytiruvchi shoxlardan foydalanish mumkin. Ultrasonics sanoat ultratovush protsessorlari juda yuqori amplitudalarni taʼminlay oladi. 200µm gacha boʻlgan amplitudalarda 24/7 rejimida uzluksiz ishlashni oson amalga oshirish mumkin. Yanada yuqoriroq amplitudalar uchun maxsus tayyorlangan ultratovush sonotrodlari mavjud.
Sonokimyoviy reaksiyalar davomida haroratni aniq boshqarish
Kavitatsiya qaynoq nuqtasida koʻp ming daraja Selsiyga teng nihoyatda yuqori haroratlarni kuzatish mumkin. Biroq bu ekstremal haroratlar mahalliy ravishda ichkariga qulayotgan kavitatsiya pufakchasining juda kichik ichki qismi va atrofi bilan cheklanadi. Eritmaning umumiy hajmida bitta yoki bir nechta kavitatsiya pufakchasining ichkariga qulashi natijasidagi harorat koʻtarilishi ahamiyatsiz darajada boʻladi. Ammo uzoqroq muddat davomida uzluksiz, intensiv ultratovush bilan ishlov berish suyuqlikning umumiy haroratini asta-sekin oshirishi mumkin. Haroratning bunday koʻtarilishi koʻplab kimyoviy reaksiyalarga yordam beradi va koʻpincha foydali deb hisoblanadi. Biroq turli kimyoviy reaksiyalar turli optimal reaksiya haroratlariga ega. Issiqlikka sezgir materiallarga ishlov berilganda haroratni boshqarish zarur boʻlishi mumkin. Sonokimyoviy jarayonlar davomida ideal issiqlik sharoitlarini taʼminlash uchun Hielscher Ultrasonics haroratni aniq boshqarishga moʻljallangan turli ilgʻor yechimlarni, masalan, sovitish qobiqlari bilan jihozlangan sonokimyoviy reaktorlar va oqim hujayralarini taklif etadi.
Bizning sonokimyoviy oqim hujayralarimiz va reaktorlarimiz issiqlikning samarali chiqarilishiga yordam beradigan sovitish qobiqlari bilan taqdim etiladi. Haroratni uzluksiz kuzatish uchun Hielscher ultratovush qurilmalari ulanadigan harorat sensori bilan jihozlangan; uni suyuqlikning umumiy haroratini doimiy oʻlchash uchun suyuqlikka kiritish mumkin. Ilgʻor dasturiy taʼminot harorat oraligʻini belgilash imkonini beradi. Harorat chegarasi oshib ketganda, ultratovush qurilmasi suyuqlik harorati belgilangan muayyan qiymatgacha pasayguncha avtomatik ravishda toʻxtaydi va soʻng ultratovush bilan ishlov berishni avtomatik ravishda qayta boshlaydi. Barcha harorat oʻlchovlari hamda ultratovush jarayonining boshqa muhim maʼlumotlari oʻrnatilgan SD kartaga avtomatik ravishda yoziladi va jarayonni nazorat qilish uchun ularni osongina koʻrib chiqish mumkin.
Harorat sonokimyoviy jarayonlarning hal qiluvchi parametridir. Hielscher ning puxta ishlab chiqilgan texnologiyasi sonokimyoviy qoʻllanishingizdagi haroratni ideal oraliqda saqlashga yordam beradi.
- yuqori samaradorlik
- eng zamonaviy texnologiya
- ishlatish oson va xavfsiz
- ishonchlilik va mustahkamlik
- davriy va oqimdagi ishlov berish
- har qanday hajm uchun
- aqlli dasturiy taʼminot
- aqlli funksiyalar (masalan, maʼlumotlarni qayd etish)
- CIP (joyida tozalash)
Sonokimyoviy reaktor: intensiv ultratovush bilan ishlov berish va natijada yuzaga keladigan kavitatsiya kimyoviy reaksiyalarni boshlaydi va jadallashtiradi, hatto reaksiya yoʻllarini ham oʻzgartirishi mumkin.
Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish quvvati haqida tasavvur beradi:
| Partiya hajmi | Hajmiy oqim tezligi | Tavsiya etiladigan qurilmalar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | kattaroq | quyidagi qurilmalar klasteri: UIP16000 |
Biz bilan bogʻlaning! / Bizga savol bering!
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, tajriba-sanoat va sanoat miqyosida aralashtirish, dispersiyalash, emulsiyalash va ekstraksiya uchun yuqori unumdorlikdagi ultratovushli gomogenizatorlarni ishlab chiqaradi.
Ultratovush yordamida yaxshilangan kimyoviy reaksiyalar va anʼanaviy reaksiyalarni taqqoslash misollari
Quyidagi jadval bir nechta keng tarqalgan kimyoviy reaksiyalar haqida umumiy maʼlumot beradi. Har bir reaksiya turi uchun anʼanaviy usulda oʻtkazilgan reaksiya va ultratovush yordamida jadallashtirilgan reaksiya mahsulot chiqishi hamda konversiya tezligi boʻyicha taqqoslanadi.
| 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 kislotalari efirlarining epoksidlanishi | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Arilalkanlarning oksidlanishi | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Nitroalkanlarning bitta oʻrinbosarli α,β-toʻyinmagan efirlarga Michael qoʻshilishi | 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 birikish reaksiyasi | 2 h | 2h | 1,5% dan kam | 70,4% |
| Reformatsky reaksiyasi | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(qarang: Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Jarayonlarni jadallashtirish asoslari, birinchi nashr. 2019 yilda Wiley tomonidan nashr etilgan)
Adabiyotlar / Manbalar
- 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 yuqori unumdorlikdagi ultratovushli gomogenizatorlarni laboratoriya oʻlchamidan tortib sanoat oʻlchamigacha ishlab chiqaradi.