Sonokimyo va sonokimyoviy reaktorlar
Sonokimyo - bu kimyoviy reaktsiyalarni (sintez, kataliz, degradatsiya, polimerizatsiya, gidroliz va boshqalar) qo'zg'atish, tezlashtirish va o'zgartirish uchun yuqori intensivlikdagi ultratovushdan foydalaniladigan kimyo sohasi. Ultrasonik tarzda hosil bo'lgan kavitatsiya kimyoviy reaktsiyalarni rag'batlantiradigan va kuchaytiradigan noyob energiya zich sharoitlar bilan tavsiflanadi. Tezroq reaktsiya tezligi, yuqori rentabellik va yashil, yumshoq reagentlardan foydalanish yaxshilangan kimyoviy reaktsiyalarni olish uchun sonokimyoni juda foydali vositaga aylantiradi.
Sonokimyo
Sonokimyo - yuqori intensiv ultratovush (masalan, 20 kHz) qo'llanilishi tufayli molekulalar kimyoviy reaksiyaga kirishadigan tadqiqot va qayta ishlash sohasi. Sonokimyoviy reaktsiyalar uchun mas'ul bo'lgan hodisa akustik kavitatsiyadir. Akustik yoki ultratovushli kavitatsiya kuchli ultratovush to'lqinlari suyuqlik yoki atala bilan birlashganda paydo bo'ladi. Suyuqlikdagi kuchli ultratovush to'lqinlarining o'zgaruvchan yuqori bosim / past bosim davrlari tufayli vakuum pufakchalari (kavitatsion bo'shliqlar) hosil bo'lib, ular bir necha bosim davrlarida o'sadi. Kavitatsion vakuum pufakchasi ma'lum bir o'lchamga yetganda, u ko'proq energiyani o'zlashtira olmaydi, vakuum pufakchasi shiddat bilan portlaydi va energiya zichligi yuqori nuqta hosil qiladi. Bu mahalliy issiq nuqta juda yuqori haroratlar, bosimlar va juda tez suyuqlik oqimining mikro oqimi bilan tavsiflanadi.
Zanglamaydigan po'latdan yasalgan yopiq partiyali reaktor bilan jihozlangan ultrasonikator UIP2000hdT (2kVt, 20kHz).
Akustik kavitatsiya va yuqori intensiv ultratovush ta'siri
Ko'pincha ultratovushli kavitatsiya deb ataladigan akustik kavitatsiyani ikki shaklga, barqaror va vaqtinchalik kavitatsiyaga ajratish mumkin. Barqaror kavitatsiya paytida kavitatsiya pufakchasi muvozanat radiusi atrofida ko'p marta tebranadi, vaqtinchalik kavitatsiya paytida, bunda qisqa muddatli qabariq bir necha akustik tsikllarda keskin hajm o'zgarishiga duchor bo'ladi va kuchli qulash bilan tugaydi (Suslick 1988). Eritmada bir vaqtning o'zida barqaror va vaqtinchalik kavitatsiya paydo bo'lishi mumkin va barqaror kavitatsiyaga uchragan qabariq vaqtinchalik bo'shliqqa aylanishi mumkin. Vaqtinchalik kavitatsiya va yuqori intensiv sonikatsiya uchun xarakterli bo'lgan qabariq portlashi 5000-25 000 K gacha bo'lgan juda yuqori haroratlar, bir necha 1000 bargacha bo'lgan bosim va 1000 m / s gacha bo'lgan suyuqlik oqimlari kabi turli xil jismoniy sharoitlarni yaratadi. Kavitatsiya pufakchalarining qulashi / portlashi bir nanosekunddan kamroq vaqt ichida sodir bo'lganligi sababli, juda yuqori isitish va sovutish tezligi 10 dan oshadi.11 K/s ni kuzatish mumkin. Bunday yuqori isitish tezligi va bosim farqlari reaktsiyalarni boshlashi va tezlashtirishi mumkin. Voqea sodir bo'lgan suyuqlik oqimlariga kelsak, bu yuqori tezlikda ishlaydigan mikrojetlar, ayniqsa, heterojen qattiq-suyuq atalalarga kelganda yuqori foyda ko'rsatadi. Suyuq oqimlar qulab tushayotgan qabariqning to'liq harorati va bosimi bilan sirtga uriladi va zarrachalar to'qnashuvi, shuningdek, mahalliy erish orqali eroziyaga olib keladi. Natijada, eritmada sezilarli darajada yaxshilangan massa almashinuvi kuzatiladi.
Ultrasonik kavitatsiya eng samarali suyuqliklarda va past bug 'bosimidagi erituvchilarda hosil bo'ladi. Shuning uchun bug 'bosimi past bo'lgan vositalar sonokimyoviy ilovalar uchun qulaydir.
Ultrasonik kavitatsiya natijasida hosil bo'lgan kuchli kuchlar reaktsiyalar yo'llarini samaraliroq yo'nalishlarga o'zgartirishi mumkin, shuning uchun to'liq konversiya va/yoki kiruvchi qo'shimcha mahsulotlar ishlab chiqarilishining oldini oladi.
Kavitatsiya pufakchalarining qulashi natijasida hosil bo'lgan energiya zich bo'shliq issiq nuqta deb ataladi. 20 kHz diapazonda past chastotali, yuqori quvvatli ultratovush va yuqori amplitudalarni yaratish qobiliyati kuchli issiq nuqtalarni yaratish va qulay sonokimyoviy sharoitlar uchun yaxshi yaratilgan.
Ultrasonik laboratoriya uskunalari, shuningdek, tijorat sonokimyoviy jarayonlar uchun sanoat ultratovush reaktorlari osongina mavjud va laboratoriya, pilot va to'liq sanoat miqyosida ishonchli, samarali va ekologik toza ekanligi isbotlangan. Sonokimyoviy reaktsiyalar yopiq oqim hujayrali reaktor yordamida partiyaviy (ya'ni, ochiq idish) yoki in-line jarayon sifatida amalga oshirilishi mumkin.
sono-sintez
Sono-sintez yoki sonokimyoviy sintez kimyoviy reaktsiyalarni boshlash va rag'batlantirish uchun ultratovushli kavitatsiyani qo'llashdir. Yuqori quvvatli ultratovush (masalan, 20 kHz da) molekulalar va kimyoviy bog'lanishlarga kuchli ta'sir ko'rsatadi. Masalan, kuchli sonikatsiya natijasida yuzaga keladigan sonokimyoviy ta'sir molekulalarning bo'linishiga, erkin radikallarning paydo bo'lishiga va / yoki kimyoviy yo'llarning o'zgarishiga olib kelishi mumkin. Shuning uchun sonokimyoviy sintez nano-strukturali materiallarning keng assortimentini ishlab chiqarish yoki o'zgartirish uchun intensiv ravishda qo'llaniladi. Sono-sintez orqali ishlab chiqarilgan nanomateriallarga misollar nanozarralar (NP) (masalan, oltin NP, kumush NP), pigmentlar, yadro qobig'i nano-zarralari, nano-gidroksiapatit, metall organik ramkalar (MOFs), faol farmatsevtik ingredientlar (API), mikrosfera bilan bezatilgan nanozarralar, boshqa ko'plab materiallar qatorida nano-kompozitlar.
Misollar: Yog 'kislotasi metil efirlarining ultratovush transesterifikatsiyasi (biodizel) yoki ultratovush yordamida poliollarning transesterifikatsiyasi.
Optimal sharoitlarda sonokimyoviy sintez qilingan kumush nanozarrachalarning (Ag-NPs) TEM tasviri (A) va uning zarracha hajmi taqsimoti (B).
Ultratovushli kristallanish (sono-kristallanish) ham keng qo'llaniladi, bu erda ultratovushli ultratovush o'ta to'yingan eritmalarni ishlab chiqarish, kristallanish / yog'ingarchilikni boshlash va ultratovush jarayoni parametrlari orqali kristall hajmi va morfologiyasini nazorat qilish uchun ishlatiladi. Sono-kristallanish haqida ko'proq ma'lumot olish uchun shu yerni bosing!
sono-kataliz
Kimyoviy suspenziya yoki eritmaning sonikatsiyasi katalitik reaktsiyalarni sezilarli darajada yaxshilashi mumkin. Sonokimyoviy energiya reaktsiya vaqtini qisqartiradi, issiqlik va massa uzatishni yaxshilaydi, bu esa kimyoviy tezlik konstantalari, hosildorlik va selektivlikni oshiradi.
Kuchli ultratovush va uning sonokimyoviy ta'siridan sezilarli foyda keltiradigan ko'plab katalitik jarayonlar mavjud. Ikki yoki undan ortiq aralashmaydigan suyuqliklar yoki suyuqlik-qattiq kompozitsiyani o'z ichiga olgan har qanday heterojen fazali uzatish katalizi (PTC) reaktsiyasi sonikatsiya, sonokimyoviy energiya va yaxshilangan massa uzatishdan foyda oladi.
Masalan, suvda fenolning ovozsiz va ultratovush yordamida nam katalitik nam peroksid oksidlanishining qiyosiy tahlili shuni ko'rsatdiki, sonikatsiya reaktsiyaning energiya to'sig'ini kamaytirdi, ammo reaktsiya yo'liga hech qanday ta'sir ko'rsatmadi. Fenolning RuI ustidan oksidlanishi uchun aktivlanish energiyasi3 sonikatsiya paytida katalizator 13 kJ mol ekanligi aniqlandi-1, bu jim oksidlanish jarayoniga nisbatan to'rt baravar kichik edi (57 kJ mol-1). (Rokhina va boshqalar, 2010)
Sonokimyoviy kataliz kimyoviy mahsulotlarni ishlab chiqarish, shuningdek, metallar, qotishmalar, metall birikmalar, metall bo'lmagan materiallar va noorganik kompozitlar kabi mikron va nano-tuzilmali noorganik materiallarni ishlab chiqarishda muvaffaqiyatli qo'llaniladi. Ultratovushli PTC ning keng tarqalgan misollari - erkin yog 'kislotalarining metil esteriga (biodizelga) transesterifikatsiyasi, gidroliz, o'simlik moylarining sovunlanishi, sono-Fenton reaktsiyasi (Fentonga o'xshash jarayonlar), sonokatalitik degradatsiya va boshqalar.
Sono-kataliz va maxsus ilovalar haqida ko'proq o'qing!
Sonication azid-alkin siklo yuklanish reaksiyalari kabi klik kimyosini yaxshilaydi!
Boshqa sonokimyoviy ilovalar
Ularning ko'p qirrali ishlatilishi, ishonchliligi va oddiy ishlashi tufayli, sonokimyoviy tizimlar, masalan UP400St yoki UIP2000hdT kimyoviy reaksiyalar uchun samarali uskunalar sifatida baholanadi. Hielscher Ultrasonics sonokimyoviy qurilmalari ommaviy (ochiq stakan) va sonokimyoviy oqim xujayrasi yordamida doimiy inline sonication uchun osongina ishlatilishi mumkin. Sonokimyo, shu jumladan sono-sintez, sono-kataliz, degradatsiya yoki polimerizatsiya kimyo, nanotexnologiya, materialshunoslik, farmatsevtika, mikrobiologiya va boshqa sohalarda keng qo'llaniladi.
sanoat ultratovush apparati UIP2000hdT (2kVt) sonokimyoviy inline reaktor bilan.
Yuqori samarali Sonokimyoviy uskunalar
Hielscher Ultrasonics samarali va ishonchli sonokimyoviy reaktsiyalar uchun innovatsion, zamonaviy ultrasonikatorlar, sonokimyoviy oqim xujayralari, reaktorlar va aksessuarlarning eng yaxshi yetkazib beruvchisidir. Barcha Hielscher ultrasonikatorlari faqat Germaniyaning Teltow shahridagi (Berlin yaqinida) Hielscher Ultrasonics shtab-kvartirasida ishlab chiqilgan, ishlab chiqarilgan va sinovdan o'tgan. Yuqori texnik standartlar va ajoyib mustahkamlik va yuqori samarali ishlash uchun 24/7/365 ishlashi bilan bir qatorda, Hielscher ultrasonikatorlari oson va ishonchli ishlaydi. Yuqori samaradorlik, aqlli dasturiy ta'minot, intuitiv menyu, avtomatik ma'lumotlarni protokollash va brauzerni masofadan boshqarish Hielscher Ultrasonics-ni boshqa sonokimyoviy uskunalar ishlab chiqaruvchilardan ajratib turadigan bir nechta xususiyatlardir.
Aniq sozlanishi amplitudalar
Amplituda sonotrodning oldingi (uchida) siljishi (ultratovush prob yoki shox deb ham ataladi) va ultratovush kavitatsiyasining asosiy ta'sir etuvchi omilidir. Yuqori amplitudalar yanada kuchli kavitatsiyani anglatadi. Kavitatsiyaning talab qilinadigan intensivligi reaktsiya turiga, ishlatiladigan kimyoviy reagentlarga va aniq sonokimyoviy reaktsiyaning maqsadli natijalariga bog'liq. Bu shuni anglatadiki, akustik kavitatsiya intensivligini ideal darajaga moslashtirish uchun amplituda aniq sozlanishi kerak. Barcha Hielscher ultrasonikatorlari aqlli raqamli boshqaruv orqali ideal amplitudaga ishonchli va aniq sozlanishi mumkin. Booster shoxlari mexanik ravishda amplitudani kamaytirish yoki oshirish uchun qo'shimcha ravishda ishlatilishi mumkin. Ultratovush’ sanoat ultratovushli protsessorlar juda yuqori amplitudalarni etkazib berishi mumkin. 200 µm gacha bo'lgan amplitudalar 24/7 ishda osongina uzluksiz ishlashi mumkin. Bundan ham yuqori amplitudalar uchun moslashtirilgan ultratovushli sonotrodlar mavjud.
Sonokimyoviy reaktsiyalar paytida haroratni aniq nazorat qilish
Kavitatsiyaning issiq nuqtasida juda ko'p ming daraja Selsiy bo'yicha juda yuqori haroratlar kuzatilishi mumkin. Biroq, bu haddan tashqari haroratlar mahalliy darajada kichik ichki va portlovchi kavitatsiya pufakchasining atrofida cheklangan. Ommaviy eritmada bir yoki bir nechta kavitatsiya pufakchalarining portlashi natijasida harorat ko'tarilishi ahamiyatsiz. Ammo uzoq vaqt davomida doimiy, intensiv sonikatsiya suyuqlik haroratining asta-sekin oshishiga olib kelishi mumkin. Haroratning bunday ko'tarilishi ko'plab kimyoviy reaktsiyalarga yordam beradi va ko'pincha foydali deb hisoblanadi. Biroq, turli xil kimyoviy reaktsiyalar har xil optimal reaktsiya haroratiga ega. Issiqlikka sezgir materiallarga ishlov berilganda, haroratni nazorat qilish kerak bo'lishi mumkin. Sonokimyoviy jarayonlar davomida ideal termal sharoitlarni ta'minlash uchun Hielscher Ultrasonics, sovutish ko'ylagi bilan jihozlangan sonokimyoviy reaktorlar va oqim xujayralari kabi sonokimyoviy jarayonlarda haroratni aniq nazorat qilish uchun turli xil murakkab echimlarni taklif qiladi.
Bizning sonokimyoviy oqim hujayralari va reaktorlarimiz samarali issiqlik tarqalishini qo'llab-quvvatlaydigan sovutish ko'ylagi bilan mavjud. Haroratni doimiy monitoring qilish uchun Hielscher ultrasonikatorlari sig'imli harorat sensori bilan jihozlangan bo'lib, u suyuqlikka doimiy haroratni o'lchash uchun kiritilishi mumkin. Murakkab dasturiy ta'minot harorat oralig'ini sozlash imkonini beradi. Harorat chegarasi oshib ketganda, ultrasonikator suyuqlikdagi harorat ma'lum bir belgilangan nuqtaga tushgunga qadar avtomatik ravishda to'xtatiladi va avtomatik ravishda yana sonikalashni boshlaydi. Barcha harorat o'lchovlari va boshqa muhim ultratovush jarayoni ma'lumotlari avtomatik ravishda o'rnatilgan SD-kartaga yozib olinadi va jarayonni boshqarish uchun osongina qayta ko'rib chiqilishi mumkin.
Harorat sonokimyoviy jarayonlarning hal qiluvchi parametridir. Hielscherning ishlab chiqilgan texnologiyasi sizning sonokimyoviy dasturingiz haroratini ideal harorat oralig'ida saqlashga yordam beradi.
- yuqori samaradorlik
- eng zamonaviy texnologiya
- oson va xavfsiz ishlash
- ishonchlilik & mustahkamlik
- partiya & mos ravishda
- har qanday hajm uchun
- aqlli dasturiy ta'minot
- aqlli xususiyatlar (masalan, ma'lumotlarni protokollash)
- CIP (joyida toza)
Sonokimyoviy reaktor: Kuchli sonikatsiya va natijada paydo bo'ladigan kavitatsiya kimyoviy reaktsiyalarni boshlaydi va kuchaytiradi va hatto yo'llarni o'zgartirishi mumkin.
Quyidagi jadvalda ultrasonikatorlarimizning taxminiy qayta ishlash quvvati ko'rsatilgan:
| To'plam hajmi | Oqim darajasi | Tavsiya etilgan qurilmalar |
|---|---|---|
| 1 dan 500 ml gacha | 10 dan 200 ml / min | UP100H |
| 10 dan 2000 ml gacha | 20 dan 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 dan 20 L gacha | 0.2 dan 4L/min gacha | UIP2000hdT |
| 10 dan 100 l gacha | 2 dan 10 l / min | UIP4000hdT |
| na | 10 dan 100 l / min | UIP16000 |
| na | kattaroq | ning klasteri UIP16000 |
Biz bilan bog'lanish! / Bizdan so'rang!
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, uchuvchi va sanoat miqyosida ilovalar, dispersiya, emulsifikatsiya va ekstraktsiyani aralashtirish uchun yuqori samarali ultratovushli homogenizatorlarni ishlab chiqaradi.
Ultrasonik takomillashtirilgan kimyoviy reaktsiyaga va an'anaviy reaktsiyalarga misollar
Quyidagi jadvalda bir nechta umumiy kimyoviy reaktsiyalar haqida umumiy ma'lumot berilgan. Har bir reaksiya turi uchun rentabellik va konversiya tezligi bo'yicha an'anaviy bajariladigan reaktsiya va ultratovush bilan kuchaygan reaktsiya taqqoslanadi.
| reaktsiya | Reaktsiya vaqti – An'anaviy | Reaktsiya vaqti – ultratovush | Yo'l bering – An'anaviy (%) | Yo'l bering – Ultratovush (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder siklizatsiyasi | 35 soat | 3,5 soat | 77.9 | 97.3 |
| Indanning indan-1-ongacha oksidlanishi | 3 soat | 3 soat | 27% dan kam | 73% |
| Metoksiaminosilanning kamayishi | reaktsiya yo'q | 3 soat | 0% | 100% |
| Uzoq zanjirli to'yinmagan yog'li efirlarning epoksidlanishi | 2 soat | 15 min | 48% | 92% |
| Arilalkanlarning oksidlanishi | 4 soat | 4 soat | 12% | 80% |
| Maykl nitroalkanlarning monosubstitusiyalangan a,b-to'yinmagan efirlarga qo'shilishi | 2 kun | 2 soat | 85% | 90% |
| 2-oktanolning permanganat oksidlanishi | 5 soat | 5 soat | 3% | 93% |
| Xalkonlarning CLaisen-Shmidt kondensatsiyasi bilan sintezi | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| 2-iyodonitrobenzolning UIllmann birikmasi | 2 soat | 2H | kamroq sarg'ish 1,5% | 70,4% |
| Reformatskiy reaktsiyasi | 12 soat | 30 min | 50% | 98% |
(Anjey Stankievich, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Jarayonni kuchaytirish asoslari, Birinchi nashr. 2019 yilda Wiley tomonidan nashr etilgan)
Adabiyot / Adabiyotlar
- 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 kompaniyasi yuqori samarali ultratovushli homogenizatorlarni ishlab chiqaradi laboratoriya uchun sanoat hajmi.