Tổng hợp polyol thông qua transesterification siêu âm

Polyol là este tổng hợp được sản xuất chủ yếu thông qua quá trình transester hóa triglyceride từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Những polyol này là nguyên liệu thô để sản xuất polyurethans, biolubricants và các chất cemicals khác. Ultrasonication được sử dụng để tăng cường phản ứng transesterification bằng cách áp dụng lực cắt cường độ cao và năng lượng nhiệt. Siêu âm và các hiệu ứng sonochemical của nó cung cấp năng lượng phản ứng và giúp khắc phục các hạn chế chuyển khối lượng. Qua đó, sonication cải thiện đáng kể tốc độ transesterification, năng suất, và hiệu quả tổng thể.

Siêu âm hỗ trợ transesterification

Phản ứng transester hóa là một trong những con đường tổng hợp quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi như một kỹ thuật hiệu quả để chuyển đổi dầu thực vật thành các sản phẩm thay thế dầu mỏ. Sono-synthesis (cũng là tổng hợp sonochemical, là tổng hợp hóa học được thúc đẩy thông qua siêu âm hiệu suất cao), nổi tiếng với tác dụng có lợi của nó đối với transester hóa cũng như các quá trình hóa học khác.

Tổng hợp Polyol bền vững từ dầu thực vật sử dụng siêu âm

Các axit béo có nguồn gốc thực vật, tức là dầu thực vật, là một nguyên liệu thô có sẵn và có thể tái tạo rộng rãi và có thể được sử dụng để điều chế polyol và polyurethanes có cơ sở sinh học. Việc áp dụng siêu âm điện tạo ra các hiệu ứng hóa học thuận lợi, làm tăng đáng kể phản ứng xúc tác của transesterification. Ngoài ra, sonication tăng cường năng suất của polyol tổng hợp khi năng lượng trộn mạnh mẽ của cavitation âm thanh vượt qua giới hạn chuyển khối lượng. Phản ứng transesterification siêu âm được biết đến để chạy hiệu quả với rượu thấp hơn và chất xúc tác như phản ứng transesterification thông thường. Điều này dẫn đến một cải thiện hiệu quả tổng thể bằng cách ultrasonication.

Siêu âm tổng hợp của một Pentaerythritol Ester dựa trên Biolubricant

Pentaerythritol ester có thể được tổng hợp hiệu quả từ dầu hạt cải dầu thông qua quá trình sonochemical hai bước như đã được chứng minh bởi nhóm nghiên cứu của Arumugam. Trong nghiên cứu tối ưu hóa của họ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng ultrasonicator Hielscher UP400St (xem hình bên trái). Trong quá trình transester hóa được thúc đẩy hóa học đầu tiên, dầu hạt cải dầu được phản ứng với methanol với methyl ester. Trong bước transester hóa thứ hai, este methyl phản ứng với xylene và chất xúc tác với este pentaerythritol. Các nhà nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số quá trình siêu âm để nâng cao năng suất và hiệu quả tổng thể của tổng hợp este pentaerythritol dưới siêu âm. Cải thiện năng suất 81,4% este pentaerythritol đã được thực hiện với xung siêu âm 15 giây, biên độ siêu âm 60%, nồng độ chất xúc tác 1,5% và nhiệt độ phản ứng 100 °C. Để kiểm soát chất lượng, este pentaerythritol tổng hợp hóa học được so sánh với dầu máy nén tổng hợp. Trong kết luận, nghiên cứu cho thấy rằng ultrasonically thúc đẩy quá trình transesterification liên tiếp là một phương pháp hiệu quả để thay thế quá trình transesterification liên tiếp thông thường cho việc tổng hợp pentaerythritol ester dựa trên biolubricant. Những lợi thế chính của quá trình transester hóa siêu âm là tăng năng suất của este pentaerythritol, thời gian phản ứng rút ngắn và nhiệt độ phản ứng thấp hơn đáng kể. (xem Arumugam và cộng sự, 2019)

Ultrasonically tăng cường transesterification hai giai đoạn của dầu hạt cải dầu để pentaerythritol ester.
(phỏng theo Arumugam và cộng sự, 2019)

Pentanal-Derived Acetal Esters thông qua tổng hợp siêu âm

Nhóm nghiên cứu của Kurniawan đã tổng hợp ba este acetal có nguồn gốc từ pentanal thông qua phương pháp sonochemical sử dụng các nguyên tắc của hóa học xanh. Sonication đã được sử dụng để thúc đẩy hai bước hóa học:

1. Este hóa axit 9,10-dihydroxyoctadecanoic
2. Acetalyzation của alkyl 9,10-dihydroxyoctadecanoate

Để sản xuất este của alkyl 9,10- dihydroxystearate, cần có hai bước và thu được năng suất 67-85%. Để đánh giá hiệu quả, phương pháp sonochemical được so sánh với kỹ thuật trào ngược thông thường. Hơn nữa, các chất xúc tác axit đồng nhất và rắn, cụ thể là axit sunfuric (H2SO4), bentonit tự nhiên và H-bentonite, đã được sử dụng để xác định ảnh hưởng và hiệu quả của các chất xúc tác khác nhau. Người ta thấy rằng este hóa học sonochemical của axit được xúc tác bởi H-bentonite đã cho các sản phẩm mang lại năng suất lên tới 70% trong thời gian phản ứng ngắn hơn 3 lần so với phương pháp trào ngược, điều đáng chú ý. Bước acetalization cuối cùng với n-pentanal trong sự hiện diện của H-bentonite bằng cách sử dụng ultrasonication đủ khả năng ba dẫn xuất dioxolane có nguồn gốc pentanal trong 69 năng suất 85%, cao hơn so với phương pháp thông thường. Phương pháp trào ngược đòi hỏi thời gian phản ứng lâu hơn sonochemical vì tổng hợp siêu âm chỉ cần 10-30 phút. Ngoài ra với thời gian phản ứng ngắn hơn đáng kể dưới sonication, một năng suất đáng chú ý của mỗi este đã thu được bằng cách sử dụng phương pháp sonochemical.
Nhà nghiên cứu cũng tính toán rằng nhu cầu năng lượng của phản ứng sonochemical thấp hơn khoảng 62 lần so với phương pháp thông thường. Điều này làm giảm chi phí và thân thiện với môi trường.
Kiểm tra các tính chất hóa lý của từng sản phẩm cho thấy methyl 8- (2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl) octanoate là một biolubricant mới tiềm năng với các chức năng để thay thế các chất bôi trơn thông thường. (xem Kurniawan và cộng sự, 2021)

Transesterification của Pentaerythryl Esters bằng siêu âm

Este Pentaerythryl có thể được lấy từ các loại dầu thực vật như hướng dương, hạt lanh và dầu jatropha. Nhóm nghiên cứu của Hashem đã chứng minh sự tổng hợp các chất bôi trơn có cơ sở sinh học thông qua một quá trình transester hóa xúc tác bazơ liên tiếp liên quan đến hai bước transester hóa. Họ đã chứng minh tính khả thi của quá trình tổng hợp bằng cách sử dụng dầu hướng dương, hạt lanh và dầu jatropha. Trong bước đầu tiên, các loại dầu đã được chuyển đổi thành các este methyl tương ứng. Trong quá trình thứ hai, các este methyl đã được chuyển đổi thành este pentaerythryl bởi tác dụng của pentaerythritol như thể hiện trong sơ đồ sau: (xem Hashem và cộng sự, 2013)

Sau khi transester hóa dầu thực vật thành methyl ester, este methyl được chuyển đổi thành este pentaerythryl bằng tác dụng của pentaerythritol như trong sơ đồ trên.
(xem Hashem và cộng sự, 2013)

Các hiệu ứng tăng cường phản ứng đáng kể của ultrasonication trên transesterification đã được khoa học chứng minh và đã có từ nhiều thập kỷ công nghiệp thông qua. Ví dụ nổi bật nhất cho ultrasonically cải thiện tranesterification là sự chuyển đổi của các loại dầu và chất béo thành axit béo methyl ester (FAME), được gọi là diesel sinh học.
Đọc thêm về siêu âm hỗ trợ transesterification của dầu (chất thải) và chất béo vào dầu diesel sinh học!

Đầu dò siêu âm và lò phản ứng cho Transesterification và tổng hợp hóa học khác

Hielscher Ultrasonics là chuyên gia của bạn khi nói đến ultrasonicators hiệu suất cao tinh vi cho các phản ứng sonochemical. Hielscher thiết kế, sản xuất, và phân phối ultrasonicators công suất cao và các phụ kiện như thăm dò (sonotrodes), lò phản ứng, và các tế bào dòng chảy ở bất kỳ kích thước nào và cung cấp các phòng thí nghiệm hóa học cũng như các cơ sở sản xuất hóa chất ở quy mô công nghiệp. Từ các thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến đầu dò siêu âm công nghiệp và lò phản ứng, Hielscher có hệ thống siêu âm lý tưởng cho quá trình của bạn. Với kinh nghiệm lâu năm trong các ứng dụng như xúc tác sono và tổng hợp sono, đội ngũ nhân viên được đào tạo bài bản của chúng tôi sẽ giới thiệu cho bạn thiết lập phù hợp nhất với yêu cầu của bạn.
Hielscher Ultrasonics sản xuất hệ thống siêu âm hiệu suất cao của sự mạnh mẽ rất cao và có khả năng cung cấp sóng siêu âm dữ dội kể từ khi tất cả các ultrasonicators công nghiệp Hielscher có thể cung cấp biên độ rất cao trong hoạt động liên tục (24/7). Các hệ thống siêu âm mạnh mẽ hầu như không cần bảo trì và được xây dựng để chạy. Điều này làm cho thiết bị siêu âm Hielscher đáng tin cậy cho các ứng dụng nặng trong điều kiện đòi hỏi khắt khe. Sonotrodes đặc biệt cho hóa chất nhiệt độ cao hoặc rất khắc nghiệt cũng có sẵn.
Chất lượng cao nhất – Được thiết kế và sản xuất tại Đức: Tất cả các thiết bị được thiết kế và sản xuất tại trụ sở chính của chúng tôi ở Đức. Trước khi giao hàng cho khách hàng, mọi thiết bị siêu âm đều được kiểm tra cẩn thận dưới tải đầy đủ. Chúng tôi phấn đấu cho sự hài lòng của khách hàng và sản xuất của chúng tôi được cấu trúc để đáp ứng đảm bảo chất lượng cao nhất (ví dụ: chứng nhận ISO).

Bảng dưới đây cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm: