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 polyurethan, chất bôi trơn sinh học và các loại gốm khác. Ultrasonication được sử dụng để tăng cường phản ứng transesterification bằng cách áp dụng lực cắt mạnh 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 transester hóa, năng suất và hiệu quả tổng thể.

Transesterification hỗ trợ siêu âm

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. Tổng hợp Sono (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 bằng siêu âm

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

Tổng hợp siêu âm của một chất bôi trơn sinh học dựa trên pentaerythritol ester

Pentaerythritol ester có thể được tổng hợp hiệu quả từ dầu hạt cải thông qua quy 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 máy siêu âm Hielscher UP400St (xem hình bên trái). Trong quá trình transester hóa học được thúc đẩy sonochemical đầu tiên, dầu hạt cải được phản ứng với metanol thành methyl ester. Trong bước transester hóa thứ hai, methyl ester 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% trọng lượng và nhiệt độ phản ứng 100 °C. Để kiểm soát chất lượng, este pentaerythritol tổng hợp sonochemical được so sánh với dầu máy nén tổng hợp. Tóm lại, nghiên cứu cho thấy rằng quá trình transesterification liên tiếp được thúc đẩy siêu âm là một phương pháp hiệu quả để thay thế quá trình transester hóa kế tiếp thông thường để tổng hợp chất bôi trơn sinh học dựa trên este pentaerythritol. Những ưu điểm chính của quá trình transester 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 ester pentaerythritol.
(chuyển thể từ Arumugam et al., 2019)

Este acetal có nguồn gốc từ Pentanal 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 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 sulfuric (H2SO4), bentonite tự nhiên và H-bentonite, đã được sử dụng để xác định ảnh hưởng và hiệu quả của các chất xúc tác khác nhau. Nó đã được tìm thấy rằng este hóa sonochemical của axit xúc tác bởi H-bentonite đã cho sản phẩm với năng suất lên tới 70% trong thời gian phản ứng ngắn hơn 3 lần so với phương pháp trào ngược, điều này rất đáng chú ý. Bước acetalization cuối cùng với n-pentanal trong sự hiện diện của H-bentonite sử dụng ultrasonication cung cấp ba dẫn xuất dioxolane pentanal có nguồn gốc trong năng suất 69-85%, cao hơn so với phương pháp thông thường. Phương pháp trào ngược đòi hỏi thời gian phản ứng lâu hơn phương pháp sonochemical vì tổng hợp siêu âm chỉ cần 10-30 phút. Ngoài thời gian phản ứng ngắn hơn đáng kể dưới sonication, một năng suất đáng chú ý của mỗi ester đã thu được bằng 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 chất bôi trơn sinh học mới tiềm năng với các chức năng thay thế 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 dựa trên sinh học thông qua 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 được chuyển đổi thành các este methyl tương ứng. Trong quá trình thứ hai, các este methyl được chuyển đổi thành este pentaerythryl do tác dụng của pentaerythritol như thể hiện trong sơ đồ sau: (cf. Hashem et al., 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 thể hiện trong sơ đồ trên.
(xem Hashem và cộng sự, 2013)

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

Đầu dò siêu âm và lò phản ứng để 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 đầu dò (sonotrodes), lò phản ứng, và tế bào dòng chảy ở bất kỳ kích thước và cung cấp cho 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 tốt 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 độ mạnh rất cao và có khả năng cung cấp sóng siêu âm cường độ cao 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 nhiệt độ cao hoặc hóa chất rất khắc nghiệt cũng có sẵn.
Chất lượng cao nhất – 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 cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: