Phản ứng và tổng hợp Sonochemical
Sonochemistry là ứng dụng của siêu âm vào các phản ứng và quá trình hóa học. Cơ chế gây ra hiệu ứng siêu âm trong chất lỏng là hiện tượng xâm thực âm thanh.
Phòng thí nghiệm siêu âm Hielscher và các thiết bị công nghiệp được sử dụng trong một loạt các quy trình siêu âm. Siêu âm xâm thực tăng cường và tăng tốc các phản ứng hóa học như tổng hợp và xúc tác.
Phản ứng sonochemical
Các hiệu ứng sonochemical sau đây có thể được quan sát thấy trong các phản ứng và quá trình hóa học:
- tăng tốc độ phản ứng
- tăng sản lượng phản ứng
- Sử dụng năng lượng hiệu quả hơn
- Phương pháp siêu âm hóa để chuyển đổi con đường phản ứng
- Cải thiện hiệu suất của chất xúc tác truyền pha
- tránh chất xúc tác truyền pha
- sử dụng thuốc thử thô hoặc thuốc thử kỹ thuật
- hoạt hóa kim loại và chất rắn
- tăng phản ứng của thuốc thử hoặc chất xúc tác (Bấm vào đây để đọc thêm về xúc tác hỗ trợ siêu âm)
- cải thiện tổng hợp hạt
- lớp phủ của các hạt nano
7 máy đồng nhất siêu âm của mô hình UIP1000hdT (công suất siêu âm 7x 1kW) được lắp đặt làm cụm cho các phản ứng sonchemical ở quy mô công nghiệp.
Ưu điểm của phản ứng hóa học tăng cường siêu âm
Phản ứng hóa học được thúc đẩy bằng sóng siêu âm là một kỹ thuật tăng cường quá trình đã được thiết lập trong lĩnh vực tổng hợp và xử lý hóa học. Bằng cách khai thác sức mạnh của sóng siêu âm, những phản ứng này mang lại nhiều lợi thế so với các phương pháp thông thường, cải thiện xúc tác hóa học và tổng hợp. Tốc độ chuyển đổi nhanh chóng, năng suất tuyệt vời, tăng cường chọn lọc, cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm tác động môi trường là những ưu điểm chính của phản ứng siêu âm.
Thổi bàn cho thấy một số ưu điểm nổi bật của phản ứng siêu âm so với các phản ứng hóa học thông thường:
| phản ứng | Thời gian phản ứng Thường |
Thời gian phản ứng siêu âm |
sản xuất Thông thường (%) |
sản xuất Siêu âm (%) |
|---|---|---|---|---|
| Chu kỳ hóa Diels-Alder | 35 giờ | 3,5 giờ | 77.9 | 97.3 |
| Quá trình oxy hóa indane thành indane-1-one | 3 giờ | 3 giờ | dưới 27% | 73% |
| Giảm methoxyaminosilane | Không có phản ứng | 3 giờ | 0% | 100% |
| Epoxy hóa các este béo không bão hòa chuỗi dài | 2 giờ | 15 phút | 48% | 92% |
| Quá trình oxy hóa arylalkanes | 4 giờ | 4 giờ | 12% | 80% |
| Michael bổ sung nitroalkan vào các este không bão hòa α,β thay thế đơn | 2 ngày | 2 giờ | 85% | 90% |
| Quá trình oxy hóa thuốc tím của 2-octanol | 5 giờ | 5 giờ | 3% | 93% |
| Tổng hợp chalcone bằng cách ngưng tụ CLaisen-Schmidt | 60 phút | 10 phút | 5% | 76% |
| Khớp nối UIllmann của 2-iodonitrobenzen | 2 giờ | 2h | ít rám nắng hơn 1,5% | 70.4% |
| Phản ứng Reformatsky | 12 giờ | 30 phút | 50% | 98% |
Cavitation siêu âm trong chất lỏng
Cavitation, đó là sự hình thành, tăng trưởng và sụp đổ của bong bóng trong chất lỏng. Sự sụp đổ hang tạo ra nhiệt độ cục bộ mạnh (~ 5000 K), áp suất cao (~ 1000 atm) và tốc độ làm nóng và làm mát khổng lồ (>109 K / giây) và dòng phản lực lỏng (~ 400 km / h). (Suslick 1998)
Cavitation bằng cách sử dụng UIP1000hd:
Bong bóng xâm thực là bong bóng chân không. Chân không được tạo ra bởi một bề mặt chuyển động nhanh ở một bên và chất lỏng trơ ở bên kia. Sự khác biệt áp suất kết quả giúp khắc phục lực kết dính và kết dính trong chất lỏng.
Cavitation có thể được tạo ra theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như vòi phun Venturi, vòi phun áp suất cao, quay vận tốc cao hoặc đầu dò siêu âm. Trong tất cả các hệ thống đó, năng lượng đầu vào được chuyển đổi thành ma sát, nhiễu loạn, sóng và xâm thực. Phần năng lượng đầu vào được chuyển đổi thành xâm thực phụ thuộc vào một số yếu tố mô tả chuyển động của thiết bị tạo xâm thực trong chất lỏng.
Cường độ gia tốc là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự biến đổi hiệu quả của năng lượng thành xâm thực. Gia tốc cao hơn tạo ra chênh lệch áp suất cao hơn. Điều này làm tăng xác suất tạo ra bong bóng chân không thay vì tạo ra sóng lan truyền qua chất lỏng. Do đó, gia tốc càng cao thì phần năng lượng được chuyển đổi thành xâm thực càng cao. Trong trường hợp đầu dò siêu âm, cường độ gia tốc được mô tả bằng biên độ dao động.
Biên độ cao hơn dẫn đến việc tạo ra sự xâm thực hiệu quả hơn. Các thiết bị công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể tạo ra biên độ lên đến 115 μm. Những biên độ cao này cho phép tỷ lệ truyền công suất cao, từ đó cho phép tạo ra mật độ công suất cao lên đến 100 W / cm³.
Ngoài cường độ, chất lỏng phải được gia tốc theo cách để tạo ra tổn thất tối thiểu về nhiễu loạn, ma sát và tạo sóng. Đối với điều này, cách tối ưu là hướng di chuyển đơn phương.
Lò phản ứng siêu âm với công suất 16.000 watt để tăng cường quá trình chuyển hóa nội tuyến về mặt siêu âm.
- Chuẩn bị kim loại hoạt tính bằng cách khử muối kim loại
- tạo ra kim loại hoạt tính bằng cách siêu âm
- tổng hợp sonochemical của các hạt bằng cách kết tủa các oxit kim loại (Fe, Cr, Mn, Co), ví dụ để sử dụng làm chất xúc tác
- ngâm tẩm kim loại hoặc halogen kim loại trên giá đỡ
- Chuẩn bị dung dịch kim loại hoạt tính
- Phản ứng liên quan đến kim loại thông qua các loài nguyên tố hữu cơ được tạo ra tại chỗ
- Phản ứng liên quan đến chất rắn phi kim loại
- kết tinh và kết tủa kim loại, hợp kim, zeolithes và các chất rắn khác
- Sửa đổi hình thái bề mặt và kích thước hạt do va chạm giữa các hạt tốc độ cao
- Sự hình thành các vật liệu cấu trúc nano vô định hình, bao gồm kim loại chuyển tiếp diện tích bề mặt cao, hợp kim, cacbua, oxit và keo
- Sự kết tụ của tinh thể
- Làm mịn và loại bỏ lớp phủ oxit thụ động
- vi thao tác (phân đoạn) các hạt nhỏ
- Phân tán chất rắn
- chuẩn bị chất keo (Ag, Au, CdS cỡ Q)
- xen kẽ các phân tử khách thành chất rắn lớp vô cơ vật chủ
- Siêu âm hóa của polyme
- Phân hủy và biến đổi polyme
- tổng hợp polyme
- Siêu âm các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước
Thiết bị sonochemical
Hầu hết các quy trình siêu âm được đề cập có thể được trang bị thêm để hoạt động nội tuyến. Chúng tôi sẽ sẵn lòng hỗ trợ bạn trong việc lựa chọn thiết bị sonochemical cho nhu cầu xử lý của bạn. Đối với nghiên cứu và thử nghiệm các quy trình, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng các thiết bị phòng thí nghiệm của chúng tôi hoặc Bộ UIP1000hdT.
Nếu được yêu cầu, các thiết bị và lò phản ứng siêu âm được chứng nhận FM và ATEX (ví dụ: UIP1000-Exd) có sẵn để siêu âm hóa chất dễ cháy và công thức sản phẩm trong môi trường nguy hiểm.
Cavitation siêu âm thay đổi phản ứng mở vòng
Siêu âm là một cơ chế thay thế cho nhiệt, áp suất, ánh sáng hoặc điện để bắt đầu các phản ứng hóa học. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth, và nhóm của họ tại Khoa Hóa học tại Đại học Illinois tại Urbana-Champaign sử dụng năng lượng siêu âm để kích hoạt và điều khiển các phản ứng mở vòng. Trong quá trình siêu âm, các phản ứng hóa học tạo ra các sản phẩm khác với các sản phẩm được dự đoán bởi các quy tắc đối xứng quỹ đạo (Nature 2007, 446, 423). Nhóm đã liên kết các đồng phân benzocyclobutene 1,2-disubstituted nhạy cảm cơ học với hai chuỗi polyethylene glycol, áp dụng năng lượng siêu âm và phân tích các dung dịch số lượng lớn bằng cách sử dụng C13 quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Quang phổ cho thấy cả đồng phân cis và trans đồng phân đều cung cấp cùng một sản phẩm mở vòng, sản phẩm được mong đợi từ đồng phân trans. Trong khi nhiệt năng gây ra chuyển động Brown ngẫu nhiên của các chất phản ứng, năng lượng cơ học của siêu âm cung cấp một hướng cho chuyển động nguyên tử. Do đó, hiệu ứng xâm thực hướng năng lượng một cách hiệu quả bằng cách căng phân tử, định hình lại bề mặt thế năng.
Máy siêu âm kiểu đầu dò như UP400ST tăng cường tổng hợp các hạt nano. Lộ trình sonochemical đơn giản, hiệu quả, nhanh chóng và hoạt động với các hóa chất không độc hại trong điều kiện nhẹ.
Máy siêu âm hiệu suất cao cho Sonochemistry
Hielscher Ultrasonics cung cấp bộ xử lý siêu âm cho phòng thí nghiệm và công nghiệp. Tất cả các máy siêu âm Hielscher đều là máy siêu âm rất mạnh mẽ và mạnh mẽ và được chế tạo để hoạt động liên tục 24/7 khi đầy tải. Điều khiển kỹ thuật số, cài đặt có thể lập trình, giám sát nhiệt độ, giao thức dữ liệu tự động và điều khiển trình duyệt từ xa chỉ là một vài tính năng của máy siêu âm Hielscher. Được thiết kế cho hiệu suất cao và vận hành thoải mái, người dùng đánh giá cao việc xử lý an toàn và dễ dàng của thiết bị Hielscher Ultrasonics. Bộ xử lý siêu âm công nghiệp Hielscher cung cấp biên độ lên đến 200μm và lý tưởng cho các ứng dụng nặng. Đối với biên độ cao hơn nữa, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn.
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:
| Khối lượng hàng loạt | Tốc độ dòng chảy | Thiết bị được đề xuất |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200ml / phút | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400ml / phút | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1 đến 20L | 0.2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000hdt |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000 |
| N.A. | Lớn | Cụm UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi chúng tôi!
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ tương hóa và khai thác trên phòng thí nghiệm, thí điểm và quy mô công nghiệp.
Văn học / Tài liệu tham khảo
- 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 sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.