Phản ứng và tổng hợp hóa siêu âm
Hóa siêu âm là việc ứng dụng siêu âm vào các phản ứng và quá trình hóa học. Cơ chế gây ra các hiệu ứng hóa siêu âm trong chất lỏng là hiện tượng xâm thực âm.
Các thiết bị siêu âm dùng trong phòng thí nghiệm và công nghiệp của Hielscher được sử dụng trong nhiều quá trình hóa siêu âm. Hiện tượng xâm thực siêu âm tăng cường và đẩy nhanh các phản ứng hóa học như tổng hợp và xúc tác.
Phản ứng hóa siêu âm
Có thể quan sát thấy các hiệu ứng hóa siêu âm sau đây trong các phản ứng và quá trình hóa học:
- tăng tốc độ phản ứng
- tăng lượng sản phẩm phản ứng
- sử dụng năng lượng hiệu quả hơn
- các phương pháp hóa siêu âm để chuyển đổi con đường phản ứng
- cải thiện hiệu quả của chất xúc tác chuyển pha
- tránh sử dụng chất xúc tác chuyển pha
- sử dụng thuốc thử thô hoặc cấp kỹ thuật
- hoạt hóa kim loại và chất rắn
- tăng khả năng phản ứng của thuốc thử hoặc chất xúc tác (nhấp vào đây để đọc thêm về xúc tác có hỗ trợ siêu âm)
- cải thiện quá trình tổng hợp hạt
- phủ các hạt nano
7 máy đồng nhất siêu âm thuộc model UIP1000hdT (công suất siêu âm 7x 1kW) được lắp đặt thành cụm để thực hiện các phản ứng hóa siêu âm ở quy mô công nghiệp.
Ưu điểm của các phản ứng hóa học được tăng cường bằng siêu âm
Các phản ứng hóa học được thúc đẩy bằng siêu âm là một kỹ thuật tăng cường quá trình đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tổng hợp và xử lý hóa học. Bằng cách khai thác sức mạnh của sóng siêu âm, các phản ứng này mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp thông thường, cải thiện quá trình xúc tác và tổng hợp hóa học. Tốc độ chuyển hóa cực nhanh, hiệu suất thu sản phẩm xuất sắc, độ chọn lọc cao hơn, hiệu quả sử dụng năng lượng được cải thiện và tác động môi trường giảm là những ưu điểm chính của các phản ứng hóa siêu âm.
Bảng dưới đây trình bày một số ưu điểm nổi bật của phản ứng được thúc đẩy bằng siêu âm so với các phản ứng hóa học thông thường:
| Phản ứng | Thời gian phản ứng Phương pháp thông thường |
Thời gian phản ứng Siêu âm |
Hiệu suất thu sản phẩm Phương pháp thông thường (%) |
Hiệu suất thu sản phẩm Siêu âm (%) |
|---|---|---|---|---|
| Phản ứng đóng vòng Diels-Alder | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oxy hóa indane thành indane-1-one | 3 h | 3 h | dưới 27% | 73% |
| Khử methoxyaminosilane | không xảy ra phản ứng | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxy hóa các este axit béo không no mạch dài | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxy hóa arylalkane | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Phản ứng cộng Michael của nitroalkane vào các este α,β-không no có một nhóm thế | 2 ngày | 2 h | 85% | 90% |
| Oxy hóa 2-octanol bằng permanganat | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Tổng hợp chalcone bằng phản ứng ngưng tụ CLaisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Phản ứng ghép cặp UIllmann của 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2h | dưới 1,5% | 70,4% |
| Phản ứng Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Hiện tượng xâm thực siêu âm trong chất lỏng
Xâm thực là sự hình thành, phát triển và sụp đổ hướng vào trong của các bong bóng trong chất lỏng. Sự sụp đổ của bong bóng xâm thực tạo ra sự gia nhiệt cục bộ mạnh (~5000 K), áp suất cao (~1000 atm), tốc độ gia nhiệt và làm nguội cực lớn (>10⁹ K/sec) cùng các tia chất lỏng (~400 km/h). (Suslick 1998)
Tạo hiện tượng xâm thực bằng UIP1000hd:
Các bọt xâm thực là các bọt chân không. Chân không được tạo ra bởi một bên là bề mặt chuyển động nhanh và bên kia là chất lỏng trơ. Chênh lệch áp suất tạo ra giúp thắng các lực liên kết nội và lực bám dính trong chất lỏng.
Có thể tạo ra hiện tượng xâm thực bằng nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như vòi phun Venturi, vòi phun áp suất cao, chuyển động quay tốc độ cao hoặc bộ chuyển đổi siêu âm. Trong tất cả các hệ thống này, năng lượng đầu vào được chuyển hóa thành ma sát, dòng chảy rối, sóng và hiện tượng xâm thực. Tỷ lệ năng lượng đầu vào được chuyển hóa thành hiện tượng xâm thực phụ thuộc vào một số yếu tố mô tả chuyển động của thiết bị tạo xâm thực trong chất lỏng.
Độ lớn gia tốc là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu quả chuyển hóa năng lượng thành hiện tượng xâm thực. Gia tốc cao hơn tạo ra chênh lệch áp suất lớn hơn. Điều này làm tăng xác suất hình thành các bọt chân không thay vì hình thành các sóng lan truyền trong chất lỏng. Do đó, gia tốc càng cao thì tỷ lệ năng lượng được chuyển hóa thành hiện tượng xâm thực càng lớn. Đối với bộ chuyển đổi siêu âm, độ lớn gia tốc được mô tả bằng biên độ dao động.
Biên độ cao hơn giúp tạo ra hiện tượng xâm thực hiệu quả hơn. Các thiết bị công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể tạo ra biên độ lên đến 115 µm. Các biên độ cao này cho phép đạt tỷ lệ truyền công suất cao, từ đó cho phép tạo ra mật độ công suất cao lên đến 100 W/cm³.
Ngoài độ lớn gia tốc, chất lỏng cần được gia tốc theo cách giảm thiểu tổn thất do dòng chảy rối, ma sát và sự hình thành sóng. Để đạt được điều này, cách tối ưu là chuyển động theo một hướng duy nhất.
Thiết bị phản ứng siêu âm có công suất 16.000 oát dùng cho phản ứng trao đổi este trực tuyến được tăng cường bằng hiệu ứng hóa siêu âm.
- điều chế kim loại hoạt hóa bằng cách khử muối kim loại
- tạo kim loại hoạt hóa bằng xử lý siêu âm
- tổng hợp hạt bằng phương pháp hóa siêu âm thông qua kết tủa các oxit kim loại (Fe, Cr, Mn, Co), ví dụ để sử dụng làm chất xúc tác
- tẩm kim loại hoặc halogenua kim loại lên chất mang
- điều chế các dung dịch kim loại hoạt hóa
- các phản ứng có sự tham gia của kim loại thông qua các tiểu phân cơ nguyên tố được tạo ra tại chỗ
- các phản ứng có sự tham gia của chất rắn phi kim
- kết tinh và kết tủa kim loại, hợp kim, zeolit và các chất rắn khác
- biến đổi hình thái bề mặt và kích thước hạt bằng các va chạm tốc độ cao giữa các hạt
- hình thành vật liệu vô định hình có cấu trúc nano, bao gồm kim loại chuyển tiếp có diện tích bề mặt lớn, hợp kim, cacbua, oxit và hệ keo
- kết tụ các tinh thể
- làm nhẵn và loại bỏ lớp phủ oxit thụ động hóa
- vi thao tác (phân đoạn) các hạt nhỏ
- phân tán chất rắn
- điều chế các hệ keo (Ag, Au, CdS kích thước Q)
- xen cài các phân tử khách vào chất rắn vô cơ chủ có cấu trúc lớp
- hóa siêu âm của polyme
- phân hủy và biến tính polyme
- tổng hợp polyme
- phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước bằng siêu âm
Thiết bị hóa siêu âm
Hầu hết các quá trình hóa siêu âm nêu trên đều có thể được cải hoán để vận hành trực tuyến. Chúng tôi sẵn lòng hỗ trợ bạn lựa chọn thiết bị hóa siêu âm phù hợp với nhu cầu xử lý của bạn. Để nghiên cứu và thử nghiệm các quá trình, chúng tôi khuyến nghị sử dụng các thiết bị phòng thí nghiệm của chúng tôi hoặc bộ UIP1000hdT.
Nếu cần, có sẵn các thiết bị siêu âm và thiết bị phản ứng được chứng nhận FM và ATEX (ví dụ: UIP1000-Exd) để xử lý siêu âm các hóa chất dễ cháy và các công thức sản phẩm trong môi trường nguy hiểm.
Xâm thực siêu âm làm thay đổi các phản ứng mở vòng
Xử lý siêu âm là một cơ chế thay thế cho nhiệt, áp suất, ánh sáng hoặc điện để khởi phát các phản ứng hóa học. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth và nhóm của họ tại Khoa Hóa học thuộc Đại học Illinois tại Urbana-Champaign đã sử dụng công suất siêu âm để kích hoạt và điều khiển các phản ứng mở vòng. Dưới tác động của siêu âm, các phản ứng hóa học tạo ra những sản phẩm khác với các sản phẩm được dự đoán theo quy tắc đối xứng orbital (Nature 2007, 446, 423). Nhóm nghiên cứu đã liên kết các đồng phân benzocyclobutene thế ở vị trí 1,2 nhạy với tác động cơ học với hai chuỗi polyethylene glycol, áp dụng năng lượng siêu âm và phân tích các dung dịch khối bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân C13 . Các phổ cho thấy cả đồng phân cis và trans đều tạo ra cùng một sản phẩm mở vòng, chính là sản phẩm dự kiến từ đồng phân trans. Trong khi năng lượng nhiệt gây ra chuyển động Brown ngẫu nhiên của các chất phản ứng, năng lượng cơ học của quá trình xử lý siêu âm định hướng chuyển động của các nguyên tử. Do đó, các hiệu ứng xâm thực định hướng năng lượng một cách hiệu quả bằng cách làm biến dạng phân tử, từ đó định hình lại bề mặt thế năng.
Các thiết bị siêu âm dạng đầu dò như UP400St tăng cường quá trình tổng hợp hạt nano. Phương pháp hóa siêu âm đơn giản, hiệu quả, nhanh chóng và sử dụng các hóa chất không độc hại trong điều kiện ôn hòa.
Thiết bị siêu âm hiệu năng cao cho hóa siêu âm
Hielscher Ultrasonics cung cấp các thiết bị xử lý siêu âm cho phòng thí nghiệm và công nghiệp. Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher đều là những máy siêu âm rất mạnh mẽ và bền chắc, được chế tạo để vận hành liên tục 24/7 ở mức đầy tải. Điều khiển kỹ thuật số, các cài đặt có thể lập trình, giám sát nhiệt độ, tự động ghi dữ liệu và điều khiển từ xa qua trình duyệt chỉ là một vài tính năng của thiết bị siêu âm Hielscher. Được thiết kế để mang lại hiệu năng cao và vận hành thuận tiện, thiết bị của Hielscher Ultrasonics được người dùng đánh giá cao nhờ khả năng thao tác an toàn và dễ dàng. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher cung cấp biên độ lên đến 200µm và lý tưởng cho các ứng dụng cường độ cao. Đối với các biên độ còn cao hơn, có sẵn các đầu sonotrode siêu âm được chế tạo theo yêu cầu.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| không áp dụng | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| không áp dụng | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Hielscher Ultrasonics sản xuất các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu năng cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ hóa và chiết xuất ở quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp.
Tài liệu / 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 các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu năng cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.