Phản ứng Sonochemical và tổng hợp
Sonochemistry là ứng dụng của siêu âm vào các phản ứng và quá trình hóa học. Cơ chế gây ra hiệu ứng sonochemical 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 quá trình sonochemical. Siêu âm cavitation 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 sonochemical để chuyển đổi con đường phản ứng
- Cải thiện hiệu suất của chất xúc tác chuyển pha
- tránh các chất xúc tác chuyển pha
- sử dụng thuốc thử thô hoặc thuốc thử kỹ thuật
- kích hoạt kim loại và chất rắn
- tăng khả năng 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 siêu âm homogenizers của model UIP1000hdT (Công suất siêu âm 7x 1kW) được lắp đặt làm cụm cho các phản ứng sonochemical ở quy mô công nghiệp.
Ưu điểm của phản ứng hóa học tăng cường siêu âm
Ultrasonically thúc đẩy phản ứng hóa học là một kỹ thuật được thiết lập của quá trình tăng cường trong lĩnh vực tổng hợp hóa học và chế biến. Bằng cách khai thác sức mạnh của sóng siêu âm, các phản ứng này mang lại nhiều lợi thế so với các phương pháp thông thường, cải thiện xúc tác và tổng hợp hóa học. Tỷ lệ chuyển đổi cực nhanh, năng suất tuyệt vời, tăng cường tính chọn lọc, cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm tác động môi trường là những ưu điểm chính của phản ứng sonochemical.
Thổi bảng cho thấy một số lợi thế nổi bật của phản ứng siêu âm thúc đẩy 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 Diels-Alder | 35 giờ | 3,5 giờ | 77.9 | 97.3 |
| Oxy hóa indane thành indane-1-one | 3 giờ | 3 giờ | dưới 27% | 73% |
| Giảm methoxyaminosilane | không có phản ứng | 3 giờ | 0% | 100% |
| Epoxid hóa các este béo không bão hòa chuỗi dài | 2 giờ | 15 phút | 48% | 92% |
| Oxy hóa arylalkan | 4 giờ | 4 giờ | 12% | 80% |
| Michael bổ sung nitroankan vào este không bão hòa α,β đơn thế | 2 ngày | 2 giờ | 85% | 90% |
| Oxy hóa permanganat của 2-octanol | 5 giờ | 5 giờ | 3% | 93% |
| Tổng hợp chalcones bằng cách ngưng tụ CLaisen-Schmidt | 60 phút | 10 phút | 5% | 76% |
| Khớp nối UIllmann của 2-iodonitrobenzene | 2 giờ | 2H | ít rám nắng hơn 1,5% | 70.4% |
| Phản ứng định dạng lại | 12h | 30 phút | 50% | 98% |
Siêu âm Cavitation trong chất lỏng
Cavitation, đó là sự hình thành, tăng trưởng và sụp đổ của bong bóng trong chất lỏng. Sự sụp đổ hang động tạo ra nhiệt độ cao cục bộ (~ 5000 K), áp suất cao (~ 1000 atm) và tốc độ sưởi ấm và làm mát rất lớn (>109 K/giây) và dòng phản lực lỏng (~400 km/h). (Suslick 1998)
Cavitation bằng cách sử dụng UIP1000hd:
Bong bóng hang động là bong bóng chân không. Chân không được tạo ra bởi một bề mặt chuyển động nhanh ở một bên và một chất lỏng trơ ở bên kia. Sự khác biệt áp suất kết quả phục vụ để vượt qua các lực kết dính và bám dính trong chất lỏng.
Cavitation có thể được sản xuất theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như vòi phun Venturi, vòi phun áp suất cao, xoay tốc độ cao hoặc đầu dò siêu âm. Trong tất cả các hệ thống đó, năng lượng đầu vào được chuyển thành ma sát, nhiễu loạn, sóng và xâm thực. Phần năng lượng đầu vào được chuyển 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 việc chuyển đổi năng lượng hiệu quả thành xâm thực. Gia tốc cao hơn tạo ra chênh lệch áp suất cao hơn. Điều này lần lượt làm tăng xác suất tạo ra bong bóng chân không thay vì tạo ra sóng truyền qua chất lỏng. Do đó, gia tốc càng cao thì phần năng lượng được chuyển 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 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 tỷ lệ truyền tải điện cao, từ đó cho phép tạo ra mật độ công suất cao lên đến 100 W / cm³.
Ngoài cường độ, chất lỏng nên được gia tốc theo cách tạo ra tổn thất tối thiểu về nhiễu loạn, ma sát và tạo sóng. Đối với điều này, cách tối ưu là một hướng di chuyển đơn phương.
Lò phản ứng siêu âm với 16.000 watt cho transesterification nội tuyến tăng cường sonochemically.
- chuẩn bị kim loại hoạt tính bằng cách khử muối kim loại
- tạo ra kim loại hoạt tính bằng sonication
- 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 bằng va chạm giữa các hạt vận tốc cao
- hình thành các vật liệu có cấu trúc nano vô định hình, bao gồm kim loại chuyển tiếp diện tích bề mặt cao, hợp kim, cacbua, oxit và keo
- kết tụ tinh thể
- làm mịn và loại bỏ lớp phủ oxit thụ động
- vi thao tác (phân đoạn) của 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 phân lớp vô cơ của vật chủ
- Sonochemistry của polyme
- suy thoái và sửa đổi polyme
- Tổng hợp polyme
- sonolysis các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước
Thiết bị sonochemical
Hầu hết các quá trình sonochemical được đề cập có thể được trang bị thêm để làm việc 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 cho sonication của hóa chất dễ cháy và công thức sản phẩm trong môi trường nguy hiểm.
Siêu âm Cavitation thay đổi phản ứng mở vòng
Ultrasonication 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 thao tác các phản ứng mở vòng. Dưới sonication, 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 về mặt cơ học với hai chuỗi polyethylene glycol, áp dụng năng lượng siêu âm và phân tích các giải pháp 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 đều cung cấp cùng một sản phẩm mở vòng, sản phẩm được mong đợi 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 ultrasonication cung cấp một hướng cho chuyển động nguyên tử. Do đó, các hiệu ứng xâm thực định hướng năng lượng một cách hiệu quả bằng cách làm căng phân tử, định hình lại bề mặt năng lượng tiềm năng.
Ultrasonicators loại thăm dò như UP400St tăng cường tổng hợp các hạt nano. Con đường sonochemical đơn giản, hiệu quả, nhanh chóng và hoạt động với các hóa chất không độc hại trong điều kiện nhẹ.
Ultrasonicators hiệu suất cao cho Sonochemistry
Hielscher Ultrasonics cung cấp bộ vi xử lý siêu âm cho phòng thí nghiệm và ngành công nghiệp. Tất cả các ultrasonicators Hielscher là máy siêu âm rất mạnh mẽ và mạnh mẽ và được xây dựng để hoạt động liên tục 24/7 dưới tải đầy đủ. Điều khiển kỹ thuật số, cài đặt 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 Hielscher ultrasonicators. Được thiết kế cho hiệu suất cao và hoạt động thoải mái, người dùng đánh giá cao việc xử lý an toàn và dễ dàng của thiết bị siêu âm Hielscher. Bộ vi 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, 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.