Sonochemistry and Sonochemical Reactors
Sonochemistry là lĩnh vực hóa học nơi siêu âm cường độ cao được sử dụng để gây ra, tăng tốc và sửa đổi các phản ứng hóa học (tổng hợp, xúc tác, suy thoái, trùng hợp, thủy phân, v.v.). Ultrasonically tạo ra cavitation được đặc trưng bởi điều kiện năng lượng dày đặc độc đáo, thúc đẩy và tăng cường các phản ứng hóa học. Tốc độ phản ứng nhanh hơn, năng suất cao hơn và sử dụng thuốc thử xanh, nhẹ hơn biến sonochemistry thành một công cụ rất thuận lợi để có được các phản ứng hóa học được cải thiện.
Sonochemistry
Sonochemistry là lĩnh vực nghiên cứu và chế biến trong đó các phân tử trải qua phản ứng hóa học vì ứng dụng siêu âm cường độ cao (ví dụ, 20 kHz). Hiện tượng chịu trách nhiệm cho các phản ứng sonochemical là xâm thực âm thanh. Cavitation âm thanh hoặc siêu âm xảy ra khi sóng siêu âm mạnh mẽ được ghép thành chất lỏng hoặc bùn. Do các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp xen kẽ gây ra bởi sóng siêu âm công suất trong chất lỏng, bong bóng chân không (khoảng trống xâm thực) được tạo ra, phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất. Khi bong bóng chân không xâm thực đạt đến một kích thước nhất định, nơi nó không thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn, bong bóng chân không nổ tung dữ dội và tạo ra một điểm nóng dày đặc năng lượng. Điểm nóng xảy ra cục bộ này được đặc trưng bởi nhiệt độ, áp suất rất cao và dòng vi mô của các tia chất lỏng cực nhanh.
Lò phản ứng mẻ kín làm từ thép không gỉ được trang bị siêu âm UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Acoustic Cavitation và ảnh hưởng của ultrasonication cường độ cao
Cavitation âm thanh, thường còn được gọi là cavitation siêu âm, có thể được phân biệt thành hai dạng, cavitation ổn định và thoáng qua. Trong quá trình xâm thực ổn định, bong bóng xâm thực dao động nhiều lần xung quanh bán kính cân bằng của nó, trong khi trong quá trình xâm thực thoáng qua, trong đó một bong bóng tồn tại trong thời gian ngắn trải qua những thay đổi thể tích đáng kể trong một vài chu kỳ âm thanh và kết thúc trong một sự sụp đổ dữ dội (Suslick 1988). Sự xâm thực ổn định và thoáng qua có thể xảy ra đồng thời trong dung dịch và bong bóng trải qua quá trình xâm thực ổn định có thể trở thành một khoang thoáng qua. Sự nổ bong bóng, đặc trưng cho sự xâm thực thoáng qua và sonication cường độ cao, tạo ra các điều kiện vật lý khác nhau bao gồm nhiệt độ rất cao 5000–25.000 K, áp suất lên tới vài 1000 bar và dòng chất lỏng với vận tốc lên tới 1000m / s. Vì sự sụp đổ / nổ tung của bong bóng xâm thực xảy ra trong vòng chưa đầy một nano giây, tốc độ làm nóng và làm mát rất cao vượt quá 1011 K/s có thể được quan sát. Tốc độ gia nhiệt cao và chênh lệch áp suất như vậy có thể bắt đầu và tăng tốc các phản ứng. Về các dòng chất lỏng xảy ra, các vi phản lực tốc độ cao này cho thấy lợi ích đặc biệt cao khi nói đến bùn rắn-lỏng không đồng nhất. Các tia chất lỏng tác động lên bề mặt với nhiệt độ và áp suất đầy đủ của bong bóng sụp đổ và gây xói mòn thông qua va chạm giữa các hạt cũng như nóng chảy cục bộ. Do đó, một sự chuyển giao khối lượng được cải thiện đáng kể trong giải pháp được quan sát thấy.
Siêu âm cavitation được tạo ra hiệu quả nhất trong chất lỏng và dung môi wit áp suất hơi thấp. Do đó, môi trường có áp suất hơi thấp là thuận lợi cho các ứng dụng sonochemical.
Kết quả của cavitation siêu âm, các lực mạnh mẽ được tạo ra có thể chuyển đổi con đường phản ứng sang các tuyến đường hiệu quả hơn, để tránh chuyển đổi hoàn chỉnh hơn và / hoặc sản xuất các sản phẩm phụ không mong muốn.
Không gian dày đặc năng lượng được tạo ra bởi sự sụp đổ của bong bóng xâm thực được gọi là điểm nóng. Siêu âm tần số thấp, công suất cao trong phạm vi 20kHz và khả năng tạo biên độ cao được thiết lập tốt để tạo ra các điểm nóng dữ dội và các điều kiện sonochemical thuận lợi.
Thiết bị phòng thí nghiệm siêu âm cũng như lò phản ứng siêu âm công nghiệp cho các quá trình sonochemical thương mại có sẵn và được chứng minh là đáng tin cậy, hiệu quả và thân thiện với môi trường trên phòng thí nghiệm, thí điểm và quy mô công nghiệp hoàn toàn. Các phản ứng Sonochemical có thể được thực hiện theo lô (tức là bình mở) hoặc quy trình nội tuyến bằng cách sử dụng lò phản ứng tế bào dòng chảy kín.
Sono-Tổng hợp
Sono-tổng hợp hoặc tổng hợp sonochemical là ứng dụng của siêu âm tạo ra cavitation để bắt đầu và thúc đẩy các phản ứng hóa học. Ultrasonication công suất cao (ví dụ, ở 20 kHz) cho thấy tác động mạnh mẽ trên các phân tử và liên kết hóa học. Ví dụ, các hiệu ứng sonochemical do sonication cường độ cao có thể dẫn đến việc phân tách các phân tử, tạo ra các gốc tự do và / hoặc chuyển đổi con đường hóa học. Do đó, tổng hợp Sonochemical được sử dụng mạnh mẽ để chế tạo hoặc sửa đổi một loạt các vật liệu có cấu trúc nano. Ví dụ cho vật liệu nano được sản xuất thông qua tổng hợp sono là các hạt nano (NP) (ví dụ: NP vàng, NP bạc), sắc tố, hạt nano vỏ lõi, nano-hydroxyapatite, khung hữu cơ kim loại (MOFs), thành phần dược phẩm hoạt tính (API), hạt nano trang trí vi cầu, vật liệu tổng hợp nano trong số nhiều vật liệu khác.
Ví dụ: Transesterification siêu âm của axit béo Methyl Esters (diesel sinh học) or Transester hóa polyol bằng siêu âm.
Hình ảnh TEM (A) và sự phân bố kích thước hạt của nó (B) của các hạt nano bạc (Ag-NP), đã được tổng hợp sonochemical trong điều kiện tối ưu.
Cũng được áp dụng rộng rãi là kết tinh thúc đẩy siêu âm (kết tinh sono), trong đó siêu âm điện được sử dụng để sản xuất các giải pháp siêu bão hòa, để bắt đầu kết tinh / kết tủa, và kiểm soát kích thước tinh thể và hình thái thông qua các thông số quá trình siêu âm. Nhấn vào đây để tìm hiểu thêm về kết tinh sono!
Sono-Catalysis
Sonicating một huyền phù hóa học hoặc dung dịch có thể cải thiện đáng kể các phản ứng xúc tác. Năng lượng sonochemical làm giảm thời gian phản ứng, cải thiện nhiệt và truyền khối lượng, sau đó dẫn đến tăng hằng số tốc độ hóa học, năng suất và chọn lọc.
Có rất nhiều quá trình xúc tác, được hưởng lợi mạnh mẽ từ việc áp dụng siêu âm điện và các hiệu ứng sonochemical của nó. Bất kỳ phản ứng xúc tác chuyển pha không đồng nhất (PTC) nào liên quan đến hai hoặc nhiều chất lỏng không thể trộn lẫn hoặc thành phần lỏng-rắn, được hưởng lợi từ sonication, năng lượng sonochemical và chuyển khối lượng được cải thiện.
Ví dụ, phân tích so sánh quá trình oxy hóa peroxide ướt xúc tác im lặng và siêu âm của phenol trong nước cho thấy sonication làm giảm hàng rào năng lượng của phản ứng, nhưng không ảnh hưởng đến con đường phản ứng. Năng lượng kích hoạt cho quá trình oxy hóa phenol trên RuI3 chất xúc tác trong quá trình sonication được tìm thấy là 13 kJ mol-1, nhỏ hơn bốn lần so với quá trình oxy hóa thầm lặng (57 kJ mol-1). (Rokhina và cộng sự, 2010)
Xúc tác Sonochemical được sử dụng thành công để chế tạo các sản phẩm hóa học cũng như sản xuất các vật liệu vô cơ có cấu trúc micron và nano như kim loại, hợp kim, hợp chất kim loại, vật liệu phi kim loại và vật liệu tổng hợp vô cơ. Các ví dụ phổ biến của PTC hỗ trợ siêu âm là transesterification axit béo tự do thành methyl ester (diesel sinh học), thủy phân, xà phòng hóa dầu thực vật, phản ứng sono-Fenton (quá trình giống như Fenton), suy thoái sonocatalytic vv
Đọc thêm về xúc tác sono và các ứng dụng cụ thể!
Sonication cải thiện hóa học nhấp chuột như phản ứng cycloaddition azide-alkyne!
Các ứng dụng Sonochemical khác
Do cách sử dụng linh hoạt, độ tin cậy và hoạt động đơn giản, các hệ thống sonochemical như UP400ST or UIP2000hdT được đánh giá là thiết bị hiệu quả cho các phản ứng hóa học. Hielscher Ultrasonics sonochemical thiết bị có thể dễ dàng sử dụng cho hàng loạt (mở beaker) và sonication nội tuyến liên tục bằng cách sử dụng một tế bào dòng chảy sonochemical. Sonochemistry bao gồm tổng hợp sono, xúc tác sono, thoái hóa hoặc trùng hợp được sử dụng rộng rãi trong hóa học, công nghệ nano, khoa học vật liệu, dược phẩm, vi sinh cũng như trong các ngành công nghiệp khác.
Ultrasonicator công nghiệp UIP2000hdT (2kW) với lò phản ứng nội tuyến sonochemical.
Thiết bị Sonochemical hiệu suất cao
Hielscher Ultrasonics là nhà cung cấp hàng đầu của bạn sáng tạo, nhà nước-of-the-nghệ thuật ultrasonicators, sonochemical dòng chảy tế bào, lò phản ứng và phụ kiện cho các phản ứng sonochemical hiệu quả và đáng tin cậy. Tất cả các ultrasonicators Hielscher được thiết kế độc quyền, sản xuất và thử nghiệm tại trụ sở Hielscher Ultrasonics ở Teltow (gần Berlin), Đức. Bên cạnh các tiêu chuẩn kỹ thuật cao nhất và sự mạnh mẽ vượt trội và hoạt động 24/7/365 cho hoạt động hiệu quả cao, Hielscher ultrasonicators rất dễ dàng và đáng tin cậy để hoạt động. Hiệu quả cao, phần mềm thông minh, menu trực quan, giao thức dữ liệu tự động và điều khiển từ xa trình duyệt chỉ là một vài tính năng phân biệt Hielscher Ultrasonics với các nhà sản xuất thiết bị sonochemical khác.
Biên độ có thể điều chỉnh chính xác
Biên độ là sự dịch chuyển ở phía trước (đầu) của sonotrode (còn được gọi là đầu dò siêu âm hoặc sừng) và là yếu tố ảnh hưởng chính của cavitation siêu âm. Biên độ cao hơn có nghĩa là xâm thực dữ dội hơn. Cường độ xâm thực cần thiết phụ thuộc mạnh mẽ vào loại phản ứng, thuốc thử hóa học được sử dụng và kết quả nhắm mục tiêu của phản ứng sonochemical cụ thể. Điều này có nghĩa là biên độ phải được điều chỉnh chính xác để điều chỉnh cường độ xâm thực âm thanh đến mức lý tưởng. Tất cả các ultrasonicators Hielscher có thể được điều chỉnh đáng tin cậy và chính xác thông qua một điều khiển kỹ thuật số thông minh đến biên độ lý tưởng. Sừng tăng cường có thể được sử dụng bổ sung để giảm hoặc tăng biên độ một cách cơ học. Siêu âm’ Bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp có thể cung cấp biên độ rất cao. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn.
Kiểm soát nhiệt độ chính xác trong các phản ứng sonochemical
Tại điểm nóng xâm thực, có thể quan sát thấy nhiệt độ cực cao hàng nghìn độ C. Tuy nhiên, những nhiệt độ khắc nghiệt này bị giới hạn cục bộ ở bên trong và xung quanh bong bóng xâm thực đang nổ tung. Trong dung dịch số lượng lớn, nhiệt độ tăng lên từ vụ nổ một hoặc một vài bong bóng xâm thực là không đáng kể. Nhưng sonication liên tục, cường độ cao trong thời gian dài hơn có thể gây ra sự gia tăng nhiệt độ của chất lỏng số lượng lớn. Sự gia tăng nhiệt độ này góp phần vào nhiều phản ứng hóa học và thường được coi là có lợi. Tuy nhiên, các phản ứng hóa học khác nhau có nhiệt độ phản ứng tối ưu khác nhau. Khi các vật liệu nhạy cảm với nhiệt được xử lý, kiểm soát nhiệt độ có thể là cần thiết. Để cho phép điều kiện nhiệt lý tưởng trong quá trình sonochemical, Hielscher Ultrasonics cung cấp các giải pháp tinh vi khác nhau để kiểm soát nhiệt độ chính xác trong quá trình sonochemical, chẳng hạn như lò phản ứng sonochemical và tế bào dòng chảy được trang bị áo làm mát.
Các tế bào dòng chảy và lò phản ứng sonochemical của chúng tôi có sẵn với áo làm mát, hỗ trợ tản nhiệt hiệu quả. Để theo dõi nhiệt độ liên tục, Hielscher ultrasonicators được trang bị một cảm biến nhiệt độ có thể cắm được, có thể được đưa vào chất lỏng để đo liên tục nhiệt độ khối. Phần mềm tinh vi cho phép thiết lập một phạm vi nhiệt độ. Khi vượt quá giới hạn nhiệt độ, ultrasonicator tự động tạm dừng cho đến khi nhiệt độ trong chất lỏng đã hạ xuống một điểm đặt nhất định và bắt đầu tự động sonicating trở lại. Tất cả các phép đo nhiệt độ cũng như dữ liệu quá trình siêu âm quan trọng khác được tự động ghi lại trên thẻ SD tích hợp và có thể được sửa đổi dễ dàng để kiểm soát quá trình.
Nhiệt độ là một thông số quan trọng của các quá trình sonochemical. Công nghệ phức tạp của Hielscher giúp bạn giữ nhiệt độ của ứng dụng sonochemical trong phạm vi nhiệt độ lý tưởng.
- Hiệu quả cao
- Công nghệ tiên tiến
- Dễ dàng và an toàn để vận hành
- Độ tin cậy & Mạnh mẽ
- mẻ & Inline
- cho bất kỳ khối lượng nào
- Phần mềm thông minh
- Các tính năng thông minh (ví dụ: giao thức dữ liệu)
- CIP (sạch tại chỗ)
Lò phản ứng Sonochemical: Sonication cường độ cao và kết quả cavitation bắt đầu và tăng cường các phản ứng hóa học và có thể chuyển đổi ngay cả con đường.
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.
Ví dụ cho phản ứng hóa học được cải thiện siêu âm so với phản ứng thông thường
Bảng dưới đây cung cấp một cái nhìn tổng quan về một số phản ứng hóa học phổ biến. Đối với mỗi loại phản ứng, phản ứng chạy thông thường so với phản ứng tăng cường siêu âm được so sánh về năng suất và tốc độ chuyển đổi.
| Reaction | Reaction Time – Conventional | Reaction Time – siêu âm | sản xuất – Thông thường (%) | sản xuất – Siêu âm (%) |
|---|---|---|---|---|
| Diels-Alder cyclization | 35 h | 3.5 h | 77.9 | 97.3 |
| Oxidation of indane to indane-1-one | 3 h | 3 h | dưới 27% | 73% |
| Reduction of methoxyaminosilane | no reaction | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidation of long-chain unsaturated fatty esters | 2 h | 15 phút | 48% | 92% |
| Oxidation of arylalkanes | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Michael addition of nitroalkanes to monosubstituted α,β-unsaturated esters | 2 days | 2 h | 85% | 90% |
| Permanganate oxidation of 2-octanol | 5 giờ | 5 giờ | 3% | 93% |
| Synthesis of chalcones by CLaisen-Schmidt condensation | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| UIllmann coupling of 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2h | ít rám nắng hơn 1,5% | 70.4% |
| Reformatsky reaction | 12h | 30 phút | 50% | 98% |
(xem Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Các nguyên tắc cơ bản của tăng cường quá trình, Ấn bản đầu tiên. Xuất bản năm 2019 bởi Wiley)
Văn học / Tài liệu tham khảo
- 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.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.