Hóa học siêu âm và thiết bị phản ứng hóa học siêu âm
Hóa học siêu âm là lĩnh vực hóa học sử dụng siêu âm cường độ cao để khơi mào, tăng tốc và biến đổi các phản ứng hóa học (tổng hợp, xúc tác, phân hủy, trùng hợp, thủy phân, v.v.). Hiện tượng xâm thực do siêu âm tạo ra có đặc trưng là các điều kiện có mật độ năng lượng cao độc đáo, giúp thúc đẩy và tăng cường các phản ứng hóa học. Tốc độ phản ứng nhanh hơn, hiệu suất thu sản phẩm cao hơn và việc sử dụng các thuốc thử thân thiện với môi trường, dịu nhẹ hơn khiến hóa học siêu âm trở thành một công cụ rất hữu ích để cải thiện các phản ứng hóa học.
Hóa học siêu âm
Hóa học siêu âm là lĩnh vực nghiên cứu và xử lý trong đó các phân tử trải qua phản ứng hóa học nhờ việc áp dụng siêu âm cường độ cao (ví dụ: 20 kHz). Hiện tượng gây ra các phản ứng hóa học siêu âm là xâm thực âm học. Xâm thực âm học hay xâm thực siêu âm xảy ra khi các sóng siêu âm mạnh được truyền vào chất lỏng hoặc huyền phù. Do các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp luân phiên do sóng siêu âm công suất cao gây ra trong chất lỏng, các bọt chân không (khoang xâm thực) hình thành và phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất. Khi bọt chân không xâm thực đạt đến một kích thước nhất định mà tại đó nó không thể hấp thụ thêm năng lượng, bọt chân không sụp đổ dữ dội vào bên trong và tạo ra một điểm nóng có mật độ năng lượng rất cao. Điểm nóng xuất hiện cục bộ này có đặc trưng là nhiệt độ và áp suất rất cao cùng các dòng chảy vi mô của những tia chất lỏng cực nhanh.
Thiết bị phản ứng theo mẻ kín làm bằng thép không gỉ được trang bị máy siêu âm UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Xâm thực âm học và tác động của xử lý siêu âm cường độ cao
Xâm thực âm học, thường còn được gọi là xâm thực siêu âm, có thể được phân thành hai dạng: xâm thực ổn định và xâm thực nhất thời. Trong quá trình xâm thực ổn định, bọt xâm thực dao động nhiều lần quanh bán kính cân bằng của nó, trong khi ở quá trình xâm thực nhất thời, một bọt tồn tại trong thời gian ngắn trải qua những biến đổi thể tích mạnh trong một vài chu kỳ âm học và kết thúc bằng sự sụp đổ dữ dội (Suslick 1988). Xâm thực ổn định và xâm thực nhất thời có thể xảy ra đồng thời trong dung dịch, và một bọt đang trải qua xâm thực ổn định có thể trở thành một khoang xâm thực nhất thời. Sự sụp đổ vào bên trong của bọt, vốn là đặc trưng của xâm thực nhất thời và xử lý siêu âm cường độ cao, tạo ra nhiều điều kiện vật lý khác nhau, bao gồm nhiệt độ rất cao từ 5000–25.000 K, áp suất lên đến vài lần 1000 bar và các dòng chất lỏng có vận tốc lên đến 1000m/s. Vì sự sụp đổ của các bọt xâm thực xảy ra trong chưa đầy một nano giây, có thể quan sát thấy tốc độ gia nhiệt và làm nguội rất cao, vượt quá 1011 K/s. Tốc độ gia nhiệt cao và chênh lệch áp suất lớn như vậy có thể khơi mào và tăng tốc các phản ứng. Đối với các dòng chất lỏng xuất hiện trong quá trình này, những tia vi mô tốc độ cao mang lại lợi ích đặc biệt lớn cho các huyền phù rắn–lỏng dị thể. Các tia chất lỏng đập vào bề mặt với toàn bộ nhiệt độ và áp suất của bọt đang sụp đổ, gây xói mòn thông qua va chạm giữa các hạt cũng như gây nóng chảy cục bộ. Do đó, khả năng truyền khối trong dung dịch được cải thiện đáng kể.
Hiện tượng xâm thực siêu âm được tạo ra hiệu quả nhất trong các chất lỏng và dung môi có áp suất hơi thấp. Do đó, các môi trường có áp suất hơi thấp thuận lợi cho các ứng dụng hóa siêu âm.
Do hiện tượng xâm thực siêu âm, các lực mạnh được tạo ra có thể chuyển các cơ chế phản ứng sang những hướng hiệu quả hơn, nhờ đó tránh được sự chuyển hóa hoàn toàn hơn và/hoặc sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn.
Vùng có mật độ năng lượng cao được tạo ra do sự sụp đổ của các bọt xâm thực được gọi là điểm nóng. Siêu âm tần số thấp, công suất cao trong khoảng 20kHz với khả năng tạo ra biên độ lớn đã được ứng dụng rộng rãi để tạo ra các điểm nóng cường độ cao và các điều kiện hóa siêu âm thuận lợi.
Thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm cũng như các thiết bị phản ứng siêu âm công nghiệp dành cho các quy trình hóa siêu âm thương mại đều sẵn có và đã được chứng minh là đáng tin cậy, hiệu quả và thân thiện với môi trường ở quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp hoàn chỉnh. Các phản ứng hóa siêu âm có thể được thực hiện theo mẻ (tức là trong bình hở) hoặc theo quy trình trực tuyến sử dụng thiết bị phản ứng dòng chảy kín.
Tổng hợp bằng siêu âm
Tổng hợp bằng siêu âm hay tổng hợp hóa siêu âm là việc ứng dụng hiện tượng xâm thực do siêu âm tạo ra để khởi phát và thúc đẩy các phản ứng hóa học. Xử lý siêu âm công suất cao (ví dụ: ở 20 kHz) có tác động mạnh đến các phân tử và liên kết hóa học. Chẳng hạn, các hiệu ứng hóa siêu âm do xử lý siêu âm cường độ cao có thể dẫn đến sự phân tách phân tử, tạo ra các gốc tự do và/hoặc thay đổi các cơ chế phản ứng hóa học. Vì vậy, tổng hợp hóa siêu âm được sử dụng rộng rãi để chế tạo hoặc biến tính nhiều loại vật liệu có cấu trúc nano. Ví dụ về các vật liệu nano được tạo ra bằng phương pháp tổng hợp siêu âm bao gồm các hạt nano (NPs) (ví dụ: hạt nano vàng, hạt nano bạc), chất màu, hạt nano lõi–vỏ, hydroxyapatite nano, khung kim loại–hữu cơ (MOFs), hoạt chất dược phẩm (APIs), hạt nano được trang trí bằng vi cầu, vật liệu composite nano cùng nhiều vật liệu khác.
Ví dụ: Phản ứng trao đổi este của các metyl este axit béo (diesel sinh học) bằng siêu âm hoặc phản ứng trao đổi este của các polyol bằng siêu âm.
Ảnh TEM (A) và phân bố kích thước hạt tương ứng (B) của các hạt nano bạc (Ag-NPs), được tổng hợp bằng phương pháp hóa siêu âm trong điều kiện tối ưu.
Quá trình kết tinh được thúc đẩy bằng siêu âm (kết tinh siêu âm) cũng được ứng dụng rộng rãi, trong đó siêu âm công suất cao được sử dụng để tạo ra các dung dịch quá bão hòa, khởi phát quá trình kết tinh / kết tủa và kiểm soát kích thước cũng như hình thái tinh thể thông qua các thông số của quá trình siêu âm. Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về kết tinh siêu âm!
Xúc tác siêu âm
Xử lý siêu âm một huyền phù hoặc dung dịch hóa học có thể cải thiện đáng kể các phản ứng xúc tác. Năng lượng hóa siêu âm làm giảm thời gian phản ứng, cải thiện quá trình truyền nhiệt và truyền khối, từ đó làm tăng các hằng số tốc độ phản ứng hóa học, hiệu suất và độ chọn lọc.
Có nhiều quá trình xúc tác được cải thiện mạnh mẽ nhờ ứng dụng siêu âm công suất cao và các hiệu ứng hóa siêu âm của nó. Bất kỳ phản ứng xúc tác chuyển pha (PTC) dị thể nào có sự tham gia của hai hoặc nhiều chất lỏng không trộn lẫn hoặc một hệ lỏng–rắn đều được hưởng lợi từ việc xử lý siêu âm, năng lượng hóa siêu âm và quá trình truyền khối được cải thiện.
Chẳng hạn, phân tích so sánh quá trình oxy hóa phenol trong nước bằng peroxit theo phương pháp xúc tác ướt khi không có siêu âm và khi có hỗ trợ siêu âm cho thấy xử lý siêu âm làm giảm rào cản năng lượng của phản ứng nhưng không ảnh hưởng đến cơ chế phản ứng. Năng lượng hoạt hóa của quá trình oxy hóa phenol trên chất xúc tác RuI3 trong quá trình xử lý siêu âm được xác định là 13 kJ mol-1, thấp hơn bốn lần so với quá trình oxy hóa không có siêu âm (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
Xúc tác hóa siêu âm 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 micromet và nano như kim loại, hợp kim, hợp chất kim loại, vật liệu phi kim và vật liệu composite vô cơ. Các ví dụ phổ biến về xúc tác chuyển pha (PTC) có hỗ trợ siêu âm bao gồm phản ứng trao đổi este của các axit béo tự do thành metyl este (diesel sinh học), thủy phân, xà phòng hóa dầu thực vật, phản ứng Fenton có hỗ trợ siêu âm (các quá trình tương tự Fenton), phân hủy bằng xúc tác siêu âm, v.v.
Đọc thêm về xúc tác hóa siêu âm và các ứng dụng cụ thể!
Xử lý siêu âm cải thiện các phản ứng hóa học click như phản ứng cộng vòng azide–alkyne!
Các ứng dụng hóa siêu âm khác
Nhờ khả năng sử dụng linh hoạt, độ tin cậy và cách vận hành đơn giản, các hệ thống hóa siêu âm như UP400St hoặc UIP2000hdT được đánh giá cao là thiết bị hiệu quả cho các phản ứng hóa học. Các thiết bị hóa siêu âm của Hielscher Ultrasonics có thể dễ dàng được sử dụng để xử lý siêu âm theo mẻ (trong cốc hở) và liên tục trên đường ống bằng buồng dòng chảy hóa siêu âm. Hóa siêu âm, bao gồm tổng hợp hóa siêu âm, xúc tác hóa siêu âm, phân hủy hoặc trùng hợp, được sử dụng rộng rãi trong hóa học, công nghệ nano, khoa học vật liệu, dược phẩm, vi sinh học cũng như các ngành công nghiệp khác.
Thiết bị siêu âm công nghiệp UIP2000hdT (2kW) với thiết bị phản ứng hóa siêu âm trên đường ống.
Thiết bị hóa siêu âm hiệu năng cao
Hielscher Ultrasonics là nhà cung cấp hàng đầu của bạn về các thiết bị siêu âm tiên tiến, hiện đại nhất, buồng dòng chảy hóa siêu âm, thiết bị phản ứng và phụ kiện dành cho các phản ứng hóa siêu âm hiệu quả và đáng tin cậy. Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher đều được thiết kế, sản xuất và kiểm tra hoàn toàn tại trụ sở chính của Hielscher Ultrasonics ở Teltow (gần Berlin), Đức. Bên cạnh các tiêu chuẩn kỹ thuật cao nhất, độ bền vượt trội và khả năng hoạt động 24/7/365 để đạt hiệu quả vận hành cao, các thiết bị siêu âm Hielscher còn dễ vận hành và hoạt động đáng tin cậy. Hiệu suất cao, phần mềm thông minh, menu trực quan, tự động ghi dữ liệu và điều khiển từ xa qua trình duyệt chỉ là một vài tính năng giúp Hielscher Ultrasonics khác biệt với các nhà sản xuất thiết bị hóa siêu âm khác.
Biên độ có thể điều chỉnh chính xác
Biên độ là độ dịch chuyển tại mặt trước (đầu mút) của sonotrode (còn được gọi là đầu dò hoặc đầu khuếch đại siêu âm) và là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiện tượng xâm thực siêu âm. Biên độ cao hơn đồng nghĩa với hiện tượng xâm thực mạnh hơn. Cường độ xâm thực cần thiết phụ thuộc nhiều vào loại phản ứng, các tác chất hóa học được sử dụng và kết quả mục tiêu của phản ứng hóa siêu âm cụ thể. Điều này có nghĩa là biên độ cần có khả năng điều chỉnh chính xác để đưa cường độ xâm thực âm đến mức lý tưởng. Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher đều có thể được điều chỉnh một cách đáng tin cậy và chính xác đến biên độ lý tưởng thông qua bộ điều khiển kỹ thuật số thông minh. Có thể sử dụng thêm các đầu khuếch đại tăng cường để giảm hoặc tăng biên độ bằng cơ học. Các bộ xử lý siêu âm công nghiệp của Ultrasonics có thể tạo ra biên độ rất cao. Có thể dễ dàng vận hành liên tục ở biên độ lên đến 200µm trong chế độ hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có sẵn các sonotrode siêu âm được tùy chỉnh.
Kiểm soát nhiệt độ chính xác trong các phản ứng hóa siêu âm
Tại điểm nóng do xâm thực, có thể quan sát thấy nhiệt độ cực cao lên tới nhiều nghìn độ C. Tuy nhiên, các mức nhiệt độ cực cao này chỉ giới hạn cục bộ trong phần bên trong rất nhỏ và vùng xung quanh bọt xâm thực đang sụp đổ. Trong toàn khối dung dịch, mức tăng nhiệt độ do một hoặc một vài bọt xâm thực sụp đổ là không đáng kể. Nhưng việc xử lý siêu âm liên tục với cường độ cao trong thời gian dài có thể làm nhiệt độ của toàn khối chất lỏng tăng dần. Sự gia tăng nhiệt độ này góp phần vào nhiều phản ứng hóa học và thường được xem là có lợi. Tuy nhiên, các phản ứng hóa học khác nhau có nhiệt độ phản ứng tối ưu khác nhau. Khi xử lý các vật liệu nhạy nhiệt, có thể cần kiểm soát nhiệt độ. Để tạo điều kiện nhiệt lý tưởng trong các quá trình hóa siêu âm, Hielscher Ultrasonics cung cấp nhiều giải pháp tiên tiến để kiểm soát nhiệt độ chính xác trong các quá trình này, chẳng hạn như các thiết bị phản ứng hóa siêu âm và buồng dòng chảy được trang bị áo làm mát.
Các buồng dòng chảy và thiết bị phản ứng hóa siêu âm của chúng tôi có các phiên bản được trang bị áo làm mát, giúp tản nhiệt hiệu quả. Để theo dõi nhiệt độ liên tục, các thiết bị siêu âm Hielscher được trang bị cảm biến nhiệt độ dạng cắm, có thể đưa vào chất lỏng để đo liên tục nhiệt độ của toàn khối chất lỏng. Phần mềm tiên tiến cho phép thiết lập một khoảng nhiệt độ. Khi vượt quá giới hạn nhiệt độ, thiết bị siêu âm tự động tạm dừng cho đến khi nhiệt độ trong chất lỏng giảm xuống một giá trị đặt nhất định, sau đó tự động bắt đầu xử lý siêu âm trở lại. Tất cả các giá trị đo nhiệt độ cũng như các dữ liệu quan trọng khác của quá trình siêu âm đều được tự động ghi vào thẻ SD tích hợp và có thể dễ dàng xem lại để kiểm soát quá trình.
Nhiệt độ là một thông số then chốt của các quá trình hóa siêu âm. Công nghệ được phát triển kỹ lưỡng của Hielscher giúp bạn duy trì nhiệt độ của ứng dụng hóa siêu âm trong khoảng nhiệt độ lý tưởng.
- hiệu suất cao
- công nghệ tiên tiến nhất
- vận hành dễ dàng và an toàn
- độ tin cậy & độ bền vững
- theo mẻ & trên dòng
- cho mọi thể tích
- phần mềm thông minh
- các tính năng thông minh (ví dụ: ghi nhật ký dữ liệu)
- CIP (vệ sinh tại chỗ)
Thiết bị phản ứng hóa siêu âm: Xử lý siêu âm cường độ cao và hiện tượng xâm thực phát sinh khởi phát và tăng cường các phản ứng hóa học, thậm chí có thể thay đổi các con đường phản ứng.
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 |
| n.a. | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi 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.
Ví dụ so sánh phản ứng hóa học được cải thiện bằng siêu âm với phản ứng thông thường
Bảng dưới đây cung cấp thông tin tổng quan về một số phản ứng hóa học phổ biến. Đối với mỗi loại phản ứng, phản ứng được thực hiện theo phương pháp thông thường và phản ứng được tăng cường bằng siêu âm được so sánh về hiệu suất và tốc độ chuyển hóa.
| Phản ứng | Thời gian phản ứng – Phương pháp thông thường | Thời gian phản ứng – Siêu âm | Hiệu suất – Phương pháp thông thường (%) | Hiệu suất – 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 bão hòa mạch dài | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxy hóa các arylalkane | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Phản ứng cộng Michael của các nitroalkane vào các este không bão hòa α,β có một nhóm thế | 2 ngày | 2 h | 85% | 90% |
| Oxy hóa 2-octanol bằng permanganat | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Tổng hợp các chalcone bằng phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Phản ứng ghép cặp Ullmann của 2-iodonitrobenzene | 2 h | 2h | dưới 1,5% | 70,4% |
| Phản ứng Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(tham khảo Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: The Fundamentals of Process Intensification, Ấn bản đầu tiên. Do Wiley xuất bản năm 2019)
Tài liệu / 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 các thiết bị đồng nhất hóa bằng siêu âm hiệu suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.