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 cavitation được đặc trưng bởi điều kiện năng lượng dày đặc độc đáo, thúc đẩy và tăng cường phản ứng hóa học. Tốc độ phản ứng nhanh hơn, năng suất cao hơn và việc sử dụng thuốc thử màu xanh lá cây, 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 xử lý trong đó các phân tử trải qua phản ứng hóa học vì ứng dụng ultrasonication cường độ cao (ví dụ: 20 kHz). Hiện tượng chịu trách nhiệm cho các phản ứng sonochemical là cavitation âm thanh. Cavitation âm thanh hoặc siêu âm xảy ra khi sóng siêu âm mạnh mẽ được kết hợp thành một chất lỏng hoặc bùn. Do các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp xen kẽ gây ra bởi sóng siêu âm điện trong chất lỏng, bong bóng chân không (khoảng trống cavitational) được tạo ra, phát triển qua một số chu kỳ áp suất. Khi bong bóng chân không cavitational đạt đến một kích thước nhất định, nơi nó không thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn, bong bóng chân không nổ ra dữ dội và tạo ra một điểm nóng dày đặc năng lượng cao. Điểm nóng xảy ra cục bộ này được đặc trưng bởi nhiệt độ, áp suất và vi mô của máy bay phản lực chất lỏng cực nhanh.

Cavitation âm thanh và tác dụng của ultrasonication cường độ cao

Cavitation âm thanh, thường được gọi là cavitation siêu âm, có thể được phân biệt thành hai hình thức, cavitation ổn định và thoáng qua. Trong cavitation ổn định, bong bóng cavitation dao động nhiều lần xung quanh bán kính cân bằng của nó, trong khi trong cavitation thoáng qua, trong đó một bong bóng tồn tại ngắn trải qua những thay đổi khối lượng đáng kể trong một vài chu kỳ âm thanh và kết thúc trong một sự sụp đổ bạo lực (Suslick 1988). Cavitation ổn định và thoáng qua có thể xảy ra đồng thời trong các giải pháp và một bong bóng trải qua cavitation ổn định có thể trở thành một khoang thoáng qua. Sự nổ bong bóng, đặc trưng cho cavitation 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 đến vài 1000 bar, và dòng chất lỏng với vận tốc lên đến 1000m / s. Kể từ khi sự sụp đổ / nổ của bong bóng cavitation xảy ra trong ít hơn một nano giây, tỷ lệ sưởi ấm và làm mát rất cao vượt quá 10¹¹ K / s có thể được quan sát. Tốc độ sưởi ấm cao như vậy và c lệch áp suất có thể bắt đầu và tăng tốc phản ứng. Về các dòng chất lỏng đang xảy ra, các microjet tốc độ cao này cho thấy lợi ích đặc biệt cao khi nói đến bùn rắn-lỏng không đồng nhất. Các máy bay phản lực chất lỏng cản trở 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 tan chảy cục bộ. Do đó, một sự chuyển khối lượng được cải thiện đáng kể trong dung dịch được quan sát.

Cavitation siêu âm được tạo ra hiệu quả nhất trong chất lỏng và dung môi wit áp lực hơi thấp. Do đó, phương tiện truyền thông với áp suất hơi thấp là thuận lợi cho các ứng dụng sonochemical.
Kết quả của cavitation siêu âm, các lực lượng dữ dội được tạo ra có thể chuyển đổi con đường của các phản ứng để các tuyến đường hiệu quả hơn, do đó chuyển đổi hoàn chỉnh hơn và / hoặc sản xuất các sản phẩm phụ không mong muốn được tránh.
Không gian dày đặc năng lượng được tạo ra bởi sự sụp đổ của bong bóng cavitation được gọi là điểm nóng. Siêu âm tần số thấp, công suất cao trong phạm vi 20kHz và khả năng tạo ra biên độ cao được thiết lập tốt để tạo ra các điểm nóng dữ dội và 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 đầy đủ. Các phản ứng sonochemical có thể được thực hiện dưới dạng lô (tức là tàu mở) hoặc quy trình trực tuyến bằng lò phản ứng tế bào dòng chảy kín.

Sono tổng hợp

Sono-tổng hợp hoặc tổng hợp sonochemical là việc áp dụng cavitation ultrasonically tạo ra 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 đến các phân tử và liên kết hóa học. Ví dụ, các hiệu ứng sonochemical kết quả từ sonication dữ dội có thể dẫn đến 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 (NPs) (ví dụ: NPs vàng, NPs bạc), sắc tố, hạt nano vỏ lõi, nano-hydroxyapatite, khung hữu cơ kim loại (MOFs), thành phần dược phẩm hoạt động (API), hạt nano trang trí vi cầu, vật liệu tổng hợp nano trong số nhiều vật liệu khác.
Ví dụ: Siêu âm transesterification của Axit béo Methyl Esters (diesel sinh học) hoặc là sự transester hóa của polyol bằng siêu âm.

Hình ảnh TEM (A) và phân bố kích thước hạt (B) của các hạt nano bạc (Ag-NPs), đã được tổng hợp sonochemically trong điều kiện tối ưu.

Cũng được áp dụng rộng rãi là kết tinh ultrasonically thúc đẩy (kết tinh sono), nơi 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-xúc tác

Sonicating một hệ thống treo hóa học hoặc giải pháp có thể cải thiện đáng kể các phản ứng xúc tác. Năng lượng sonochemical làm giảm thời gian phản ứng, cải thiện nhiệt và chuyển 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 đáng kể từ việc áp dụng siêu âm điện và tác dụng sonochemical của nó. Bất kỳ phản ứng xúc tác chuyển pha không đồng nhất (PTC) liên quan đến hai hoặc nhiều chất lỏng không thể cưỡng lại hoặc một thành phần chất lỏng rắn, lợi ích từ sonication, năng lượng sonochemical và cải thiện khối lượng chuyển.
Ví dụ, phân tích so sánh về quá trình oxy hóa peroxide ướt im lặng và ultrasonically hỗ trợ ultrasonically của phenol trong nước cho thấy sonication làm giảm hàng rào năng lượng của phản ứng, nhưng không có tác động đến con đường phản ứng. Năng lượng kích hoạt cho quá trình oxy hóa phenol trên RuI₃ chất xúc tác trong sonication được tìm thấy là 13 kJ mol^-1, nhỏ hơn bốn lần so với quá trình oxy hóa im 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. Ví dụ phổ biến của ULTRASONICALLY hỗ trợ PTC là transesterification của axit béo tự do thành methyl ester (dầu diesel sinh học), thủy phân, saponification của 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 sử dụng linh hoạt, độ tin cậy và hoạt động đơn giản, các hệ thống sonochemical như UP400St hoặc là UIP2000hdT được coi là thiết bị hiệu quả cho các phản ứng hóa học. Hielscher Ultrasonics thiết bị sonochemical có thể dễ dàng sử dụng cho hàng loạt (cốc mở) 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 học cũng như trong các ngành công nghiệp khác.

Thiết bị sonochemical hiệu suất cao

Hielscher Ultrasonics là nhà cung cấp hàng đầu của bạn về ultrasonicators sáng tạo, hiện đại, tế bào dòng chảy sonochemical, 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 độ mạnh vượt trội và hoạt động 24/7/365 để hoạt động hiệu quả cao, Ultrasonicators Hielscher 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 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 cavitation dữ dội hơn. Cường độ cần thiết của cavitation mạnh mẽ phụ thuộc 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 nên được điều chỉnh chính xác để điều chỉnh cường độ cavitation âm thanh đến mức lý tưởng. Tất cả 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 máy móc. 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

Trong điểm nóng cavitation, nhiệt độ cực cao của hàng ngàn độ C có thể được quan sát. Tuy nhiên, những nhiệt độ khắc nghiệt này được giới hạn cục bộ trong nội thất phút và xung quanh bong bóng cavitation nổ. Trong dung dịch số lượng lớn, nhiệt độ tăng từ vụ nổ một hoặc vài bong bóng cavitation là không đáng kể. Nhưng sonication liên tục, dữ dội 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, có thể cần kiểm soát nhiệt độ. 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 các tế bào dòng chảy được trang bị áo khoác làm mát.
Các tế bào dòng chảy sonochemical và lò phản ứng của chúng tôi có sẵn với áo khoác làm mát, hỗ trợ tản nhiệt hiệu quả. Để theo dõi nhiệt độ liên tục, Ultrasonicators Hielscher được trang bị cảm biến nhiệt độ có thể cắm, có thể được đưa vào chất lỏng để đo liên tục nhiệt độ số lượng lớn. 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 một lần nữa. 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 được xây dựng của Hielscher giúp bạn giữ nhiệt độ của ứng dụng sonochemical của bạn trong phạm vi nhiệt độ lý tưởng.

Bảng dưới đây cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm: