ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC

20 2.7K 30
ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

- Trang - ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC Siêu âm tạo nhiệt độ cao bề mặt mặt trời áp suất cao đáy đại dương Trong số trường hợp, làm tăng hoạt tính hóa chất lên hàng triệu lần I GIỚI THIỆU Sóng siêu âm gì? Các môi trường chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) coi môi trường liên tục gồm phần tử liên kết chặt chẽ với Lúc bình thường, phần tử có vị trí cân bền Nếu tác động lực lên phần tử A bên môi trường này, rời khỏi vị trí cân bền Do tương tác tạo nên mối liên kết với phần tử bên cạnh, mặt phần tử A bị kéo vị trí cân bằng, mặt chịu tác dụng lực tác động nên phần tử A di chuyển qua lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa phần tử A thực chuyển động dạng dao động Hiện tượng tiếp tục xảy phần tử khác môi trường Dạng dao động cơ, có tính chất lặp lặp lại, lan truyền môi trường đàn hồi gọi sóng đàn hồi hay sóng cơ, nói cách khác, sóng tượng vật lý lượng dẫn truyền dạng dao động phần tử vật chất môi trường truyền sóng Về chất, sóng âm sóng học, tuân theo quy luật sóng cơ, tạo sóng âm cách tác động lực học vào môi trường truyền âm Các đại lượng đặc trưng sóng Hình hình biểu diễn sóng, tập hợp lần nén dãn thay đổi theo dạng hình sin, đỉnh sóng thể áp lực cao đáy sóng thể áp lực thấp Hình sóng học Các đại lượng đặc trưng sóng bao gồm: • Chu kỳ T (s) khoảng thời gian mà sóng thực lần nén lần dãn - Trang - Tần số f (Hz) số chu giây Vận tốc truyền sóng âm quãng đường mà sóng âm truyền đơn vị thời gian • Độ dài bước sóng λ (μm): quãng đường mà sóng truyền sau khoảng thời gian chu kỳ (λ = v.T = v/f) Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng λ khoảng cách hai đỉnh hai đáy nằm kế Phân loại sóng âm a Phân loại theo phương dao động: dựa vào cách truyền sóng, người ta chia sóng làm hai loại: sóng dọc sóng ngang • Sóng ngang sóng mà phương dao động phần tử môi trường vuông góc với tia sóng Sóng ngang xuất môi trường có tính đàn hồi hình dạng Tính chất có vật rắn • Sóng dọc sóng mà phương dao động phần tử môi trường trùng với tia sóng Sóng dọc xuất môi trường chịu biến dạng thể tích, truyền vật rắn môi trường lỏng khí b Phân loại theo tần số: sóng âm chia theo dải tần số thành vùng • Sóng âm tần số cực thấp, hay gọi sóng hạ âm (Infrasound): f < 16 Hz Ví dụ: sóng địa chấn • Sóng âm tần số nghe thấy (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz • Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz Các nguồn sóng siêu âm có tự nhiên: Dơi, vài loài cá biển phát sóng siêu âm để định hướng … Nói chung sóng nằm vùng tần số 20 – 100 kHz Sóng siêu âm thấy nhiều lĩnh vực khác Trong gia đình, thường sử dụng sóng siêu âm để huýt sáo báo hiệu cho chó, chuông chống trộm sử dụng việc làm đồ kim hoàn Trong y khoa, bác sĩ sử dụng sóng siêu âm để đánh tan loại bỏ sạn thận mà không cần phải làm phẫu thuật, chữa trị tổn thương sương sụn (như khuỷu tay), siêu âm hình ảnh thai nhi Trong công nghiệp, siêu âm quan trọng công nghiệp sản xuất mỹ phẩm thực phẩm, hàn plastic, khuấy trộn, làm vật có kích cỡ lớn • • II SÓNG SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC Sóng siêu âm lượng cao gây tượng xâm thực lòng chất lỏng thông qua trình xâm thực cung cấp nguồn lượng sử dụng để tăng cường loạt trình hóa học Chiếu xạ siêu âm làm tăng tốc độ phản ứng lên gấp nhiều lần Ảnh hưởng hóa học sóng siêu âm được chia thành ba hướng: âm hóa học đồng pha sử dụng dung dịch lỏng (homogeneous sonochemistry of liquids), âm hóa học dị - Trang - pha sử dụng hệ lỏng–lỏng hay lỏng–rắn (heterogeneous sonochemistry of liquid-liquid or liquid-solid systems) âm học xúc tác (sonocatalysis) Do cavitation diễn môi trường dung dịch nên phản ứng hóa học hệ rắn hay rắn –khí không sử dụng chiếu xạ siêu âm Sóng siêu âm có tần số khoảng 20 kHz đến 100 kHz, với tần số không tạo đủ lượng để tương tác trực tiếp lên liên kết hóa học (không thể làm đứt liên kết hóa học) Tuy nhiên, chiếu xạ siêu âm môi trường lỏng lại sản sinh lượng lớn, trình phụ thuộc vào môi trường phản ứng (môi trường đồng thể lỏng khác so với cavitation bề mặt tiếp xúc rắn-lỏng) Siêu âm chiếu xạ qua môi trường lỏng tạo chu trình dãn nở, gây áp suất chân không môi trường lỏng Hiện tượng xâm thực xảy áp suất chân không vượt so với độ bền kéo chất lỏng, độ bền thay đổi tùy theo loại độ tinh khiết chất lỏng Thông thường tượng trình tạo mầm, bắt nguồn từ chỗ yếu chất lỏng lỗ hổng chứa khí phân tán lơ lửng hệ vi bọt tồn thời gian ngắn Những vi bọt qua chiếu xạ siêu âm hấp thu dần lượng từ sóng âm lớn dần lên Sự phát triển bọt phụ thuộc vào cường độ sóng Ở cường độ sóng cao, bọt phát triển nhanh thông qua tương tác quán tính Nếu chu kỳ giãn nở sóng đủ nhanh, bọt khí giãn chu kỳ đầu chu kỳ lại nén bọt, bọt chưa kịp nén lại giãn tiếp, bọt lớn dần lên vỡ (Hình 2) Ở cường độ âm thấp bọt khí hình thành theo trình chậm Bọt dao động kích thước qua nhiều lần nén dãn, bọt có lượng khí có sẵn, khí tự dãn tự nén Bọt phát triển sau lần dãn khí tự (áp suất khí bên giảm) Khi bọt phát triển tới kích thước phát triển tiếp (ở trường hợp cường độ sóng cao thấp), bọt không hấp thu lượng nữa, không tiếp tục giữ hình dạng áp lực từ chất lỏng bên đẩy vào kết bọt vỡ vào Sự vỡ vào bọt không thường thấy môi trường phản ứng hóa học - Trang - Hình Quá trình lớn dần vỡ bọt Trong chất lỏng chiếu xạ siêu âm, nén khí diễn bọt bị vỡ vào áp lực chất lỏng bên ngoài, vỡ sinh lượng nhiệt điểm gọi tỏa nhiệt điểm (hot-spot) Tuy nhiên môi trường xung quanh lỏng lạnh gia nhiệt bị dập tắt nhanh chóng, nên tồn thời gian ngắn Hot-spot yếu tố định âm hóa học môi trường đồng thể Hình Chất lỏng chiếu xạ với siêu âm tạo bóng nước Những bóng nước dao động, lớn từ từ suốt trình chiếu xạ siêu âm Ở điều kiện thích hợp bong bóng bị sụp đổ dội, tạo áp lực nhiệt độ cao Quá trình gọi cavitation Hot spot có nhiệt độ xấp xỉ 5000 C, áp suất khoảng 1000 atm, thời gian sống ngắn µs, tốc độ gia nhiệt làm lạnh 10 tỉ độ C/s Một so sánh gần sau: hot-spot tạo nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ bề mặt mặt trời, áp suất lớn lòng đại dương, thời gian sống tia chớp, thời gian làm lạnh nhanh gấp hành - Trang - triệu lần nhúng sắt nóng đỏ vào chậu nước Sự tạo vỡ bọt lượng sóng âm chuyển lượng sang dạng có ích cho hóa học (cavitation) Cavitation Trong Môi Trường Lỏng-Rắn Khi tạo-vỡ bọt xảy gần bề mặt phân cách lỏng-rắn khác so với hệ đồng thể Trong hệ đồng thể trình vỡ bọt bọt dạng hình cầu đối xứng Tuy nhiên, ranh giới phân cách rắn lỏng vỡ bọt dạng bất đối xứng tạo phun chất lỏng với tốc độ cao (> 100 m/s) phía bề mặt rắn Hình hình Hình ảnh bóng khí vỡ bề mặt rắn Hình ảnh mô bóng khí vỡ bề mặt pha rắn Thế giãn nở bọt chuyển thành động vòi phun chất lỏng, hình thành di chuyển vào phía (phía bề mặt rắn), đâm xuyên qua bóng khí Những vòi bắn vào bề mặt rắn với lực lớn, trình tạo lỗ thủng vị trí bị tác kích, làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc pha rắn Đây nguyên nhân dẫn đến mài mòn kim loại nhanh chóng chân vịt tàu, tua bin nơi mà tạo-vỡ bọt xảy liên tục - Trang - Ảnh chụp máy quay vi phim cảm ứng laser tốc độ cao Quá trình cavitation gần bề mặt phân cách rắn lỏng, vòi nhỏ hình thành, bắn vào bề mặt rắn với vận tốc xấp xỉ 400 Km/giờ (111 m/s) Hình Sự bóp méo phá hủy bóng khí phụ thuộc vào bề mặt rắn Do vậy, sử dụng bột mịn cho vào pha lỏng sử dụng siêu âm không thấy hình thành vòi (jet) Trong trường hợp lỏng bột tạo-vớ bọt hình thành liên tục tạo sóng kích thích (shock waves) gây va chạm mạnh hạt Sóng kích thích làm cho hạt kim loại va chạm với tốc độ cao sinh nhiệt gây nóng chảy điểm va chạm, nên hạt bị dính với Hình ảnh SEM (Scanning electron micrograph) bột kẽm sau kích thích sóng siêu âm Đoạn nối hai hạt kiễm hình thành nóng chảy cục kết va chạm mạnh S J Doktycz K S Suslick sử dụng bột kim loại để ước lượng nhiệt độ tốc độ tối đa có va chạm hạt Khi bột crom, molybden tungsten kích thước vài micromet chiếu xạ sóng tần số 20 kHz, cường độ 50 watts/cm pha lỏng Sự kết tụ hàn gắn hạt lại với xảy kim loại thứ thứ hai , không xảy kim loại thứ ba Dựa vào nhiệt độ nóng chảy kim loại hai ông suy nhiệt độ tạo va chạm hạt kim loại - Trang - khoảng 3000 C Trên sở nhiệt độ va chạm này, hai ông xác định lượng tỏa va chạm, suy vận tốc va chạm vào khoảng 1800Km/giờ (500 m/s) Chú ý nhiệt độ trình va chạm hạt không liên quan đến nhiệt độ sinh từ tạo-vỡ bọt Hình ảnh SEM bột kim loại trước sau chiếu xạ siêu âm Crom nóng chảy 1857 C hạt crom bị biến dạng, kết tụ lại với Molybden nóng chảy 2617 C hạt Mo kết tụ lại với không hoàn toàn Tungsten nóng chảy 3410 C không bị ảnh hưởng Sonochemistry hệ dị thể: phản ứng pha rắn với pha lỏng Việc sử dụng siêu âm cường độ cao chất tỉ lượng để nâng cao khả phản ứng kim loại trở thành kỹ thuật tổng hợp quan trọng nhiều phản ứng hữu dị thể chất kim, đặc biệt phản ứng liên quan đến kim loại chẳng hạn magiê, lithium, kẽm Pierre Renaud người sử dụng (vào năm 1950) J.L Luche có đột phá gần Những ứng dụng sonochemistry phát triển nhanh chóng nhiều phòng thí nghiệm toàn giới Các hiệu ứng nói chung áp dụng cho phản ứng muối vô tốt Tốc độ phản ứng tăng 10 lần so với phản ứng bình thường, hiệu suất cải thiện đáng kể, thu sản phẩm Một vài ví dụ đơn giản sonochemistry ( dấu ))) chiếu xạ siêu âm): - Trang - Cơ chế cải tiến tốc độ phản ứng kim loại tìm thấy cách khảo sát hiệu ứng chiếu xạ siêu âm lên động học phản ứng hóa học chất rắn, khảo sát tác động xạ bề mặt cấu trúc phân bố kích thước bột chất rắn, xác định chiều cao mặt cắt thành phần nguyên tố bề mặt Doktycz Suslick thấy chiếu xạ siêu âm dung dịch huyền phù kim loại niken, kẽm, bột đồng dẫn đến thay đổi lớn cấu trúc Sự va trạm tốc độ cao hạt sinh huyền phù làm nhẵn (smoothing) hạt riêng lẻ (hình 9) kết tụ (thiêu kết) hạt lại thành khối (Hình 7) Thành phần bề mặt khảo sát quang phổ điện tử Auger đo phổ khối để đưa chiều sâu cácbề mặt loại bột Cho thấy chiếu xạ siêu âm loại bỏ lớp oxit không hoạt động bao phủ bề mặt Sự loại bỏ lớp oxit cải thiện đáng kể tốc độ phản ứng Hình Kết chiếu xạ siêu âm kết cấu bề mặt bột niken tốc độ va chạm hạt cao gây chiếu xạ siêu âm huyền phù Một ứng dụng khác siêu âm điều chế kim loại dạng vô định hình Siêu âm làm lạnh nhanh kim loại nóng chảy, làm kim loại chuyển từ lỏng sang rắn trước chuyển sang dạng kết tinh Kim loại vô định hình có đặc tính đặc biệt dẫn điện, từ tính kháng ăn mòn Tuy nhiên trở ngại lớn muốn tạo kim loại - Trang - vô định hình tốc độ làm lạnh phải nhanh, tốc độ đòi hỏi xấp xỉ 1.000.000K/giây Tốc độ làm lạnh ngâm sắt nóng đỏ vào bồn nước khoảng 2500K/giây Và siêu âm giải pháp cho vấn đề này, Suslick, S.-B Choe, A A Cichowlas M W Grinstaff sử dụng siêu âm để tổng hợp bột kim loại vô định hình cách phân hủy hợp chất hữu kim loại dễ bay Khám phá mở ứng dụng siêu âm tổng hợp pha đặc biệt nhiệt độ thấp Ví dụ, pentacarbonyl sắt phân hủy với siêu âm cho sắt vô định hình gần tinh chất Hình Ảnh SEM cho thấy mặt gãy dạng vỏ sò (có mặt cong , đặc trưng cho vật liệu vô định hình), ảnh phóng đại cho thấy bề mặt tập hợp nhiều trạng thái xốp dạng tổ ong kết tụ nhiều cụm nhỏ Sonochemistry dung dịch đồng thể Các hiệu ứng hóa học siêu âm dung dịch nước nghiên cứu nhiều năm Các sản phẩm chủ yếu H H O Các chất trung gian lượng cao bao gồm HO (superoxid), H· (nguyên tử hydro), OH· (hydroxyl), e − (aq) (điện tử bị solvat hóa) Peter Riesz sử dụng cộng hưởng thuận từ điện tử (electron paramagnetic resonance) với hóa chất bẫy spin (spin-traps) để chứng minh hình thành gốc H· OH· Trong chất lỏng hữu cơ, Suslick cho tổng áp suất thấp mức cần thiết cho sụp đổ bong bóng khí có hiệu quả, tất chất lỏng hữu sinh gốc tự bị chiếu xạ siêu âm Các sonolysis hydrocarbon đơn giản tạo sản phẩm loại kết hợp với trình nhiệt phân nhiệt nhiệt độ cao Hầu hết sản phẩm gồm H , CH alken đầu mạch nhỏ sinh từ chế gốc tự Một lượng lớn acetylen sinh khí bền nhiệt độ cao - Trang 10 - Quá trình sonochemistry chất tan tan chất lỏng hữu phần lớn chưa khám phá, hợp chất cacbonyl kim loại ngoại lệ Lần vào năm 1981, P.F Schubert, J.W Goodale Suslick sử dụng sonochemistry cho hợp chất kim thu kết tốt  Ứng dụng polymer Các polymer bị giảm cấp dung dịch chiếu xạ siêu âm Polymer phân hủy tạo chuỗi có độ dài mạch ngắn với trọng lượng phân tử phân bố tương đối đồng đều, phân cắt xảy chủ yếu trung tâm chuỗi polymer Một số chế đề xuất cho phân cắt sonochemical, thường mô tả vỡ học dây chuyền bọt khí gây sóng xung kích (shock wave : sóng kích động) dòng dung môi sinh xâm thực trình chiếu xạ siêu âm chất lỏng Sự giảm cấp polymer G.J Price sử dụng để tổng hợp loại copolyme khối Do trình siêu âm nước lượng nhỏ gốc OH· H· hình thành bóng khí trải qua loạt phản ứng liên tiếp bao gồm hình thành H O HO g có tính oxi hóa cao phản ứng với OH· khác bọt khí tan vào lòng chất lỏng, thời gian sống gốc OH· ngắn gốc có tác động đáng kể đến sinh vật hóa chất dung dịch nước Các dung môi hữu bị phân hủy từ từ trình sóng âm phân hủy dung môi bình thường, nhỏ so với phản ứng sonochemical diễn mức trung bình Sự hình thành gốc OH· H· khơi mào trình polymer hóa dây truyền Peter Kruus sử dụng siêu âm để khơi mào trình polymer hóa monomer khác dung dịch Sự sụp đổ bóng khí xâm thực gần giao diện chất lỏng gây trình trộn lẫn phân hủy, dẫn đến hình thành nhũ tương tốt Và ứng dụng polymer hóa nhũ tương Hình 11 Cavitation môi trường hai pha lỏng Sử dụng siêu âm xúc tác - Trang 11 - Phản ứng có xúc tác quan trọng phòng thí nghiệm ứng dụng công nghiệp Xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng mà không cần phải tăng nồng độ tác chất Phản ứng xúc tác thường chia làm hai loại : xúc tác đồng thể xúc tác dị thể Cả hai loại phản ứng xúc tác có chung vấn đề khó khăn hoạt tính xúc tác cao hay thấp thời gian sống xúc tác Siêu âm ứng dụng quan trọng hai xúc tác đồng thể dị thể Xúc tác dị thể thường ứng dụng công nghiệp nhiều xúc tác đồng thể Ví dụ, công nghiệp khai thác dầu mỏ loạt chuyển hóa xúc tác dị thể thực liên tục Xúc tác sử dụng xe để chuyển hóa khí thải làm hạn chế ô nhiễm môi trường Xúc tác thường kim loại đắt, platinum (Pt) rhodium (Rh) đắt tiền Vì sử dụng siêu âm làm tăng hoạt tính, làm giảm giá thành xúc tác III ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM TRONG MỘT VÀI QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP HỮU CƠ Thiết bị sử dụng phòng thí nghiệm Yêu cầu sonochemistry nguồn sóng siêu âm loại máy móc sử dụng đầu dò siêu âm biến đổi điện thành lượng âm Có ba loại thiết bị biến siêu âm (ultrasonic transducer) sử dụng sonochemistry dựa ba chế sau: truyền động chất lỏng (hiệu ứng tiếng rít chất lỏng) (liquid-driven - effectively liquid whistles), từ giảo (hiện tượng hình dạng, kích thước vật từ bị thay đổi tác dụng từ trường ngược lại, tính chất từ vật từ bị thay đổi có thay đổi hình dạng kích thước) áp điện Hầu hết thiết bị sử dụng cho sonochemistry sử dụng chuyển đổi làm từ gốm áp điện Đây vật liệu dễ vỡ phải kẹp khối kim loại để bảo vệ Các cấu trúc tổng thể biết đến áp điện “sandwich” Thông thường, hai phần tử gốm gép với chuyển động học tổng thể chúng có tính bổ xung (Hình 12) Đầu dò áp điện hiệu tùy thuộc vào kích thước nó, chế tạo để sử dụng toàn phạm vi siêu âm - Trang 12 - Hình 10 cấu tạo chuyển đổi sandwich áp điện Hai nguồn phổ biến siêu âm cho phòng thí nghiệm sonochemistry bồn đánh siêu âm (ultrasonic cleaning bath) đầu phát siêu âm (ultrasonic horn) hệ thống đầu dò Thường hoạt động tần số tương ứng khoảng 40 20 kHz a Bồn đánh siêu âm Bồn đánh siêu âm đơn giản phổ biến diện tích dử dụng rộng nguồn rẻ cho chiếu xạ siêu âm cho phòng thí nghiệm hóa học Mặc dù sử dụng bình phản ứng, điều thực vấn đề liên quan đến ăn mòn thành bình ngăn chặn thoát loại khí Cách sử dụng ngâm bình phản ứng vào bồn đánh siêu âm (Hình 13) Các bình phản ứng không cần thích ứng đặc biệt, đặt vào bồn, bầu khí trơ áp suất dễ dàng trì suốt phản ứng sonochemical Lượng lượng phản ứng xảy thông qua thành bình thấp thường từ đến Watt/cm Kiểm soát nhiệt độ bồn đánh siêu âm nói chung thô sơ thường điều khiển nhiệt tĩnh (thermostatic control) Hình 11 Bồn đánh siêu âm sonochemistry - Trang 13 - b Đầu dò hay sừng siêu âm (The ultrasonic probe) Hình 12 Hệ thống đầy dò siêu âm sonochemistry Bộ dụng cụ cho phép lượng âm đưa trực tiếp vào hệ thống dựa vào chuyển tải thông qua nước bình chứa thành bình phản ứng (Hình 14) Công suất hệ thống kiểm soát tối đa đạt vài trăm W/cm Hệ thống đầu dò đắt bồn đánh siêu âm thuận tiện sử dụng phải dùng tới van đặc biệt sừng sử dụng phản ứng có liên quan đến hồi lưu, không khí trơ, áp suất cao (hoặc thấp hơn) môi trường xung quanh Sự hoạt hóa kim loại Siêu âm sử dụng để thúc đẩy phản ứng liên quan đến kim loại thông qua hoạt hóa bề mặt qua ba cách (a) sonocation trình phản ứng, (b) tiền xử lý trước kim loại sử dụng phản ứng thông thường (c) tạo kim loại dạng khác nhiều dạng phản ứng khác • Dạng cổ điển việc sử dụng sóng siêu âm khơi mào nâng cao hiệu suất phản ứng tổng hợp liên quan đến kim loại chất phản ứng chất xúc tác Một ví dụ điều chế tác chất Grignard Vấn đề lớn tổng hợp tác chất Grignard điều kiện phản ứng halogen hữu kim loại dung môi ete khắc nghiệt, tất tác chất dung môi phải không chứa nước bề mặt magiê phải oxit điều kiện khó để đạt nhiều phương pháp khơi mào phản ứng xuất hiện, hầu hết dựa vào việc thêm hóa chất hoạt hóa vào hỗn hợp phản ứng Một phương pháp đơn giản khơi mào phản ứng sonocation hỗn hợp phản ứng bồn phản - Trang 14 - ứng siêu âm mà không cần phải bổ sung hóa chất hoạt hóa Sử dụng kỹ thuật chiếu xạ siêu âm ête khơi mào hình thành tác chất Grignard phút so với vài sử dụng phương pháp truyền thống (hình 15) Hình 13 Sự hình thành cyclopropan thông qua phản ứng Simmons-Smith bụi kẽm, CH I anken tỏa nhiệt đột ngột xảy sau thời gian tiếp xúc dự đoán trước, tạo bọt khó khăn việc loại bỏ hạt kim loại sản phẩm phản ứng Phương pháp thông thường để tăng hoạt phản ứng dựa hoạt hóa kim loại kẽm cách sử dụng dạng gép cặp bạc-kẽm đồngkẽm sử dụng iốt Lithium kết hợp với kim loại Những khó khăn thí nghiệm loại bỏ cách sử dụng phương pháp sonochemical mà không cần phải có kim loại kẽm hoạt hóa, cho hiệu suất cao tái sản xuất vật liệu cách sử dụng kim loại kẽm dạng (hình 16) Hình 14 • Sự khử hiđrô tetrahydronaphthalen thành naphtalen sử dụng 3% Pd/C digol ảnh hưởng sonocation tăng tốc cách chiếu xạ siêu âm (hình 17) Thông thường nhiệt độ phản ứng digol 200 ° C chuyển hóa khoảng 55% h (nhưng sau phản ứng không xảy nữa) có 17% phản ứng thời gian nhiệt độ 180 °C Dưới tác dụng sóng âm 180 °C phản ứng xảy hoàn toàn h Xung siêu âm (ở 50% chu kỳ) có hiệu sonocation liên tục chí 10% chu kỳ cho hiệu suất 80% Việc tiết kiệm lượng đáng quan tâm sử dụng quy mô công nghiệp Hình 15 • Hoạt hóa bề mặt sử dụng rộng dãi xúc tác, bột kim loại nickel thường chất xúc tác thô, hoạt hóa sonocation trước sử dụng Thông thường, bột niken đơn chất xúc tác cho trình hidro hóa anken chưa chiếu xạ siêu âm cho phản ứng tương đương với niken Raney (bột nhôm niken) Trong trường hợp này, sóng siêu âm làm giảm đột ngột diện tích bề mặt tập hợp hạt Đơn giản tiền sonocation niken μ m ethanol trước - Trang 15 - sử dụng có khả chuyển hóa bột niken từ dạng thô thành chất xúc tác chấp nhận cho phản ứng hydro hóa oct-1-en Quá trình khử muối kim loại thành kim loại mịn hoạt động, dễ phản ứng thông thường bao gồm hồi lưu muối kim loại THF với kim loại hoạt động kali Các điều kiện để sản xuất cải thiện cách sử dụng sóng siêu âm bột kim loại hoạt động sản xuất cách sử dụng lithium THF nhiệt độ phòng Một ví dụ việc sử dụng sonochemical tạo bột Rieke trình điều chế hợp chất organosilicon (silic hữu cơ) (hình 18) Hình 16 Một phương pháp tạo mịn kẽm kim loại sử dụng xung điện hóa siêu âm (sonoelectrochemistry) mà sừng siêu âm có vai trò cathod Điện phân (electrolysis) ZnCl dung dịch NH Cl, thu kẽm kết tủa cathod Khi điện phân 300 ms bật/tắt xung siêu âm cathod tỷ lệ 100: 200 ms bật/tắt, kẽm sinh dạng bột mịn Bột hoạt động mạnh so với bột kẽm thương mại, ví dụ phản ứng cộng brom ankyl vào benzaldehyde (hình 19) Hình 17 tổng hợp enzyme Một phạm vi ứng dụng sonochemistry sử dụng siêu âm để biến tính enzyme toàn tế bào phản ứng Sóng siêu âm lượng cao phá vỡ thành tế bào sinh học giải phóng thành phần chứa bên tế bào làm biến tính enzyme Do việc sử dụng siêu âm phải thận trọng sử dụng kết hợp với vật liệu sinh học Các điều kiện sóng âm phải điều khiển cẩn thận - Trang 16 - Hình 18 Kiểm soát trình sonocation sử dụng để "kích thích" thể huyền phù men baker để cung cấp nguồn sterol cyclase rẻ tiền (hình 20) Kỹ thuật đưa phương pháp tổng hợp enzym enantioselective sterol với số lượng tính gram Quan trọng sóng âm không ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống tế bào cyclase tự bảng chuyển hóa oxid hydrocacbon bất bão hòa thành sterol với men baker Những yêu cầu quan trọng enzyme sử dụng hai giai đoạn tổng hợp hiệu nhũ tương hóa hay phối trộn hệ thống Sonocation phương pháp sử dụng tổng hợp peptid (hình 21) Phương pháp có hiệu để pha trộn dung môi khác (bảng 3) Hình 19 bảng Tổng hợp dipeptid dung dịch nhũ tương Một cách khác có lẽ ví dụ đáng ý lựa chọn xác điều kiện tối ưu hóa trình sóng âm cho chuyển hóa cholesterol vi sinh vật - Trang 17 - thành cholestenone (hình 22) Các điều kiện tối ưu bao gồm nguồn chiếu xạ xung 2.8W áp dụng cho 5s phút 10 điều cho tăng sản lượng 40% Hình 20 Chuyển pha phản ứng liên quan Ảnh hưởng cavitation chất rắn huyền phù mô tả trên., hiệu ứng trở nên quan trọng trường hợp phản ứng có xúc tác chuyển phase rắn-lỏng N-ankyl hóa indole (một chất dẫn xuất amino acid tryptophan) với RBr [R = CH (CH ) 11 ] toluen 25°C với có mặt KOH rắn tạo có hiệu suất 19% sử dụng tert-butylammonium nitrat (hình 23) Hiệu suất cải thiện đáng kể sóng âm đến khoảng 90% sau 80 phút Hình 21 Một đường để điều chế axit amin thông qua tổng hợp aminonitril Các phản ứng trực tiếp aldehyd, KCN NH Cl acetonitril dẫn đến hỗn hợp sản phẩm, diện alumina sonocation phản ứng thực cách đặc thù (hình 24) Trong trường hợp benzaldehyd hiệu suất điều chế aminonitril thô theo cách khuấy benzoin với hydroxynitril điều kiện bình thường chiếm ưu (bảng 4) bảng Sự diện huyền phù alumina acetonitril làm tăng tỷ lệ aminonitril kết tổng thể điều kiện phản ứng tối ưu yêu cầu có mặt huyền phù nhôm oxit với sóng âm hiệu suất điều chế aminonitril đạt 90% - Trang 18 - Hình 22 vài tổng hợp khác Các ứng dụng tổng hợp tổng hợp siêu âm cacbonyl sắt dẫn đến tổng hợp ferrilactone hữu ích mô tả (hình 25) Nó cách điều chế dễ dàng suất tốt từ epoxit vinyl pentacarbonyl sắt, để thuận tiện an toàn dùng diiron nonacarbonyl Việc sử dụng ferrilacton với hỗ trợ siêu âm phản ứng samarium dioxit natri phenylcyanid tổng hợp sản phẩm tự nhiên xem xét Hình 23 Trialkylboran có thông qua phản ứng bậc thang boran với anken Sonocation thúc đẩy phản ứng nhanh chóng với chất có chướng ngại lập thể cao Các ứng dụng kỹ thuật tổng hợp bao gồm hydrobo hóa/oxy hóa nhóm vinyl - Trang 19 - Hình 24 Sonochemistry sử dụng để cải thiện phản ứng ankyl hóa Friedel-Crafts sử dụng để tổng hợp chất chống viêm ibuprofen Khi thực theo điều kiện cổ điển (2 25 °C) khả phản ứng 17% Dưới ảnh hưởng siêu âm, sử dụng điều kiện khác cải thiện đến 50% Hình 25 IV KẾT LUẬN Sự cavitation kết tập hợp lượng khổng lồ Năng lượng sóng siêu âm tạo nên tượng vỡ bọt, tượng giải phóng lượng gấp nghìn tỉ lần lượng sóng cung cấp Nó tạo nhiệt độ cực cao áp suất cực lớn Cavitation mở sở nghiên cứu hóa học vật lý điều kiện phản ứng khắc nghiệt Sonochemistry đưa hướng nghiên cứu tương tác lượng vật chất Hơn nữa, siêu âm có loạt ứng dụng công nghiệp tạo hệ nhũ tương, loại khí dung môi, tạo hệ phân tán rắn, tạo hệ keo Nó quan trọng trình xử lý chất rắn cắt, hàn, làm sạch, kết tụ Trong tương lai, việc sử dụng siêu âm để điều khiển phản ứng hóa học đa dạng Nó trở thành công cụ phổ biến gần phản ứng có diện chất rắn chất lỏng Ví dụ sản xuất dược phẩm, siêu âm - Trang 20 - làm tăng hiệu suất dễ dàng sử dụng cho hệ thống lớn công nghiệp Trong lĩnh vực phát triển xúc tác, siêu âm tạo bề mặt có diện tích lớn làm tăng hoạt tính chất xúc tác Siêu âm tạo vật liệu với đặc tính đặc biệt Nhiệt độ cao áp suất lớn, kết hợp với tốc độ làm lạnh nhanh cho phép nhà nghiên cứu tổng hợp chất rắn đặc biệt mà điều chế đường khác Và tính hiệu lạc quan siêu âm tìm thấy công nghiệp ứng dụng quan trọng tương lai [...]... sử dụng siêu âm đã làm tăng hoạt tính, làm giảm giá thành xúc tác III ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM TRONG MỘT VÀI QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP HỮU CƠ 1 Thiết bị sử dụng trong phòng thí nghiệm Yêu cầu đầu tiên của sonochemistry là một nguồn sóng siêu âm và bất cứ loại máy móc sử dụng đầu dò siêu âm biến đổi điện năng thành năng lượng âm Có ba loại thiết bị biến năng siêu âm (ultrasonic transducer) chính được sử dụng trong. .. sạch, kết tụ Trong tương lai, việc sử dụng siêu âm để điều khiển phản ứng hóa học sẽ rất đa dạng Nó sẽ trở thành công cụ phổ biến gần như trong bất cứ phản ứng nào có sự hiện diện của một chất rắn và một chất lỏng Ví dụ trong sản xuất dược phẩm, siêu âm sẽ - Trang 20 - làm tăng hiệu suất và dễ dàng sử dụng cho một hệ thống lớn như trong công nghiệp Trong lĩnh vực phát triển xúc tác, siêu âm tạo ra được... thương mại, ví dụ như trong phản ứng cộng brom ankyl vào benzaldehyde (hình 19) Hình 17 3 tổng hợp enzyme Một phạm vi ứng dụng của sonochemistry đó là sử dụng siêu âm để biến tính enzyme hoặc toàn bộ tế bào phản ứng Sóng siêu âm năng lượng cao phá vỡ thành tế bào sinh học giải phóng những thành phần chứa bên trong tế bào nhưng nó cũng có thể làm biến tính enzyme Do đó việc sử dụng siêu âm phải hết sức thận... tương ứng khoảng 40 và 20 kHz a Bồn đánh siêu âm Bồn đánh siêu âm đơn giản phổ biến nhất do diện tích dử dụng rộng và là nguồn rẻ nhất cho chiếu xạ siêu âm cho phòng thí nghiệm hóa học Mặc dù nó có thể sử dụng như là một bình phản ứng, điều này hiếm khi được thực hiện vì những vấn đề liên quan đến sự ăn mòn thành bình và ngăn chặn sự thoát hơi và các loại khí Cách sử dụng là ngâm bình phản ứng vào trong. .. đánh siêu âm và nó ít thuận tiện trong sử dụng bởi sẽ phải dùng tới các van đặc biệt nếu sừng được sử dụng trong các phản ứng có liên quan đến sự hồi lưu, không khí trơ, hoặc áp suất cao hơn (hoặc thấp hơn) môi trường xung quanh 2 Sự hoạt hóa kim loại Siêu âm có thể được sử dụng để thúc đẩy các phản ứng liên quan đến kim loại thông qua hoạt hóa bề mặt qua ba cách (a) sonocation trong quá trình phản ứng, ... tác dụng của sóng âm ở 180 °C phản ứng xảy ra hoàn toàn trong 6 h Xung siêu âm (ở 50% chu kỳ) có hiệu quả như sonocation liên tục và thậm chí chỉ 10% chu kỳ đã cho hiệu suất trên 80% Việc tiết kiệm năng lượng này rất đáng quan tâm khi sử dụng trong quy mô công nghiệp Hình 15 • Hoạt hóa bề mặt sử dụng rất rộng dãi trong xúc tác, bột kim loại như nickel thường là chất xúc tác thô, có thể được hoạt hóa. .. cách sử dụng kim loại kẽm ở dạng thanh hoặc lá (hình 16) Hình 14 • Sự khử hiđrô của tetrahydronaphthalen thành naphtalen sử dụng 3% Pd/C trong digol dưới ảnh hưởng của sonocation được tăng tốc bằng cách chiếu xạ siêu âm (hình 17) Thông thường nhiệt độ của các phản ứng trong digol ở 200 ° C chuyển hóa được khoảng 55% trong 6 h (nhưng sau đó phản ứng không xảy ra nữa) và chỉ có 17% phản ứng trong cùng... khiển nhiệt tĩnh (thermostatic control) Hình 11 Bồn đánh siêu âm trong sonochemistry - Trang 13 - b Đầu dò hay sừng siêu âm (The ultrasonic probe) Hình 12 Hệ thống đầy dò siêu âm trong sonochemistry Bộ dụng cụ này cho phép năng lượng âm được đưa trực tiếp vào hệ thống hơn là dựa vào chuyển tải thông qua nước trong bình chứa và thành bình phản ứng (Hình 14) Công suất của hệ thống kiểm soát được và tối... trước khi sử dụng Thông thường, bột niken đơn là chất xúc tác cho quá trình hidro hóa các anken chưa chiếu xạ siêu âm cho ra một phản ứng tương đương với niken Raney (bột nhôm và niken) Trong trường hợp này, sóng siêu âm đã làm giảm đột ngột diện tích bề mặt do sự tập hợp của các hạt Đơn giản là tiền sonocation niken 3 μ m trong ethanol trước - Trang 15 - khi sử dụng có khả năng chuyển hóa bột niken... Phản ứng có xúc tác rất quan trọng trong cả phòng thí nghiệm và ứng dụng trong công nghiệp Xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng mà không cần phải tăng nồng độ tác chất Phản ứng xúc tác thường chia làm hai loại : xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể Cả hai loại phản ứng xúc tác đều có chung một vấn đề khó khăn là hoạt tính của xúc tác cao hay thấp và thời gian sống của xúc tác là bao lâu Siêu âm là một ứng dụng ... kHz • Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz Các nguồn sóng siêu âm có tự nhiên: Dơi, vài loài cá biển phát sóng siêu âm để định hướng … Nói chung sóng nằm vùng tần số 20 – 100 kHz Sóng siêu âm thấy... nhiều lần Ảnh hưởng hóa học sóng siêu âm được chia thành ba hướng: âm hóa học đồng pha sử dụng dung dịch lỏng (homogeneous sonochemistry of liquids), âm hóa học dị - Trang - pha sử dụng hệ lỏng–lỏng... tay), siêu âm hình ảnh thai nhi Trong công nghiệp, siêu âm quan trọng công nghiệp sản xuất mỹ phẩm thực phẩm, hàn plastic, khuấy trộn, làm vật có kích cỡ lớn • • II SÓNG SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC Sóng

Ngày đăng: 24/11/2015, 11:31

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan