Ультразвуковая активация химических процессов

Содержание

1. Ультразвуковая активация химических процессов
2. План лекции:Ультразвуковая активация химических процессов (сонохимия)Микроволновая активацияФотохимическая активация
3. Ультразвук1927 г. - Ричардс и Лумис: под
4. Звуковые волныЗвук - упругие волны, распространяющиеся в
5. КавитацияКавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости
6. КавитацияКоллапс пузырьков может вызывать очень высокие локальные
7. В ПОЛОСТИвысокие температуры и давленияНА ГРАНИЦЕменее экстремальные условия плюс ударные волныВ ОБЪЕМЕмощные поперечные (сдвигающие) силыКавитация
8. Генерирование радикалов под действием кавитации
9. Ультразвуковые преобразователиМагнитострикционный преобразователь – основан на свойстве
10. Методы введения ультразвука в реакторПомещение реактора в резервуар с облучаемой ультразвуком жидкостью
11. Методы введения ультразвука в реакторПомещение источника ультразвука
12. Ультразвук может влиять на:Распределение продуктов реакций (региоселективность)Скорость реакций (локальное повышение температуры)Механизм реакций
13. Ультразвук как правило не влияет на протекание
14. Ультразвук может резко влиять на гетерогенные реакции
15. Бензилцианид - сырье для производства фенилуксусной кислоты
16. Нанокластеры кобальта:Ферромагнетики и могут быть использованы в устройствах записи и хранения информации, магнитооптических приборах.Гетерогенные реакции:
17. СоноэлектрохимияУльтразвук очищает и активирует поверхность элетродовПод действием
18. Использование акустических колебаний в процессах сорбции позволяет
19. Микроволновая активацияМикроволны – электромагнитные волны с длиной
20. Микроволновая активация в органическом синтезе (Microwave Assisted
21. Механизм нагрева вещества микроволнамиПоляризация диэлектриков. Молекулы полиядерных
22. Хорошо нагреваются микроволнамиПлохо нагреваются микроволнамиполярные вещества с
23. Особенности микроволнового нагреваВ сравнении с обычным нагревом,
24. Микроволновая энергия может вводится в реактор удаленно,
25. Совмещение во времени и пространстве нескольких операцийПроведение
26. АппаратураMilestone SPMRMilestone MicroSynth
27. Реакции в перегретой водеДиэлектрическая проницаемость воды ε
28. Синтез N-арилпирролов
29. Синтез противотуберкулезного препарата «Изониазид»В условиях конвекционного нагрева
30. Фотохимическая активация
31. Еисходное состояниеhνвозбужденные состояниясинглетноетриплетноеФотохимическая активация
32. Фотохимические процессыПоглощение света и переход молекулы в
33. Процессы, которые могут протекать самопроизвольно после поглощения
34. Преимущества фотохимической активацииСокращение использования реагентовНизкие температуры реакцииКонтроль
35. Екоордината реакцииhνвозбужденное состояниепродукт 1 (терм.)продукт 2 (фото)реактантыповерхности энергий основного состоянияФотохимическая активация
36. ПримерыPNC-процессФотобромирование диэтилкарбоната
37. Примерыпровитамин Dпрeвитамин Dвитамин D2: R = С9H17витамин D3: R = С8H17
38. Требуются особые фотохимические реакторы«Непопулярные» технологические процессыЗасорение рабочих
39. Скачать презентанцию

План лекции:Ультразвуковая активация химических процессов (сонохимия)Микроволновая активацияФотохимическая активация

Главная
Разное
Ультразвуковая активация химических процессов

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1 «Зеленые» методы активации химических реакций

Слайд 2План лекции:
Ультразвуковая активация химических процессов (сонохимия)
Микроволновая активация
Фотохимическая активация

Слайд 3Ультразвук
1927 г. - Ричардс и Лумис: под воздействием ультразвука разложение

иодида калия в водном растворе с выделением йода.

1933 г.

– Бойте: образование аммиака и азотистой кислоты в воде, где растворен азот.

1964 г. - Маргулис, Сокольский и Эльпинер: цепная стереоизомеризация малеиновой кислоты в фумаровую.

Ультразвук1927 г. - Ричардс и Лумис: под воздействием ультразвука разложение иодида калия в водном растворе с выделением

Слайд 4Звуковые волны
Звук - упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие

в ней механические колебания

0
10
102
103
104
105
106
107
108
109
>1010
Гц

- инфразвук, < 16 Гц

- слышимый звук,

16 Гц – 20 кГц

- ультразвук, 20 кГц – 1 ГГц

- гиперзвук, > 1 ГГц

ультразвук, применяемый в сонохимии: 20 кГц – 2 МГц

Звуковые волныЗвук - упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания010102103104105106107108109>1010Гц- инфразвук, <

Слайд 5Кавитация
Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков,

или каверн), заполненных газом, паром или их смесью.

КавитацияКавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром

Слайд 6Кавитация
Коллапс пузырьков может вызывать очень высокие локальные температуры (порядка 5000

оС) и давления (более 1000 атм)

Ультразвук не влияет на колебательные

или вращательные состояния молекул.

КавитацияКоллапс пузырьков может вызывать очень высокие локальные температуры (порядка 5000 оС) и давления (более 1000 атм)Ультразвук не

Слайд 7В ПОЛОСТИ
высокие температуры и давления
НА ГРАНИЦЕ
менее экстремальные условия плюс ударные волны
В

ОБЪЕМЕ
мощные поперечные (сдвигающие) силы
Кавитация

В ПОЛОСТИвысокие температуры и давленияНА ГРАНИЦЕменее экстремальные условия плюс ударные волныВ ОБЪЕМЕмощные поперечные (сдвигающие) силыКавитация

Слайд 8Генерирование радикалов под действием кавитации

Слайд 9Ультразвуковые преобразователи
Магнитострикционный преобразователь – основан на свойстве ферромагнитных материалов уменьшаться

в размерах под действием магнитного поля.

Пьезоэлектрический преобразователь – основан на

пьезоэлектрическом эффекте

частоты < 100 кГц, электрич. эффективность – 60%

частоты всего ультразвукового диапазона, электрич. эффективность – 95%

Ультразвуковые преобразователиМагнитострикционный преобразователь – основан на свойстве ферромагнитных материалов уменьшаться в размерах под действием магнитного поля.Пьезоэлектрический преобразователь

Слайд 10Методы введения ультразвука в реактор
Помещение реактора в резервуар с облучаемой

ультразвуком жидкостью

Слайд 11Методы введения ультразвука в реактор
Помещение источника ультразвука непосредственно в реакционную

среду

Использование реакторов с вибрирующими на ультразвуковых частотах стенками

Методы введения ультразвука в реакторПомещение источника ультразвука непосредственно в реакционную средуИспользование реакторов с вибрирующими на ультразвуковых частотах

Слайд 12Ультразвук может влиять на:
Распределение продуктов реакций (региоселективность)

Скорость реакций (локальное повышение

температуры)

Механизм реакций

Ультразвук может влиять на:Распределение продуктов реакций (региоселективность)Скорость реакций (локальное повышение температуры)Механизм реакций

Слайд 13Ультразвук как правило не влияет на протекание гомогенных ионных реакций

По

механизму переноса электронов

Гидролиз сахарозы в кислой среде под действием ультразвука

с частотой до 2 МГц.

Гомогенные реакции:

Ультразвук как правило не влияет на протекание гомогенных ионных реакцийПо механизму переноса электроновГидролиз сахарозы в кислой среде

Слайд 14Ультразвук может резко влиять на гетерогенные реакции за счет процессов

на границе раздела фаз – изменения поверхностного натяжения, механического измельчения

и увеличения площади поверхности раздела фаз, усиления движения частиц и т.п.

Во многих случаях ультразвук является эквивалентом нагрева или механического перемешивания.

Гетерогенные реакции:

Слайд 15Бензилцианид - сырье для производства фенилуксусной кислоты и ее производных,

красок, духов, пестицидов, фармпрепаратов, использующегося в качестве катализатора или компонента

сложных катализаторов.

Гетерогенные реакции:

Бензилцианид - сырье для производства фенилуксусной кислоты и ее производных, красок, духов, пестицидов, фармпрепаратов, использующегося в качестве

Слайд 16Нанокластеры кобальта:

Ферромагнетики и могут быть использованы в устройствах записи и

хранения информации, магнитооптических приборах.

Гетерогенные реакции:

Нанокластеры кобальта:Ферромагнетики и могут быть использованы в устройствах записи и хранения информации, магнитооптических приборах.Гетерогенные реакции:

Слайд 17Соноэлектрохимия
Ультразвук очищает и активирует поверхность элетродов
Под действием ультразвука уменьшается накопление

пузырьков газа на поверхности электрода
Ультразвуковое перемешивание обеспечивает более равномерный транспорт

ионов через двойной электрический слой
Ультразвуковое перемешивание (кавитация) предотвращает снижение концентрации электроактивных частиц

СоноэлектрохимияУльтразвук очищает и активирует поверхность элетродовПод действием ультразвука уменьшается накопление пузырьков газа на поверхности электродаУльтразвуковое перемешивание обеспечивает

Слайд 18Использование акустических колебаний в процессах сорбции позволяет резко сократить продолжительность

насыщения сорбента, а в некоторых случаях и увеличить его емкость.

В

фармации - при растворении, экстракции, получении эмульсий, суспензий, изготовлении микрогранул, стерилизации.

Показано, что некоторые антибиотики (бензилпенициллин, стрептомицин, тетрациклин, мономицин и др.) под влиянием ультразвука увеличивают свою антибактериальную активность.

Использование акустических колебаний в процессах сорбции позволяет резко сократить продолжительность насыщения сорбента, а в некоторых случаях и

Слайд 19Микроволновая активация
Микроволны – электромагнитные волны с длиной волны от 1

мм до 1 м (частоты до 300 МГц)

ИК (IR)
МВ (MW)
Радио-волны
В бытовой

и промышленной нагревательной аппаратуре регламентированы частоты: 915, 2450, 5800, 22125 МГц.

Для микроволновой химии используется излучение с длиной волны 12.2 см (2450 МГц)

Микроволновая активацияМикроволны – электромагнитные волны с длиной волны от 1 мм до 1 м (частоты до 300

Слайд 20Микроволновая активация в органическом синтезе (Microwave Assisted Organic Synthesis (MAOS))

1986

г. - первые работы по применению МВА в органическом синтезе.

“MORE Chemistry” (microwave-induced organic reaction enhancement) или «ускорение органической реакции под действием микроволн».

Микроволновая активация

Слайд 21Механизм нагрева вещества микроволнами
Поляризация диэлектриков.
Молекулы полиядерных веществ в электростатическом

поле стремятся принять такое положение, чтобы их диполи расположились в

одном с ним направлении.
Частота 2450 МГц имеет тот же порядок, что и частоты вращения молекул.
МВИ вызывает вынужденное вращение полярных молекул.

Механизм нагрева вещества микроволнамиПоляризация диэлектриков. Молекулы полиядерных веществ в электростатическом поле стремятся принять такое положение, чтобы их

Слайд 22Хорошо нагреваются микроволнами
Плохо нагреваются микроволнами
полярные вещества с высокой диэлектрической проницаемостью (вода, этанол, ацетонитрил)
малополярные вещества

с низкой диэлектрической проницаемостью (углеводороды, CCl4, CO2, высоко упорядоченные кристаллические материалы)

H2O
ε = 78
лед
ε =

3.2

Хорошо нагреваются микроволнамиПлохо нагреваются микроволнамиполярные вещества с высокой диэлектрической проницаемостью (вода, этанол, ацетонитрил)малополярные вещества с низкой диэлектрической

Слайд 23Особенности микроволнового нагрева
В сравнении с обычным нагревом, микроволновое излучение поглощается

более эффективно.
Микроволны могут вызывать сильный «перегрев» жидкостей – нагрев намного

выше температуры кипения, при этом явных признаков кипения может и не быть

Температура и скорость нагрева сильно зависят от массы образца
Для равномерного нагрева часто используются твердые подложки (окись алюминия, силикагель)

при 100 оС – 16 ч, при 200 оС – менее 1 мин

скорость возрастает в 210 раз!

Особенности микроволнового нагреваВ сравнении с обычным нагревом, микроволновое излучение поглощается более эффективно.Микроволны могут вызывать сильный «перегрев» жидкостей

Слайд 24Микроволновая энергия может вводится в реактор удаленно, без контакта источника

с химическими веществами
Ввод энергии в вещество можно начать и закончить

немедленно
Скорости нагрева выше, чем при обычном термическом нагреве, если хотя бы один из компонентов смеси может сильно взаимодействовать с микроволнами
Реакции можно проводить без растворителя, обратного холодильника и в открытом сосуде

Преимущества микроволнового нагрева

Микроволновая энергия может вводится в реактор удаленно, без контакта источника с химическими веществамиВвод энергии в вещество можно

Слайд 25Совмещение во времени и пространстве нескольких операций
Проведение микроволнового нагрева под

давлением часто позволяет переводить исходные малорастворимые соединения в гомогенную фазу
Возможность

контроля и управления основными параметрами реакции
Безопасность в работе
Легкость в управлении и автоматизации

Преимущества микроволнового нагрева

Совмещение во времени и пространстве нескольких операцийПроведение микроволнового нагрева под давлением часто позволяет переводить исходные малорастворимые соединения

Слайд 26Аппаратура
Milestone SPMR
Milestone MicroSynth

Слайд 27Реакции в перегретой воде
Диэлектрическая проницаемость воды ε уменьшается с 78

при 25 оС до 20 при 300 оС, растворимость органических

веществ в воде значительно повышается.
При нагревании с 25 оС до 240 оС ионность воды возрастает в 1000 раз.

Реакции в перегретой водеДиэлектрическая проницаемость воды ε уменьшается с 78 при 25 оС до 20 при 300

Слайд 28 Синтез N-арилпирролов

Слайд 29Синтез противотуберкулезного препарата «Изониазид»
В условиях конвекционного нагрева

Слайд 30Фотохимическая активация

Слайд 31Е
исходное состояние
hν
возбужденные состояния
синглетное
триплетное
Фотохимическая активация

Слайд 32Фотохимические процессы
Поглощение света и переход молекулы в возбужденное состояние;

Первичные

фотохимические процессы с участием возбужденных молекул и образованием первичных фотохимических

продуктов;

Вторичные реакции веществ, образовавшихся в первичном процессе.

Фотохимические процессыПоглощение света и переход молекулы в возбужденное состояние; Первичные фотохимические процессы с участием возбужденных молекул и

Слайд 33Процессы, которые могут протекать самопроизвольно после поглощения реагентами светового импульса.

Свет - возбудитель и инициатор (цепные экзотермические процессы: хлорирование и

бромирование углеводородов, синтез некоторых полимеров).
Процессы, для проведения которых необходим непрерывный подвод световой энергии к реагентам (фотосинтез).
Процессы, в которых для повышения фотохимической эффективности в реакционную среду вводятся фотосенсибилизаторы.

Фотохимические процессы

Процессы, которые могут протекать самопроизвольно после поглощения реагентами светового импульса. Свет - возбудитель и инициатор (цепные экзотермические

Слайд 34Преимущества фотохимической активации
Сокращение использования реагентов

Низкие температуры реакции

Контроль селективности
фотоны – идеальные

реагенты, они активируют реакцию и полностью исчезают, не оставляя прямых загрязнений
фотохимические

реакции обычно не требуют нагрева

нагрев vs облучение

Преимущества фотохимической активацииСокращение использования реагентовНизкие температуры реакцииКонтроль селективностифотоны – идеальные реагенты, они активируют реакцию и полностью исчезают,

Слайд 35Е
координата реакции
hν
возбужденное состояние
продукт 1 (терм.)
продукт 2 (фото)
реактанты
поверхности энергий основного состояния
Фотохимическая активация

Екоордината реакцииhνвозбужденное состояниепродукт 1 (терм.)продукт 2 (фото)реактантыповерхности энергий основного состоянияФотохимическая активация

Слайд 36Примеры
PNC-процесс
Фотобромирование диэтилкарбоната

Слайд 37Примеры
провитамин D
прeвитамин D
витамин D2: R = С9H17
витамин D3: R =

С8H17

Слайд 38Требуются особые фотохимические реакторы
«Непопулярные» технологические процессы
Засорение рабочих стекол ламп
Высокая стоимость

фотонов
Общие проблемы фотохимических процессов
квантовый выход – число молекул продукта, полученных «с

помощью» одного фотона

Требуются особые фотохимические реакторы«Непопулярные» технологические процессыЗасорение рабочих стекол лампВысокая стоимость фотоновОбщие проблемы фотохимических процессовквантовый выход – число

Скачать презентацию

Разделы презентаций

Ультразвуковая активация химических процессов

Содержание

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1 «Зеленые» методы активации химических реакций

Слайд 2План лекции:Ультразвуковая активация химических процессов (сонохимия)Микроволновая активацияФотохимическая активация

Слайд 3Ультразвук1927 г. - Ричардс и Лумис: под воздействием ультразвука разложение

иодида калия в водном растворе с выделением йода. 1933 г.

Слайд 4Звуковые волныЗвук - упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие

в ней механические колебания010102103104105106107108109>1010Гц- инфразвук, < 16 Гц- слышимый звук,

Слайд 5КавитацияКавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков,

или каверн), заполненных газом, паром или их смесью.

Слайд 6КавитацияКоллапс пузырьков может вызывать очень высокие локальные температуры (порядка 5000

оС) и давления (более 1000 атм)Ультразвук не влияет на колебательные

Слайд 7В ПОЛОСТИвысокие температуры и давленияНА ГРАНИЦЕменее экстремальные условия плюс ударные волныВ

ОБЪЕМЕмощные поперечные (сдвигающие) силыКавитация

Слайд 8Генерирование радикалов под действием кавитации

Слайд 9Ультразвуковые преобразователиМагнитострикционный преобразователь – основан на свойстве ферромагнитных материалов уменьшаться

в размерах под действием магнитного поля.Пьезоэлектрический преобразователь – основан на

Слайд 10Методы введения ультразвука в реакторПомещение реактора в резервуар с облучаемой

ультразвуком жидкостью

Слайд 11Методы введения ультразвука в реакторПомещение источника ультразвука непосредственно в реакционную

средуИспользование реакторов с вибрирующими на ультразвуковых частотах стенками

Слайд 12Ультразвук может влиять на:Распределение продуктов реакций (региоселективность)Скорость реакций (локальное повышение

температуры)Механизм реакций

Слайд 13Ультразвук как правило не влияет на протекание гомогенных ионных реакцийПо

механизму переноса электроновГидролиз сахарозы в кислой среде под действием ультразвука

Слайд 14Ультразвук может резко влиять на гетерогенные реакции за счет процессов

на границе раздела фаз – изменения поверхностного натяжения, механического измельчения

Слайд 15Бензилцианид - сырье для производства фенилуксусной кислоты и ее производных,

красок, духов, пестицидов, фармпрепаратов, использующегося в качестве катализатора или компонента

Слайд 16Нанокластеры кобальта:Ферромагнетики и могут быть использованы в устройствах записи и

хранения информации, магнитооптических приборах.Гетерогенные реакции:

Слайд 17СоноэлектрохимияУльтразвук очищает и активирует поверхность элетродовПод действием ультразвука уменьшается накопление

пузырьков газа на поверхности электродаУльтразвуковое перемешивание обеспечивает более равномерный транспорт

Слайд 18Использование акустических колебаний в процессах сорбции позволяет резко сократить продолжительность

насыщения сорбента, а в некоторых случаях и увеличить его емкость.В

Слайд 19Микроволновая активацияМикроволны – электромагнитные волны с длиной волны от 1

мм до 1 м (частоты до 300 МГц)ИК (IR)МВ (MW)Радио-волныВ бытовой

Слайд 20Микроволновая активация в органическом синтезе (Microwave Assisted Organic Synthesis (MAOS))1986