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Sonochemie
Finanzierung:
Fördergeber - Sonstige;
Einsatz von Ultraschall zur Aktivierung chemischer Reaktionen
Die Möglichkeit, chemische Reaktionen durch Ultraschall zu beeinflussen, wird in zunehmendem Maße genutzt. Ultraschall kommt bei der Dispergierung von Stoffen und Entgasung von Flüssigkeiten zur Anwendung. Der aktivierende Einfluss von Ultraschall verändert den Verlauf chemischer Reaktionen. Er ermöglicht es, die Reaktionstemperaturen zu erniedrigen und auf erhöhten Druck bei der Reaktion von Übergangsmetallcarbonylen zu verzichten. Zahlreiche Arbeiten berichten über vergleichsweise höhere Ausbeuten bei homogenen und besonders bei heterogenen Reaktionen, wenn Ultraschall zur Anregung von Metallen, wie Lithium, Magnesium Kupfer, Zink und Quecksilber genutzt wird. Diese Effekte werden der Wirkung der Kavitation zugeschrieben, was dazu führt, dass in der Lösung erzeugte und schwingende Gasblasen als Reaktionsraum füngieren. Deren Zusammenbruch erzeugt hohe Drucke (500 bar) und Temperaturen (2000 °C) auf kleinstem Raum. So entwickelte sich die Sonochemie in den letzten Jahren zu einem speziellen Gebiet, das als Hochtemperaturchemie in kondensierter Phase angesehen werden kann.
Ultraschall kann eine Depolymerisation von Hochpolymeren, die Spaltung von Wasser, in Wasserstoff und Wasserstoffperoxid, die Crackung von Erdöl und den gesteuerten Abbau von Carbonyl-Komplexen erwirken. Halogenierte Kohlenwasserstoffe reagieren nach einer Spaltung unter Halo-genierung von Übergangsmetallcarbonylkomple-xen. Als Lösungsmittel für Übergangsmetallkomplexe verwendete Kohlenwasserstoffe werden unter Bildung von Acetylen gespalten, so dass Acyty-lenkomplexe resultieren.
Für den Verlauf derartiger ultraschallaktivierter Reaktionen ist die Bildung von Radikalen und deren Rekombination nachgewiesen. Aus Wassermolekülen werden hochreaktive OH-Radikale erzeugt.
Nutzung von Ultraschall zum Abbau von Schadstoffen im Wasser In verschiedenen Arbeiten konnte in der Literatur gezeigt werden, dass unter der Einwirkung v on Ultraschallwellen, unterschiedlicher Frequenz und Leistung, in Wasser gelöste organische Verbindungen mit den erzeugten OH-Radikalen reagieren und teilweise auch vollständig gespalten werden. In anwendungsorietierten Untersuchungen wurde der Abbau von Chlorbenzol als Modellsubstanz im Wasser studiert. Chlorbenzol und andere Chlora-romaten treten unter den Altstandorten der Chemischen Industrie als Schadstoff im Grundwasser auf und sind somit von ökotoxikologischer Relevanz. Für den analytischen Nachweis dieser Verbindung im Wasser konnten zunächst einfache Verfahren, vorzugsweise die UV-Spektroskopie, herangezogen werden, so dass sich kinetische Untersuchungen zum Abbau von Chlorbenzol relativ einfach gestalten lassen.
Im Ergebnis der Untersuchungen konnte gezeigt werden, daß sich bei einer Ultraschallfrequenz von 33 kHz die Konzentration von Chlorbenzol in Wasser innerhalb von 60 min von 200 ppm bis unter die Nachweisgrenze reduzieren läßt. Diese Methode ist mit einem großen Energieeintrag verbunden, der in der Größenordnung von 50 W/cm2 liegt. Die Folge ist eine erhebliche Erwärmung des Reaktionssystems, so dass eine Kühlung erforderlich wird, um optimale Reaktionsbedingungen einhalten zu können.
Um den Energieeintrag zu verringern und die Raum-Zeit-Ausbeute wesentlich zu steigern wurden verschiedene Verbindungsklassen als Katalysatoren getestet. Für einige Verbindungsklassen von Metallverbindungen der Haupt- und Nebengruppenelemente konnte eine bemerkenswerte katalytische Wirkung nachgewiesen werden. Eine drastische Reduzierung der Reaktionszeiten wurde erreicht bei gleichen Umsatzraten der Modellsubstanz Chlorbenzol.
Beitrag dazu im Forschungsmarkt 2001 (pdf)

Schlagworte

Dispergierung, Entgasung, Katalysator, Kupfer, Lithium, Magnesium, Quecksilber, Sonochemie, Ultraschall, Zink, heterogen, homogen
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