الكيمياء الصوتية: ملاحظات تطبيقية

الكيمياء الصوتية هي تأثير التجويف بالموجات فوق الصوتية في الأنظمة الكيميائية. ونظرًا إلى الظروف القاسية التي تنشأ في «البقعة الساخنة» للتجويف، تُعد الموجات فوق الصوتية عالية القدرة طريقة فعالة جدًا لتحسين نتائج التفاعل (مردود أعلى وجودة أفضل)، ونسبة التحويل ومدة التفاعل الكيميائي. ولا يمكن تحقيق بعض التغيرات الكيميائية إلا بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية، مثل طلاء التيتانيوم أو الألومنيوم بالقصدير على المقياس النانوي.

تجد أدناه مجموعة مختارة من الجسيمات والسوائل مع توصيات مرتبطة بها بشأن كيفية معالجة المادة لطحن الجسيمات أو تشتيتها أو تفكيك تكتلاتها أو تعديلها باستخدام مجانس بالموجات فوق الصوتية.

تجد أدناه بعض بروتوكولات المعالجة بالموجات فوق الصوتية لإجراء تفاعلات كيميائية صوتية ناجحة!

بالترتيب الأبجدي:

كيتونات α-الإيبوكسي – تفاعل فتح الحلقة

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
أُجري الفتح التحفيزي لحلقة كيتونات α-الإيبوكسي باستخدام مزيج من الموجات فوق الصوتية والطرق الكيميائية الضوئية. واستُخدم 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate (NBTPT) محفزًا ضوئيًا. وبالجمع بين المعالجة بالموجات فوق الصوتية (الكيمياء الصوتية) والكيمياء الضوئية لهذه المركبات في وجود NBTPT، تحقق فتح حلقة الإيبوكسيد. وثبت أن استخدام الموجات فوق الصوتية زاد معدل التفاعل المستحث بالضوء زيادة كبيرة. ويمكن للموجات فوق الصوتية أن تؤثر تأثيرًا كبيرًا في الفتح التحفيزي الضوئي لحلقة كيتونات α-الإيبوكسي، ويُعزى ذلك أساسًا إلى الانتقال الفعال للكتلة في المواد المتفاعلة والحالة المثارة لـ NBTPT. كذلك يحدث انتقال الإلكترونات بين الأنواع النشطة في هذا النظام المتجانس عند استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية
بسرعة أكبر مقارنة بالنظام دون هذه المعالجة. ويُعد ارتفاع المردود وقِصر أزمنة التفاعل من مزايا هذه الطريقة.

الفتح التحفيزي الضوئي لحلقة كيتونات α-الإيبوكسي بمساعدة الموجات فوق الصوتية (الدراسة والرسم: ©Memarian وزملاؤه 2007)

بروتوكول المعالجة بالموجات فوق الصوتية:
حُضّرت كيتونات α-الإيبوكسي 1a-f و1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate 2 وفقًا للإجراءات المنشورة. واشتُري الميثانول من Merck وقُطّر قبل الاستخدام. وكان الجهاز المستخدم جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP400S من Hielscher Ultrasonics GmbH. واستُخدم بوق غمر بالموجات فوق الصوتية S3 (يُعرف أيضًا بالمسبار أو السونوترود) يُصدر موجات فوق صوتية بتردد 24 kHz عند مستويات شدة قابلة للضبط حتى كثافة قدرة صوتية قصوى تبلغ 460Wcm^-2 . وأُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية عند 100% (سعة قصوى 210μm). وغُمر السونوترود S3 (أقصى عمق غمر 90mm) مباشرة في مزيج التفاعل. وأُجري التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية باستخدام مصباح زئبقي عالي الضغط بقدرة 400W من Narva، مع تبريد العينات في زجاج Duran. وقِيست أطياف ¹H NMR لمزيج النواتج الضوئية في محاليل CDCl₃ المحتوية على رباعي ميثيل السيلان (TMS) معيارًا داخليًا باستخدام جهاز Bruker drx-500 (500 MHz). وأُجريت كروماتوغرافيا الطبقة التحضيرية (PLC) على ألواح بأبعاد 20 × 20cm² مطلية بطبقة بسماكة 1mm من هلام السيليكا Merck PF₂₅₄ ، حُضّرت بتطبيق السيليكا على هيئة ملاط وتجفيفها في الهواء. وجميع النواتج معروفة، وقد نُشرت بياناتها الطيفية سابقًا.
الجهاز الموصى به:
UP400S مع بوق بالموجات فوق الصوتية S3
المرجع/الورقة البحثية:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): الفتح التحفيزي الكيميائي الضوئي الصوتي لحلقة كيتونات α-الإيبوكسي. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

محفز الألومنيوم/النيكل: تشكيل البنية النانوية لسبيكة Al/Ni

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
يمكن تعديل جسيمات Al/Ni كيميائيًا صوتيًا بتشكيل بنية نانوية لسبيكة Al/Ni الأولية. وبذلك يُنتَج محفز فعال لهدرجة الأسيتوفينون.
تحضير محفز Al/Ni بالموجات فوق الصوتية:
شُتّت 5g من سبيكة Al/Ni التجارية في ماء منقّى (50mL)، وعولجت بالموجات فوق الصوتية لمدة تصل إلى 50 min. باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UIP1000hd (1kW, 20kHz)، المجهز ببوق بالموجات فوق الصوتية BS2d22 (مساحة الرأس 3.8 cm²) والمعزز B2-1.8. وحُسبت الشدة القصوى لتكون 140 Wcm⁻² عند سعة ميكانيكية تبلغ 106μm. ولتجنب ارتفاع درجة الحرارة أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية، أُجريت التجربة في خلية مضبوطة الحرارة. وبعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية، جُففت العينة تحت التفريغ باستخدام مسدس حراري.
الجهاز الموصى به:
UIP1000hd مع سونوترود BS2d22 وبوق معزز B2–1.2
المرجع/الورقة البحثية:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): التنشيط الكيميائي الصوتي لمحفز الهدرجة Al/Ni. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

الأسترة التبادلية لإنتاج الديزل الحيوي باستخدام محفز MgO

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
دُرس تفاعل الأسترة التبادلية تحت خلط مستمر بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UP200S، مع دراسة معاملات مختلفة مثل كمية المحفز والنسبة المولية للميثانول إلى الزيت ودرجة حرارة التفاعل ومدته. وأُجريت تجارب الدفعات في مفاعل من الزجاج الصلب (300 ml، قطر داخلي 7 cm) بغطاء ذي عنقين ووصلات زجاجية مصنفرة. ووُصل أحد العنقين بسونوترود من التيتانيوم S7 (قطر الطرف 7 mm) تابع لمعالج الموجات فوق الصوتية UP200S (200W, 24kHz). وضُبطت سعة الموجات فوق الصوتية عند 50% مع 1 دورة في الثانية. وعولج مزيج التفاعل بالموجات فوق الصوتية طوال زمن التفاعل. وزُوّد العنق الآخر لحجرة المفاعل بمكثف مُصمم خصيصًا، مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ ومبرد بالماء، لإرجاع الميثانول المتبخر بالتكثيف الراجع. ووُضع الجهاز بأكمله في حمام زيتي ثابت الحرارة يتحكم فيه متحكم في درجة الحرارة تناسبي تكاملي تفاضلي. ويمكن رفع درجة الحرارة إلى 65°C بدقة ±1°C. واستُخدم زيت مستعمل وميثانول بنقاوة 99.9% موادَّ للأسترة التبادلية لإنتاج الديزل الحيوي. واستُخدم MgO نانوي الحجم مترسب من الدخان (شريط مغنيسيوم) محفزًا.
وتحققت نتيجة تحويل ممتازة عند استخدام محفز بنسبة 1.5 wt%؛ وعند نسبة مولية للميثانول إلى الزيت تبلغ 5:1 ودرجة حرارة 55°C، تحقق تحويل بنسبة 98.7% بعد 45 min.
الجهاز الموصى به:
UP200S مع سونوترود بالموجات فوق الصوتية S7
المرجع/الورقة البحثية:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): دراسات حول إنتاج الديزل الحيوي كيميائيًا صوتيًا باستخدام محفز MgO نانوي مترسب من الدخان. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

تخليق متراكب نانوي من الكادميوم(II)–ثيوأسيتاميد

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
خُلّقت متراكبات نانوية من الكادميوم(II)–ثيوأسيتاميد في وجود كحول البولي فينيل وغيابه بالطريقة الكيميائية الصوتية. وللتخليق الكيميائي الصوتي (التخليق الصوتي)، أُذيب 0.532 g من أسيتات الكادميوم(II) ثنائية الهيدرات (Cd(CH3COO)2.2H2O)، و0.148 g من الثيوأسيتاميد (TAA, CH3CSNH2)، و0.664 g من يوديد البوتاسيوم (KI) في 20mL من ماء منزوع الأيونات ومقطر مرتين. وعولج هذا المحلول بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية عالي القدرة من نوع المسبار UP400S (24 kHz, 400W) عند درجة حرارة الغرفة لمدة 1 h. وأثناء معالجة مزيج التفاعل بالموجات فوق الصوتية، ارتفعت درجة الحرارة إلى 70–80degC، وفقًا للقياس بمزدوج حراري من الحديد–constantin. وبعد ساعة واحدة تشكّل راسب أصفر زاهٍ. وعُزل بالطرد المركزي (4,000 rpm, 15 min)، وغُسل بماء مقطر مرتين ثم بالإيثانول المطلق لإزالة الشوائب المتبقية، وجُفف أخيرًا في الهواء (المردود: 0.915 g, 68%). درجة التحلل 200°C. ولتحضير المتراكب النانوي البوليمري، أُذيب 1.992 g من كحول البولي فينيل في 20 mL من ماء منزوع الأيونات ومقطر مرتين، ثم أُضيف إلى المحلول المذكور أعلاه. وشُعّع هذا المزيج بالموجات فوق الصوتية باستخدام المسبار فوق الصوتي UP400S لمدة 1 h، فتشكّل ناتج برتقالي زاهٍ.
وأظهرت نتائج المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن أحجام الجسيمات انخفضت في وجود PVA من نحو 38 nm إلى 25 nm. ثم خُلّقت جسيمات CdS نانوية ذات بنية بلورية سداسية ومورفولوجيا كروية من التحلل الحراري للمتراكب النانوي البوليمري، الكادميوم(II)–ثيوأسيتاميد/PVA، بوصفه مادة سلفًا. وقِيس حجم جسيمات CdS النانوية باستخدام كل من حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وكانت النتائج متوافقة جدًا فيما بينها.
ووجد Ranjbar وزملاؤه (2013) أيضًا أن المتراكب النانوي البوليمري Cd(II) مادة سلف مناسبة لتحضير جسيمات نانوية من كبريتيد الكادميوم ذات مورفولوجيات مثيرة للاهتمام. وكشفت جميع النتائج أن التخليق بالموجات فوق الصوتية يمكن استخدامه بنجاح بوصفه طريقة بسيطة وفعالة ومنخفضة التكلفة وصديقة للبيئة وواعدة جدًا لتخليق مواد نانوية، دون الحاجة إلى ظروف خاصة مثل درجات الحرارة العالية وأزمنة التفاعل الطويلة والضغط العالي.
الجهاز الموصى به:
UP400S
المرجع/الورقة البحثية:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): تخليق متراكبات الكادميوم–ثيوأسيتاميد النانوية وتوصيفها. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – مطلي بحمض الستياريك باستخدام الموجات فوق الصوتية

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
طلاء CaCO₃ المترسب نانويًا (NPCC) بحمض الستياريك باستخدام الموجات فوق الصوتية لتحسين تشتته في البوليمر وتقليل التكتل. وعولج 2g من CaCO₃ المترسب نانويًا وغير المطلي (NPCC) بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UP400S في 30ml من الإيثانول. وأُذيب حمض الستياريك بنسبة 9 wt% في الإيثانول. ثم خُلط الإيثانول المحتوي على حمض الستياريك مع المعلق المعالج بالموجات فوق الصوتية.
الجهاز الموصى به:
UP400S مع سونوترود بقطر 22mm (H22D)، وخلية التدفق المزودة بغلاف تبريد
المرجع/الورقة البحثية:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): تأثيرات الموجات فوق الصوتية في طلاء CaCO3 المترسب نانويًا بحمض الستياريك. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

سيلان مشوب بنترات السيريوم

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
استُخدمت ألواح من الفولاذ الكربوني المدرفل على البارد (6.5cm, 6.5cm, 0.3cm؛ منظفة كيميائيًا ومصقولة ميكانيكيًا) ركائز معدنية. وقبل تطبيق الطلاء، نُظفت الألواح بالموجات فوق الصوتية باستخدام الأسيتون، ثم نُظفت بمحلول قلوي (محلول NaOH بتركيز 0.3mol L1) عند 60°C لمدة 10 min. وللاستخدام بوصفه طلاءً تمهيديًا، قبل المعالجة المسبقة للركيزة، خُففت تركيبة نموذجية تتضمن 50 جزءًا من γ-غليسيدوكسي بروبيل ثلاثي ميثوكسي سيلان (γ-GPS) بنحو 950 جزءًا من الميثانول، عند pH 4.5 (ضُبط بحمض الأسيتيك)، وأُتيح للسيلان أن يتحلل مائيًا. وكان إجراء تحضير السيلان المشوب بأصباغ نترات السيريوم مماثلًا، باستثناء إضافة نترات السيريوم بنسب 1, 2, 3 wt% إلى محلول الميثانول قبل إضافة (γ-GPS)، ثم خُلط هذا المحلول بمقلب مروحي عند 1600 rpm لمدة 30 min. عند درجة حرارة الغرفة. وبعد ذلك، عولجت المشتتات المحتوية على نترات السيريوم بالموجات فوق الصوتية لمدة 30 min عند 40°C باستخدام حمام تبريد خارجي. وأُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hd (1000W, 20 kHz)، بقدرة موجات فوق صوتية داخلة تبلغ نحو 1 W/mL. وأُجريت المعالجة المسبقة للركيزة بشطف كل لوح لمدة 100 sec. بمحلول السيلان المناسب. وبعد المعالجة، تُركت الألواح لتجف عند درجة حرارة الغرفة لمدة 24 h، ثم طُليت الألواح المعالجة مسبقًا بإيبوكسي ثنائي المكونات يُصلّد بالأمين (Epon 828, shell Co.) لتكوين طبقة رطبة بسماكة 90μm. وأُتيح للألواح المطلية بالإيبوكسي أن تتصلد لمدة 1h عند 115°C؛ وبعد تصلد طلاءات الإيبوكسي، كانت سماكة الطبقة الجافة نحو 60μm.
الجهاز الموصى به:
UIP1000hd
المرجع/الورقة البحثية:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): التأثيرات الكهروكيميائية للمعالجات المسبقة بالسيلان المحتوي على نترات السيريوم في خصائص الانفصال الكاثودي لطلاءات الإيبوكسي على الفولاذ. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

هياكل النحاس–الألومنيوم: تخليق هياكل Cu-Al مسامية

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
يُعد النحاس–الألومنيوم المسامي المثبت بأكسيد معدني محفزًا بديلًا جديدًا واعدًا لنزع الهيدروجين من البروبان، وهو خالٍ من المعادن النبيلة أو الخطرة. وتشبه بنية سبيكة Cu–Al المسامية المؤكسدة (الإسفنج المعدني) بنية المعادن من نوع Raney. وتُعد الموجات فوق الصوتية عالية القدرة أداة من أدوات الكيمياء الخضراء لتخليق هياكل نحاس–ألومنيوم مسامية مثبتة بأكسيد معدني. وهي غير مكلفة (تكلفة الإنتاج نحو 3 EUR/liter)، ويمكن توسيع نطاق الطريقة بسهولة. وتتميز هذه المواد المسامية الجديدة (أو «الإسفنجات المعدنية») بكتلة داخلية من السبيكة وسطح مؤكسد، ويمكنها تحفيز نزع الهيدروجين من البروبان عند درجات حرارة منخفضة.
إجراء تحضير المحفز بالموجات فوق الصوتية:
شُتّتت خمسة غرامات من مسحوق سبيكة Al–Cu في ماء فائق النقاوة (50mL)، وعولجت بالموجات فوق الصوتية لمدة 60 min باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار Hielscher UIP1000hd (20kHz، قدرة خرج قصوى 1000W). وزُوّد الجهاز من نوع المسبار بسونوترود BS2d22 (مساحة الطرف 3.8cm²) وبوق معزز B2–1.2. وحُسبت الشدة القصوى لتكون 57 W/cm² عند سعة ميكانيكية تبلغ 81μm. وأثناء المعالجة، بُردت العينة في حمام ثلجي. وبعد المعالجة، جُففت العينة عند 120°C لمدة 24 h.
الجهاز الموصى به:
UIP1000hd مع سونوترود BS2d22 وبوق معزز B2–1.2
المرجع/الورقة البحثية:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): محفزات نحاس–ألومنيوم جديدة وفعالة لنزع الهيدروجين من البروبان. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

تحلل فثالوسيانين النحاس

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
إزالة لون الفثالوسيانينات المعدنية وتفكيكها
يُعالج فثالوسيانين النحاس بالموجات فوق الصوتية مع الماء والمذيبات العضوية عند درجة حرارة المحيط والضغط الجوي، في وجود كمية تحفيزية من عامل مؤكسد، باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UIP500hd بقدرة 500W والمزود بحجرة fold-trough، عند مستوى قدرة يبلغ 37–59 W/cm²: عينة بحجم 5 mL (100 mg/L)، وماء 50 D/D مع الكلوروفورم والبيريدين عند 60% من سعة الموجات فوق الصوتية. درجة حرارة التفاعل: 20°C.
الجهاز الموصى به:
UIP500hd

الذهب: التعديل المورفولوجي لجسيمات الذهب النانوية

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
عُدّلت جسيمات الذهب النانوية مورفولوجيًا تحت تشعيع مكثف بالموجات فوق الصوتية. ووُجد أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 20 min. في ماء نقي وفي وجود مواد خافضة للتوتر السطحي كانت كافية لدمج جسيمات الذهب النانوية في بنية تشبه الدمبل. وبعد 60 min. من المعالجة بالموجات فوق الصوتية، تكتسب جسيمات الذهب النانوية بنية شبيهة بالدودة أو بالحلقة في الماء. وتشكّلت بالموجات فوق الصوتية جسيمات نانوية مندمجة ذات أشكال كروية أو بيضاوية في وجود محاليل كبريتات دوديسيل الصوديوم أو دوديسيل أمين.
بروتوكول المعالجة بالموجات فوق الصوتية:
للتعديل بالموجات فوق الصوتية، عولج محلول الذهب الغروي، المكوّن من جسيمات ذهب نانوية مُشكّلة مسبقًا ومحمية بالسترات بمتوسط قطر 25nm (± 7nm)، بالموجات فوق الصوتية في حجرة مفاعل مغلقة (حجم نحو 50mL). وشُعّع محلول الذهب الغروي (0.97 mmol·L^-1) بالموجات فوق الصوتية بشدة عالية (40 W/cm^-2) باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W)، المجهز بسونوترود من سبيكة التيتانيوم BS2d18 (قطر الطرف 0.7 inch)، غُمر على عمق نحو 2 cm تحت سطح المحلول المعالج بالموجات فوق الصوتية. ومُرّر غاز الأرجون في الذهب الغروي (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) لمدة 20 min. قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية وأثناءها، بمعدل 200 mL·min^-1 لإزالة الأكسجين من المحلول. وجُمِع جزء بحجم 35-mL من كل محلول مادة خافضة للتوتر السطحي، دون إضافة سترات ثلاثي الصوديوم ثنائية الهيدرات، مع 15 mL من الذهب الغروي المُشكّل مسبقًا عن طريق الإضافة، مع تمرير فقاعات غاز الأرجون لمدة 20 min. قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية وأثناءها.
الجهاز الموصى به:
UIP1000hd مع سونوترود BS2d18 ومفاعل خلية التدفق
المرجع/الورقة البحثية:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): دمج جسيمات الذهب النانوية المُشكّلة مسبقًا بمساعدة الموجات فوق الصوتية. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

الأسمدة غير العضوية – استخلاص Cu وCd وPb بالنض لأغراض التحليل

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
استخلاص Cu وCd وPb من الأسمدة غير العضوية لأغراض التحليل:
للاستخلاص بالموجات فوق الصوتية للنحاس والرصاص والكادميوم، تُعالج العينات المحتوية على مزيج من السماد والمذيب بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز مثل جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية VialTweeter للمعالجة غير المباشرة بالموجات فوق الصوتية. وعولجت عينات السماد بالموجات فوق الصوتية في وجود 2mL من محلول بتركيز 50% (v/v) من HNO₃ في أنابيب زجاجية لمدة 3 دقائق. ويمكن تحديد مستخلصات Cu وCd وPb باستخدام مطيافية الامتصاص الذري باللهب (FAAS).
الجهاز الموصى به:
VialTweeter
المرجع/الورقة البحثية:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): طريقة تحليلية بديلة لتحديد المعادن في الأسمدة غير العضوية اعتمادًا على الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

تخليق اللاتكس

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
تحضير لاتكس P(St-BA)
خُلّقت جسيمات لاتكس بولي(ستايرين-r-أكريلات البوتيل) P(St-BA) ببلمرة المستحلب في وجود المادة الخافضة للتوتر السطحي DBSA. وأُذيب أولًا 1 g من DBSA في 100mL من الماء في دورق ثلاثي الأعناق، وضُبطت قيمة pH للمحلول عند 2.0. وصُب مزيج المونومرات المكوّن من 2.80g من St و8.40g من BA مع البادئ AIBN (0.168g) في محلول DBSA. وحُضّر مستحلب الزيت في الماء (O/W) بالتحريك المغناطيسي لمدة 1 h، تلاه العلاج بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hd المجهز ببوق بالموجات فوق الصوتية (مسبار/سونوترود) لمدة 30 min. إضافية في حمام ثلجي. وأخيرًا، أُجريت البلمرة عند 90degC في حمام زيتي لمدة 2h تحت جو من النيتروجين.
الجهاز الموصى به:
UIP1000hd
المرجع/الورقة البحثية:
تصنيع أغشية مرنة موصلة مشتقة من poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) على ركيزة من الأقمشة غير المنسوجة. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
انقر هنا لقراءة المزيد عن التخليق الصوتي للاتكس!

إزالة الرصاص (الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية)

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
استخلاص الرصاص بالنض بالموجات فوق الصوتية من التربة الملوثة:
أُجريت تجارب الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية باستخدام مجانس بالموجات فوق الصوتية UP400S مزود بمسبار صوتي من التيتانيوم (قطره 14mm)، يعمل بتردد 20kHz. وعُيّر المسبار فوق الصوتي (السونوترود) بالقياس الحراري، مع ضبط شدة الموجات فوق الصوتية عند 51 ± 0.4 W cm^-2 لجميع تجارب الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية. وضُبطت حرارة تجارب الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية باستخدام خلية زجاجية ذات قاع مسطح وغلاف حراري عند 25 ± 1°C. واستُخدمت ثلاثة أنظمة بوصفها محاليل لاستخلاص التربة بالنض (0.1L) تحت المعالجة بالموجات فوق الصوتية: 6 mL من محلول حمض الأسيتيك بتركيز 0.3 mol L^-2 (pH 3.24)، ومحلول حمض النتريك بتركيز 3% (v/v) (pH 0.17)، ومحلول منظم من حمض الأسيتيك/الأسيتات (pH 4.79) حُضّر بخلط 60mL 0f من حمض الأسيتيك بتركيز 0.3 mol L^-1 مع 19 mL من NaOH بتركيز 0.5 mol L^-1 . وبعد عملية الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية، رُشحت العينات بورق ترشيح لفصل محلول النض عن التربة، ثم أُجري الترسيب الكهربائي للرصاص من محلول النض وهضم التربة بعد تطبيق الموجات فوق الصوتية.
وثبت أن الموجات فوق الصوتية أداة قيّمة لتعزيز استخلاص الرصاص بالنض من التربة الملوثة. كما تُعد الموجات فوق الصوتية طريقة فعالة لإزالة شبه كاملة للرصاص القابل للاستخلاص بالنض من التربة، مما ينتج تربة أقل خطورة بكثير.
الجهاز الموصى به:
UP400S مع سونوترود H14
المرجع/الورقة البحثية:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): الجمع بين الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية والمعالجة الكهروكيميائية لإزالة الرصاص من التربة. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – تخليق جسيمات كبريتيد الرصاص النانوية

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
عند درجة حرارة الغرفة، أُضيف 0.151 g من أسيتات الرصاص (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) و0.03 g من TAA (CH₃CSNH₂) إلى 5mL من السائل الأيوني، [EMIM] [EtSO₄]، و15mL من الماء المقطر مرتين في كأس مخبري بسعة 50mL، وعُرّض المزيج للتشعيع بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية Hielscher UP200S لمدة 7 min. وغُمر طرف المسبار فوق الصوتي/السونوترود S1 مباشرة في محلول التفاعل. وأُخضع المعلق المتشكل ذي اللون البني الداكن للطرد المركزي لفصل الراسب، وغُسل مرتين بالماء المقطر مرتين والإيثانول، على التوالي، لإزالة الكواشف غير المتفاعلة. ولدراسة تأثير الموجات فوق الصوتية في خصائص النواتج، حُضّرت عينة مقارنة إضافية مع تثبيت معاملات التفاعل، باستثناء تحضير الناتج بالتحريك المستمر لمدة 24 h دون مساعدة التشعيع بالموجات فوق الصوتية.
واقتُرح التخليق بمساعدة الموجات فوق الصوتية في سائل أيوني مائي عند درجة حرارة الغرفة لتحضير جسيمات PbS النانوية. وهذه الطريقة الخضراء السليمة بيئيًا التي تُجرى عند درجة حرارة الغرفة سريعة ولا تستخدم قوالب، مما يقلل زمن التخليق بشكل ملحوظ ويتجنب إجراءات التخليق المعقدة. وتُظهر العناقيد النانوية المحضرة بهذه الطريقة انزياحًا كبيرًا نحو الأزرق يبلغ 3.86 eV، يمكن عزوه إلى صغر حجم الجسيمات الشديد وتأثير الحصر الكمي.
الجهاز الموصى به:
UP200S
المرجع/الورقة البحثية:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): تحضير سهل لجسيمات PbS النانوية وتوصيفها عند درجة حرارة الغرفة في السائل الأيوني المائي [EMIM][EtSO4] باستخدام التشعيع بالموجات فوق الصوتية. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

تحلل الفينول

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
استخدم Rokhina وزملاؤه (2013) مزيجًا من حمض البيرأسيتيك (PAA) ومحفز غير متجانس (MnO₂) لتحلل الفينول في محلول مائي تحت التشعيع بالموجات فوق الصوتية. وأُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP400S بقدرة 400W، يمكنه إجراء المعالجة باستمرار أو في الوضع النبضي (أي تشغيل لمدة 4 sec. وإيقاف لمدة 2 sec.) عند تردد ثابت يبلغ 24 kHz. وكانت القدرة الكلية الداخلة وكثافة القدرة وشدة القدرة المبددة في النظام، وفقًا للحسابات، 20 W و9.5×10^-2 W/cm^-3 و14.3 W/cm^-2، على التوالي. واستُخدمت القدرة الثابتة طوال التجارب. واستُخدمت وحدة تدوير غاطسة للتحكم في درجة الحرارة داخل المفاعل. وكان زمن المعالجة الفعلي بالموجات فوق الصوتية 4 h، رغم أن زمن التفاعل الفعلي كان 6 h بسبب التشغيل في الوضع النبضي. وفي تجربة نموذجية، مُلئ المفاعل الزجاجي بـ 100mL من محلول الفينول (1.05 mM) وجرعات مناسبة من المحفز MnO2 وPAA (2%)، تتراوح بين 0–2 g L^-1 و0–150 ppm، على التوالي. وأُجريت جميع التفاعلات عند pH قريب من التعادل، والضغط الجوي، ودرجة حرارة الغرفة (22 ± 1 °C).
وزادت المعالجة بالموجات فوق الصوتية المساحة السطحية للمحفز، فبلغت 4 أضعاف دون تغير في البنية. وزادت ترددات الدوران التحفيزي (TOF) من 7 x 10^-3 إلى 12.2 x 10^-3 min^-1، مقارنة بالعملية دون موجات فوق صوتية. كذلك لم يُكتشف أي استخلاص بالنض ملحوظ للمحفز. وأظهرت أكسدة الفينول متساوية الحرارة عند تراكيز منخفضة نسبيًا من الكواشف معدلات مرتفعة لإزالة الفينول (تصل إلى 89%) في ظروف معتدلة. وبوجه عام، سرّعت الموجات فوق الصوتية عملية الأكسدة خلال أول 60 min. (إزالة 70% من الفينول مقابل 40% أثناء المعالجة دون موجات فوق صوتية).
الجهاز الموصى به:
UP400S
المرجع/الورقة البحثية:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): الانشطار المتماثل لحمض البيرأسيتيك المحفز بـ MnO₂ بمساعدة الموجات فوق الصوتية لتحلل الفينول: تقييم كيمياء العملية وحركيتها. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

الفينول: أكسدة الفينول باستخدام RuI₃ محفزًا

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
الأكسدة المائية غير المتجانسة للفينول على RuI₃ باستخدام بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂): دُرست الأكسدة التحفيزية للفينول (100 ppm) على RuI₃ بوصفه محفزًا في مفاعل زجاجي بسعة 100 mL مجهز بمقلب مغناطيسي ومتحكم في درجة الحرارة. وحُرّك مزيج التفاعل بسرعة 800 rpm لمدة 1–6 ساعات لتحقيق خلط كامل يضمن توزيعًا منتظمًا وتعليقًا كاملًا لجسيمات المحفز. ولم يُجرَ أي تحريك ميكانيكي للمحلول أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية بسبب الاضطراب الناتج عن تذبذب فقاعات التجويف وانهيارها، الذي يوفر بحد ذاته خلطًا بالغ الكفاءة. وأُجري تشعيع المحلول بالموجات فوق الصوتية باستخدام محول فوق صوتي UP400S مزود بتجهيز فوق صوتي (يُسمى جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار)، قادر على التشغيل باستمرار أو في الوضع النبضي عند تردد ثابت يبلغ 24 kHz وقدرة خرج قصوى تبلغ 400W.
وفي التجربة، أُدخل RuI₃ غير المعالج بوصفه محفزًا (0.5–2 gL^-1) على هيئة معلق إلى وسط التفاعل، تلاه إضافة H2O2 (30%، بتركيز يتراوح بين 200–1200 ppm).
ووجد Rokhina وزملاؤه في دراستهم أن التشعيع بالموجات فوق الصوتية أدى دورًا بارزًا في تعديل الخصائص النسيجية للمحفز، إذ نتجت بنية ذات مسام دقيقة ومساحة سطحية أكبر نتيجة تجزئة جسيمات المحفز. وعلاوة على ذلك، كان له تأثير معزز، إذ منع تكتل جسيمات المحفز وحسّن وصول الفينول وبيروكسيد الهيدروجين إلى المواقع النشطة للمحفز.
وعُزيت زيادة كفاءة العملية بمساعدة الموجات فوق الصوتية إلى الضعف مقارنة بعملية الأكسدة دون موجات فوق صوتية إلى تحسن السلوك التحفيزي للمحفز وتولد أنواع مؤكسدة مثل •OH و•HO2 و•I₂ عن طريق شطر الروابط الهيدروجينية وإعادة اتحاد الجذور.
الجهاز الموصى به:
UP400S
المرجع/الورقة البحثية:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): الأكسدة الرطبة للفينول بالبيروكسيد، المحفزة بالروثينيوم غير المتجانس وبمساعدة الموجات فوق الصوتية. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

جسيمات Ag/ZnO مطلية بـ PLA

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
طلاء جسيمات Ag/ZnO بـ PLA: حُضّرت جسيمات ميكرونية ودون ميكرونية من Ag/ZnO مطلية بـ PLA بتقنية تبخير المذيب من مستحلب الزيت في الماء. وأُجريت هذه الطريقة على النحو الآتي. أولًا، أُذيب 400 mg من البوليمر في 4 ml من الكلوروفورم. وكان تركيز البوليمر الناتج في الكلوروفورم 100 mg/ml. ثانيًا، استُحلب محلول البوليمر في محلول مائي من أنظمة مختلفة للمواد الخافضة للتوتر السطحي (عامل الاستحلاب، PVA 8-88)، مع التحريك المستمر باستخدام مجانس بسرعة تحريك تبلغ 24,000 rpm. وحُرّك المزيج لمدة 5 min.، وخلال هذه الفترة بُرد المستحلب المتشكل بالثلج. وكانت النسبة بين المحلول المائي للمادة الخافضة للتوتر السطحي ومحلول PLA في الكلوروفورم متماثلة في جميع التجارب (4:1). وبعد ذلك، عولج المستحلب الناتج بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز من نوع المسبار UP400S (400W, 24kHz) لمدة 5 min. عند دورة 0.5 وسعة 35%. وأخيرًا، نُقل المستحلب المحضر إلى دورق إرلنماير وحُرّك، وبُخر المذيب العضوي من المستحلب تحت ضغط منخفض، مما أدى في النهاية إلى تشكل معلق جسيمات. وبعد إزالة المذيب، أُخضع المعلق للطرد المركزي ثلاث مرات لإزالة عامل الاستحلاب.
الجهاز الموصى به:
UP400S
المرجع/الورقة البحثية:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): جسيمات هجينة مضادة للبكتيريا مُخلّقة بالموجات الدقيقة ومطلية ببولي(حمض L-اللاكتيك). Nanocon 2011.

متراكب البولي أنيلين

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
تحضير متراكب مائي من البولي أنيلين النانوي ذاتي التشويب (SPAni) (Sc-WB)
لتحضير متراكب SPAni المائي، خُفف بالماء 0.3 gr من SPAni، المُخلّق بالبلمرة في الموقع في وسط ScCO2، وعولج بالموجات فوق الصوتية لمدة 2 دقيقة باستخدام مجانس بالموجات فوق الصوتية UIP1000hd بقدرة 1000W. ثم جُونس الناتج المعلق بإضافة 125 gr من مصفوفة مُصلّد مائي لمدة 15 min.، وأُجريت المعالجة النهائية بالموجات فوق الصوتية عند درجة حرارة المحيط لمدة 5 min.
الجهاز الموصى به:
UIP1000hd
المرجع/الورقة البحثية:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): الأداء الوقائي لطلاء إيبوكسي مائي يحتوي على بولي أنيلين نانوي ذاتي التشويب مُخلّق في ScCO2. 2013.

الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات: التحلل الكيميائي الصوتي للنفثالين والأسينافثيلين والفينانثرين

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
للتحلل الكيميائي الصوتي للهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs)، وهي النفثالين والأسينافثيلين والفينانثرين في الماء، عولجت مزائج العينات بالموجات فوق الصوتية عند 20◦C وبتركيز 50 µg/l لكل هيدروكربون عطري متعدد الحلقات مستهدف (150 µg/l للتركيز الأولي الكلي). وأُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع البوق UP400S (400W, 24kHz)، قادر على التشغيل باستمرار أو في الوضع النبضي. وزُوّد جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UP400S بمسبار من التيتانيوم H7 ذي طرف بقطر 7 mm. وأُجريت التفاعلات في وعاء تفاعل زجاجي أسطواني بسعة 200 mL، مع تركيب بوق التيتانيوم أعلى وعاء التفاعل وإحكام غلقه باستخدام حلقات إحكام O وصمام من التفلون. ووُضع وعاء التفاعل في حمام مائي للتحكم في درجة حرارة العملية. ولتجنب أي تفاعلات كيميائية ضوئية، غُطي الوعاء بورق الألومنيوم.
وأظهرت نتائج التحليل أن تحويل PAHs يزداد بزيادة مدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
وبالنسبة إلى النفثالين، زاد التحويل بمساعدة الموجات فوق الصوتية (ضُبطت قدرة الموجات فوق الصوتية عند 150W) من 77.6% المحققة بعد 30 min. من المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى 84.4% بعد 60 min. من المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
وبالنسبة إلى الأسينافثيلين، زاد التحويل بمساعدة الموجات فوق الصوتية (ضُبطت قدرة الموجات فوق الصوتية عند 150W) من 77.6% المحققة بعد 30 min. من المعالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 150W إلى 84.4% بعد 60 min. من المعالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 150W، وزاد من 80.7% المحققة بعد 30 min. من المعالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 150W إلى 96.6% بعد 60 min. من المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
وبالنسبة إلى الفينانثرين، زاد التحويل بمساعدة الموجات فوق الصوتية (ضُبطت قدرة الموجات فوق الصوتية عند 150W) من 73.8% المحققة بعد 30 min. من المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى 83.0% بعد 60 min. من المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
ولتعزيز كفاءة التحلل، يمكن استخدام بيروكسيد الهيدروجين بكفاءة أكبر عند إضافة أيون الحديد الثنائي. وقد ثبت أن إضافة أيون الحديد الثنائي تُحدث تأثيرات تآزرية تحاكي تفاعلًا شبيهًا بتفاعل فنتون.
الجهاز الموصى به:
UP400S مع H7
المرجع/الورقة البحثية:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): تحلل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات في المحاليل المائية بالتشعيع بالموجات فوق الصوتية. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

إزالة طبقة الأكسيد من الركائز

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
لتحضير الركيزة قبل إنماء أسلاك CuO النانوية على ركائز Cu، أُزيلت طبقة الأكسيد الأصلية على سطح Cu بمعالجة العينة بالموجات فوق الصوتية في حمض الهيدروكلوريك بتركيز 0.7 M لمدة 2 min. باستخدام Hielscher UP200S. ونُظفت العينة بالموجات فوق الصوتية في الأسيتون لمدة 5 min. لإزالة الملوثات العضوية، وشُطفت جيدًا بالماء منزوع الأيونات (DI)، وجُففت بالهواء المضغوط.
الجهاز الموصى به:
UP200S أو UP200St
المرجع/الورقة البحثية:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): تعديل خصائص استشعار الغاز لأسلاك CuO النانوية بإنشاء وصلات p−n منفصلة نانوية الحجم على أسطحها. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

تجارب القياس الفولتامتري

التطبيق بالموجات فوق الصوتية:
لتجارب القياس الفولتامتري المعززة بالموجات فوق الصوتية، استُخدم جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية Hielscher UP200S بقدرة 200 واط، مجهز ببوق زجاجي (قطر الطرف 13-mm). وطُبقت الموجات فوق الصوتية بشدة 8 W/cm^–2.
نظرًا إلى بطء معدل انتشار الجسيمات النانوية في المحاليل المائية وكثرة مراكز الأكسدة والاختزال في كل جسيم نانوي، تهيمن تأثيرات الامتزاز على القياس الفولتامتري المباشر للجسيمات النانوية في طور المحلول. ولكشف الجسيمات النانوية دون تراكم ناتج عن الامتزاز، يجب اختيار نهج تجريبي يتضمن (i) تركيزًا مرتفعًا بما يكفي من الجسيمات النانوية، أو (ii) أقطابًا صغيرة لتحسين نسبة الإشارة إلى الخلفية، أو (iii) انتقالًا سريعًا جدًا للكتلة.
لذلك استخدم McKenzie وزملاؤه (2012) موجات فوق صوتية عالية القدرة لتحسين معدل انتقال كتلة الجسيمات النانوية نحو سطح القطب تحسنًا كبيرًا. وفي تجهيزهم التجريبي، يُعرّض القطب مباشرة لموجات فوق صوتية عالية الشدة، مع مسافة 5 mm بين القطب والبوق وشدة معالجة بالموجات فوق الصوتية تبلغ 8 W/cm^–2 ، مما ينتج عنه تحريك وتنظيف بالتجويف. واستُخدم نظام أكسدة واختزال اختباري، وهو الاختزال بإلكترون واحد لـ Ru(NH3)₆³⁺ في محلول مائي من KCl بتركيز 0.1 M، لمعايرة معدل انتقال الكتلة المتحقق في هذه الظروف.
الجهاز الموصى به:
UP200S أو UP200St
المرجع/الورقة البحثية:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): الكيمياء الكهربائية المباشرة لجسيمات Fe2O3 النانوية في محلول مائي والممتزة على أكسيد الإنديوم المشوب بالقصدير. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية للتفاعلات الكيميائية الصوتية من المقياس المختبري إلى الصناعي

تقدم Hielscher المجموعة الكاملة من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية، بدءًا من المجانس المختبري المحمول باليد وصولًا إلى أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية الصناعية بالكامل للتدفقات ذات الأحجام الكبيرة. ويمكن >توسيع نطاق جميع النتائج المتحققة على مقياس صغير أثناء الاختبارات والبحث والتطوير وتحسين عملية بالموجات فوق الصوتية بصورة خطية وصولًا إلى الإنتاج التجاري الكامل. وأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher موثوقة ومتينة ومصممة للتشغيل 24/7.
اسألنا عن كيفية تقييم عمليتك وتحسينها وتوسيع نطاقها! يسرنا مساعدتك في جميع المراحل – من الاختبارات الأولى وتحسين العملية إلى التركيب في خط إنتاجك الصناعي!