Сонохимия: бележки за приложенията

Сонохимията представлява въздействието на ултразвуковата кавитация върху химични системи. Поради екстремните условия, възникващи в кавитационната „гореща точка“, мощният ултразвук е много ефективен метод за подобряване на резултатите от реакцията (по-висок добив, по-добро качество), степента на превръщане и продължителността на химичната реакция. Някои химични промени могат да се постигнат само чрез ултразвукова обработка, например нанасянето на нанометрично калаено покритие върху титан или алуминий.

По-долу ще намерите подбор от частици и течности със съответните препоръки за обработка на материала с цел смилане, диспергиране, деагломерация или модифициране на частиците с помощта на ултразвуков хомогенизатор.

По-долу ще намерите протоколи за ултразвукова обработка за успешни сонохимични реакции!

По азбучен ред:

α-Епоксикетони – реакция на отваряне на пръстена

Ултразвуково приложение:
Каталитичното отваряне на пръстена на α-епоксикетони е извършено чрез комбинация от ултразвук и фотохимични методи. Като фотокатализатор е използван 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate (NBTPT). Чрез комбинирането на ултразвукова обработка (сонохимия) и фотохимия на тези съединения в присъствието на NBTPT е постигнато отваряне на епоксидния пръстен. Демонстрирано е, че използването на ултразвук значително увеличава скоростта на фотоиндуцираната реакция. Ултразвукът може да повлияе съществено върху фотокаталитичното отваряне на пръстена на α-епоксикетони, предимно поради ефективния масопренос на реагентите и възбуденото състояние на NBTPT. Освен това електронният пренос между активните химични частици в тази хомогенна система при ултразвукова обработка протича
по-бързо, отколкото в системата без ултразвукова обработка. По-високите добиви и по-кратките времена на реакция са предимства на този метод.

Подпомогнато с ултразвук фотокаталитично отваряне на пръстена на α-епоксикетони (изследване и графика: ©Memarian et al 2007)

Протокол за ултразвукова обработка:
α-Епоксикетоните 1a-f и 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate 2 са получени съгласно описаните процедури. Метанолът е закупен от Merck и дестилиран преди употреба. Използваното ултразвуково устройство е сонден ултразвуков апарат UP400S от Hielscher Ultrasonics GmbH. Използван е потопяем ултразвуков накрайник S3 (известен също като сонда или сонотрод), излъчващ ултразвук с честота 24 kHz при регулируеми нива на интензитета до максимална плътност на акустичната мощност от 460Wcm^-2 . Ултразвуковата обработка е извършена при 100% (максимална амплитуда 210μm). Сонотродът S3 (максимална дълбочина на потапяне 90mm) е потопен директно в реакционната смес. UV облъчването е извършено с живачна лампа с високо налягане с мощност 400W от Narva, като пробите са охлаждани в стъкло Duran. Спектрите ¹H ЯМР на сместа от фотопродукти са измерени в разтвори на CDCl₃ , съдържащи тетраметилсилан (TMS) като вътрешен стандарт, с Bruker drx-500 (500 MHz). Препаративната слойна хроматография (PLC) е извършена върху плаки с размери 20 × 20cm² , покрити със слой с дебелина 1mm от силикагел Merck PF₂₅₄ , приготвени чрез нанасяне на силикагела като суспензия и сушене на въздух. Всички продукти са известни и спектралните им данни са публикувани по-рано.
Препоръчано устройство:
UP400S с ултразвуков накрайник S3
Източник/научна публикация:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Фотосонохимично каталитично отваряне на пръстена на α-епоксикетони. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Алуминиево-никелов катализатор: наноструктуриране на сплав Al/Ni

Ултразвуково приложение:
Частиците Al/Ni могат да бъдат модифицирани сонохимично чрез наноструктуриране на изходната сплав Al/Ni. По този начин се получава ефективен катализатор за хидрогениране на ацетофенон.
Ултразвуково получаване на катализатор Al/Ni:
5g от предлаганата на пазара сплав Al/Ni са диспергирани в пречистена вода (50mL) и подложени на ултразвукова обработка за до 50 min. със сонден ултразвуков апарат UIP1000hd (1kW, 20kHz), оборудван с ултразвуков накрайник BS2d22 (площ на челната повърхност 3,8 cm²) и бустер B2-1.8. Максималният интензитет е изчислен като 140 Wcm⁻² при механична амплитуда 106μm. За да се избегне повишаване на температурата по време на ултразвуковата обработка, експериментът е проведен в термостатична клетка. След ултразвуковата обработка пробата е изсушена под вакуум с пистолет за горещ въздух.
Препоръчано устройство:
UIP1000hd със сонотрод BS2d22 и усилващ накрайник B2–1,2
Източник/научна публикация:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Сонохимично активиране на катализатор Al/Ni за хидрогениране. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Трансестерификация за получаване на биодизел с катализатор MgO

Ултразвуково приложение:
Реакцията на трансестерификация е изследвана при постоянно ултразвуково смесване с ултразвуковия апарат UP200S при различни параметри, като количество на катализатора, моларно съотношение на метанола и маслото, температура и продължителност на реакцията. Партидните експерименти са проведени в реактор от твърдо стъкло (300 ml, вътрешен диаметър 7 cm) с капак с две гърла с шлифовани съединения. Едното гърло е свързано с титановия сонотрод S7 (диаметър на върха 7 mm) на ултразвуковия процесор UP200S (200W, 24kHz). Ултразвуковата амплитуда е зададена на 50% с 1 цикъл в секунда. Реакционната смес е подложена на ултразвукова обработка през цялото време на реакцията. Другото гърло на реакторната камера е оборудвано с изработен по поръчка обратен хладник от неръждаема стомана с водно охлаждане за връщане на изпарения метанол. Цялата апаратура е поставена в маслена баня с постоянна температура, управлявана от пропорционално-интегрално-диференциален температурен регулатор. Температурата може да се повиши до 65°C с точност ±1°C. Като суровини за трансестерификацията за получаване на биодизел са използвани отпадъчно масло и метанол с чистота 99,9%. Като катализатор е използван нанометричен MgO, отложен от дим (магнезиева лента).
Отличен резултат за степента на превръщане е получен при 1,5 wt% катализатор; при моларно съотношение метанол:масло 5:1 и 55°C е постигната степен на превръщане 98,7% след 45 min.
Препоръчано устройство:
UP200S с ултразвуков сонотрод S7
Източник/научна публикация:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Изследвания на сонохимичното производство на биодизел с нанометричен катализатор MgO, отложен от дим. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Синтез на нанокомпозит кадмий(II)–тиоацетамид

Ултразвуково приложение:
Нанокомпозити кадмий(II)–тиоацетамид са синтезирани по сонохимичен път в присъствието и отсъствието на поливинилов алкохол. За сонохимичния синтез (соносинтез) 0,532 g кадмиев(II) ацетат дихидрат (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g тиоацетамид (TAA, CH3CSNH2) и 0,664 g калиев йодид (KI) са разтворени в 20mL двойно дестилирана дейонизирана вода. Този разтвор е подложен на ултразвукова обработка с мощен сонден ултразвуков апарат UP400S (24 kHz, 400W) при стайна температура за 1 h. По време на ултразвуковата обработка на реакционната смес температурата се е повишила до 70–80degC, измерено с термодвойка желязо–constantin. След един час се е образувала яркожълта утайка. Тя е отделена чрез центрофугиране (4 000 rpm, 15 min), промита с двойно дестилирана вода и след това с абсолютен етанол за отстраняване на остатъчните примеси и накрая изсушена на въздух (добив: 0,915 g, 68%). Температура на разлагане 200°C. За получаване на полимерния нанокомпозит 1,992 g поливинилов алкохол са разтворени в 20 mL двойно дестилирана дейонизирана вода и след това добавени към горния разтвор. Тази смес е облъчвана с ултразвук с ултразвуковата сонда UP400S за 1 h, при което се е образувал яркооранжев продукт.
Резултатите от SEM показват, че в присъствието на PVA размерите на частиците намаляват от около 38 nm до 25 nm. След това синтезирахме хексагонални наночастици CdS със сферична морфология чрез термично разлагане на полимерния нанокомпозит кадмий(II)–тиоацетамид/PVA като прекурсор. Размерът на наночастиците CdS е измерен както чрез XRD, така и чрез SEM, а резултатите са в много добро съответствие помежду си.
Ranjbar и съавт. (2013) също установяват, че полимерният нанокомпозит Cd(II) е подходящ прекурсор за получаване на наночастици кадмиев сулфид с интересни морфологии. Всички резултати показват, че ултразвуковият синтез може да се използва успешно като прост, ефективен, евтин, екологосъобразен и много обещаващ метод за синтез на нанометрични материали без необходимост от специални условия, като висока температура, дълги времена на реакция и високо налягане.
Препоръчано устройство:
UP400S
Източник/научна публикация:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Синтез и характеризиране на нанокомпозити кадмий–тиоацетамид. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – ултразвуково нанасяне на покритие от стеаринова киселина

Ултразвуково приложение:
Ултразвуково нанасяне на покритие от стеаринова киселина върху нанопреципитиран CaCO₃ (NPCC) за подобряване на диспергирането му в полимер и намаляване на агломерацията. 2g нанопреципитиран CaCO₃ (NPCC) без покритие са подложени на ултразвукова обработка с ултразвуковия апарат UP400S в 30ml етанол. 9 wt% стеаринова киселина са разтворени в етанол. След това етанолът със стеариновата киселина е смесен със суспензията, подложена на ултразвукова обработка.
Препоръчано устройство:
UP400S със сонотрод с диаметър 22mm (H22D) и проточна клетка с охлаждаща риза
Източник/научна публикация:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Въздействие на ултразвука при нанасяне на покритие от стеаринова киселина върху нанопреципитиран CaCO3. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Силан, легиран с цериев нитрат

Ултразвуково приложение:
Като метални подложки са използвани панели от студеновалцувана въглеродна стомана (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; химически почистени и механично полирани). Преди нанасянето на покритието панелите са почистени ултразвуково с ацетон, след което са почистени с алкален разтвор (разтвор на NaOH с концентрация 0,3mol L1) при 60°C за 10 min. За използване като грунд, преди предварителната обработка на подложката, типичен състав, включващ 50 части γ-глицидоксипропилтриметоксисилан (γ-GPS), е разреден с около 950 части метанол при pH 4,5 (коригирано с оцетна киселина) и е оставен да протече хидролиза на силана. Процедурата за получаване на легиран силан с пигменти от цериев нитрат е същата, с тази разлика, че към метаноловия разтвор са добавени 1, 2, 3 wt% цериев нитрат преди добавянето на (γ-GPS), след което разтворът е смесван с пропелерна бъркалка при 1600 rpm за 30 min. при стайна температура. След това дисперсиите, съдържащи цериев нитрат, са подложени на ултразвукова обработка за 30 min при 40°C с външна охлаждаща баня. Ултразвуковата обработка е извършена с ултразвуковия апарат UIP1000hd (1000W, 20 kHz) при входна ултразвукова мощност около 1 W/mL. Предварителната обработка на подложката е извършена чрез изплакване на всеки панел за 100 sec. със съответния силанов разтвор. След обработката панелите са оставени да изсъхнат при стайна температура за 24 h, след което предварително обработените панели са покрити с двукомпонентна епоксидна смола, втвърдявана с амин (Epon 828, shell Co.), за получаване на дебелина на мокрия слой 90μm. Панелите с епоксидно покритие са оставени да се втвърдят за 1h при 115°C; след втвърдяването на епоксидните покрития дебелината на сухия слой е около 60μm.
Препоръчано устройство:
UIP1000hd
Източник/научна публикация:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Електрохимично въздействие на предварителни обработки със силан, съдържащ цериев нитрат, върху свойствата на катодно отслояване на стомана с епоксидно покритие. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Медно-алуминиеви структури: синтез на порести структури Cu-Al

Ултразвуково приложение:
Порестият медно-алуминиев материал, стабилизиран с метален оксид, е обещаващ нов алтернативен катализатор за дехидрогениране на пропан, който не съдържа благородни или опасни метали. Структурата на окислената пореста сплав Cu–Al (метална гъба) е подобна на тази на металите от типа на Раней. Мощният ултразвук е инструмент на зелената химия за синтез на порести медно-алуминиеви структури, стабилизирани с метален оксид. Те са евтини (производствена себестойност около 3 EUR/liter) и методът може лесно да бъде мащабиран. Тези нови порести материали (или „метални гъби“) имат вътрешен обем от сплав и окислена повърхност и могат да катализират дехидрогенирането на пропан при ниски температури.
Процедура за ултразвуково получаване на катализатора:
Пет грама прах от сплав Al–Cu са диспергирани в ултрачиста вода (50mL) и подложени на ултразвукова обработка за 60 min със сондния ултразвуков апарат Hielscher UIP1000hd (20kHz, максимална изходна мощност 1000W). Сондното ултразвуково устройство е оборудвано със сонотрод BS2d22 (площ на върха 3,8cm²) и усилващ накрайник B2–1,2. Максималният интензитет е изчислен като 57 W/cm² при механична амплитуда 81μm. По време на обработката пробата е охлаждана в ледена баня. След обработката пробата е изсушена при 120°C за 24 h.
Препоръчано устройство:
UIP1000hd със сонотрод BS2d22 и усилващ накрайник B2–1,2
Източник/научна публикация:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Нови и ефективни медно-алуминиеви катализатори за дехидрогениране на пропан. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Разграждане на меден фталоцианин

Ултразвуково приложение:
Обезцветяване и разрушаване на металофталоцианини
Медният фталоцианин се подлага на ултразвукова обработка с вода и органични разтворители при температура на околната среда и атмосферно налягане в присъствието на каталитично количество окислител с помощта на ултразвуковия апарат UIP500hd с мощност 500W и камера fold-trough при ниво на мощността 37–59 W/cm²: 5 mL проба (100 mg/L), 50 D/D вода с хлороформ и пиридин при 60% ултразвукова амплитуда. Температура на реакцията: 20°C.
Препоръчано устройство:
UIP500hd

Злато: морфологично модифициране на златни наночастици

Ултразвуково приложение:
Златните наночастици са морфологично модифицирани при интензивно ултразвуково облъчване. За сливане на златни наночастици в структура, подобна на гира, е установено, че е достатъчна ултразвукова обработка за 20 min. в чиста вода и в присъствието на повърхностноактивни вещества. След 60 min. ултразвукова обработка златните наночастици придобиват червеобразна или пръстеновидна структура във вода. Слети наночастици със сферична или овална форма са образувани ултразвуково в присъствието на разтвори на натриев додецилсулфат или додециламин.
Протокол за ултразвуковата обработка:
За ултразвуковото модифициране разтворът на колоидно злато, състоящ се от предварително получени златни наночастици, защитени с цитрат, със среден диаметър 25nm (± 7nm), е подложен на ултразвукова обработка в затворена реакторна камера (обем около 50mL). Разтворът на колоидно злато (0,97 mmol·L^-1) е облъчван с ултразвук с висок интензитет (40 W/cm^-2) с помощта на ултразвуков апарат Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W), оборудван със сонотрод от титанова сплав BS2d18 (диаметър на върха 0,7 inch), потопен на около 2 cm под повърхността на обработвания с ултразвук разтвор. През колоидното злато е пропускан аргон (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. преди и по време на ултразвуковата обработка с дебит 200 mL·min^-1 за отстраняване на кислорода от разтвора. Порция от 35-mL от всеки разтвор на повърхностноактивно вещество без добавяне на тринатриев цитрат дихидрат е комбинирана с 15 mL предварително получено колоидно злато, с пропускане на мехурчета аргон 20 min. преди и по време на ултразвуковата обработка.
Препоръчано устройство:
UIP1000hd със сонотрод BS2d18 и реактор с проточна клетка
Източник/научна публикация:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Подпомогнато с ултразвук сливане на предварително получени златни наночастици. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Неорганични торове – излужване на Cu, Cd и Pb за анализ

Ултразвуково приложение:
Екстракция на Cu, Cd и Pb от неорганични торове за аналитични цели:
За ултразвуковата екстракция на мед, олово и кадмий проби, съдържащи смес от тор и разтворител, се подлагат на ултразвукова обработка с ултразвуково устройство, например ултразвуковия апарат VialTweeter за непряка ултразвукова обработка. Пробите от торове са подложени на ултразвукова обработка в присъствието на 2mL 50% (v/v) HNO₃ в стъклени епруветки за 3 минути. Cu, Cd и Pb в екстрактите могат да се определят чрез пламъчна атомноабсорбционна спектрометрия (FAAS).
Препоръчано устройство:
VialTweeter
Източник/научна публикация:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Алтернативен аналитичен метод за определяне на метали в неорганични торове, основан на подпомогната с ултразвук екстракция. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Синтез на латекс

Ултразвуково приложение:
Получаване на латекс P(St-BA)
Латексни частици от поли(стирен-r-бутил акрилат) P(St-BA) са синтезирани чрез емулсионна полимеризация в присъствието на повърхностноактивното вещество DBSA. Първо 1 g DBSA е разтворен в 100mL вода в тригърла колба и pH на разтвора е коригирано до 2,0. Смесени мономери от 2,80g St и 8,40g BA с инициатора AIBN (0,168g) са излети в разтвора на DBSA. Емулсията масло във вода (O/W) е получена чрез разбъркване с магнитна бъркалка за 1 h, последвано от ултразвукова обработка с ултразвуковия апарат UIP1000hd, оборудван с ултразвуков накрайник (сонда/сонотрод), за още 30 min. в ледена баня. Накрая полимеризацията е извършена при 90degC в маслена баня за 2h в азотна атмосфера.
Препоръчано устройство:
UIP1000hd
Източник/научна публикация:
Изработване на гъвкави проводими филми, получени от poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS), върху подложка от нетъкан текстил. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Щракнете тук, за да прочетете повече за соносинтеза на латекс!

Отстраняване на олово (соноизлужване)

Ултразвуково приложение:
Ултразвуково излужване на олово от замърсена почва:
Експериментите за ултразвуково излужване са проведени с ултразвуков хомогенизатор UP400S с титанова ултразвукова сонда (диаметър 14mm), който работи с честота 20kHz. Ултразвуковата сонда (сонотрод) е калибрирана калориметрично, като ултразвуковият интензитет е зададен на 51 ± 0,4 W cm^-2 за всички експерименти за соноизлужване. Експериментите за соноизлужване са термостатирани с помощта на стъклена клетка с плоско дъно и риза при 25 ± 1°C. Като разтвори за излужване на почвата (0,1L) при ултразвукова обработка са използвани три системи: 6 mL разтвор на оцетна киселина с концентрация 0,3 mol L^-2 (pH 3,24), 3% (v/v) разтвор на азотна киселина (pH 0,17) и буфер оцетна киселина/ацетат (pH 4,79), приготвен чрез смесване на 60mL оцетна киселина с концентрация 0,3 mol L^-1 с 19 mL NaOH с концентрация 0,5 mol L^-1 . След процеса на соноизлужване пробите са филтрирани с филтърна хартия за отделяне на излужения разтвор от почвата, след което са извършени електроотлагане на оловото от излужения разтвор и минерализиране на почвата след прилагането на ултразвук.
Доказано е, че ултразвукът е ценен инструмент за подобряване на излужването на олово от замърсена почва. Ултразвукът е също ефективен метод за почти пълно отстраняване на излужваемото олово от почвата, в резултат на което почвата става значително по-малко опасна.
Препоръчано устройство:
UP400S със сонотрод H14
Източник/научна публикация:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Комбиниране на ултразвуково излужване и електрохимична обработка за отстраняване на олово от почва. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – синтез на наночастици оловен сулфид

Ултразвуково приложение:
При стайна температура 0,151 g оловен ацетат (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) и 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) са добавени към 5mL от йонната течност, [EMIM] [EtSO₄], и 15mL двойно дестилирана вода в бехерова чаша от 50mL, подложена на ултразвуково облъчване с ултразвуковия апарат Hielscher UP200S за 7 min. Върхът на ултразвуковата сонда/сонотрод S1 е потопен директно в реакционния разтвор. Образуваната тъмнокафява суспензия е центрофугирана за отделяне на утайката и промита по два пъти съответно с двойно дестилирана вода и етанол за отстраняване на непрореагиралите реагенти. За изследване на влиянието на ултразвука върху свойствата на продуктите е приготвена още една сравнителна проба, като реакционните параметри са запазени постоянни, с изключение на това, че продуктът е получен при непрекъснато разбъркване за 24 h без помощта на ултразвуково облъчване.
За получаване на наночастици PbS е предложен подпомогнат с ултразвук синтез във водна йонна течност при стайна температура. Този екологосъобразен зелен метод при стайна температура е бърз и не изисква шаблон, което значително съкращава времето за синтез и избягва сложните синтетични процедури. Така получените наноклъстери показват огромно синьо отместване от 3,86 eV, което може да се отдаде на много малкия размер на частиците и ефекта на квантово ограничаване.
Препоръчано устройство:
UP200S
Източник/научна публикация:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Лесно получаване при стайна температура и характеризиране на наночастици PbS във водна [EMIM][EtSO4] йонна течност чрез ултразвуково облъчване. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Разграждане на фенол

Ултразвуково приложение:
Rokhina и съавт. (2013) използват комбинацията от пероцетна киселина (PAA) и хетерогенен катализатор (MnO₂) за разграждане на фенол във воден разтвор при ултразвуково облъчване. Ултразвуковата обработка е извършена със сонден ултразвуков апарат UP400S с мощност 400W, който може да обработва с ултразвук непрекъснато или в импулсен режим (т.е. 4 sec. включен и 2 sec. изключен) при фиксирана честота 24 kHz. Изчислените обща входна мощност, плътност на мощността и интензитет на мощността, разсейвана в системата, са съответно 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, и 14,3 W/cm^-2. Фиксираната мощност е използвана през цялото време на експериментите. За контрол на температурата в реактора е използван потопяем циркулатор. Действителното време на ултразвукова обработка е 4 h, въпреки че реалното време на реакция е 6 h поради работата в импулсен режим. В типичен експеримент стъкленият реактор е напълнен със 100mL разтвор на фенол (1,05 mM) и подходящи дози от катализатора MnO2 и PAA (2%), вариращи съответно между 0–2 g L^-1 и 0–150 ppm. Всички реакции са проведени при pH около неутралното, атмосферно налягане и стайна температура (22 ± 1 °C).
Чрез ултразвуковата обработка площта на повърхността на катализатора е увеличена 4 пъти без промяна в структурата. Честотите на каталитичен оборот (TOF) са увеличени от 7 x 10^-3 до 12,2 x 10^-3 min^-1, в сравнение с процеса без ултразвук. Освен това не е установено значително излужване на катализатора. Изотермичното окисление на фенол при относително ниски концентрации на реагентите демонстрира високи степени на отстраняване на фенола (до 89%) при меки условия. Като цяло ултразвукът ускорява процеса на окисление през първите 60 min. (70% отстраняване на фенола спрямо 40% при обработката без ултразвук).
Препоръчано устройство:
UP400S
Източник/научна публикация:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Подпомогната с ултразвук хомолиза на пероцетна киселина, катализирана от MnO₂ , за разграждане на фенол: оценка на химията и кинетиката на процеса. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Фенол: окисление на фенол с RuI₃ като катализатор

Ултразвуково приложение:
Хетерогенно окисление на фенол във водна среда върху RuI₃ с водороден пероксид (H₂O₂): Каталитичното окисление на фенол (100 ppm) върху RuI₃ като катализатор е изследвано в стъклен реактор от 100 mL, оборудван с магнитна бъркалка и температурен регулатор. Реакционната смес е разбърквана със скорост 800 rpm за 1–6 часа, за да се осигури пълно смесване за равномерно разпределение и пълно суспендиране на частиците на катализатора. По време на ултразвуковата обработка не е извършвано механично разбъркване на разтвора поради раздвижването, причинено от осцилациите и колапса на кавитационните мехурчета, което само по себе си осигурява изключително ефективно смесване. Ултразвуковото облъчване на разтвора е извършено с ултразвуков преобразувател UP400S с ултразвуково оборудване (т.нар. сонден ултразвуков апарат), способен да работи непрекъснато или в импулсен режим при фиксирана честота 24 kHz и максимална изходна мощност 400W.
За експеримента необработен RuI₃ като катализатор (0,5–2 gL^-1) е въведен като суспензия в реакционната среда с последващо добавяне на H2O2 (30%, концентрация в диапазона 200–1200 ppm).
Rokhina и съавт. установяват в своето изследване, че ултразвуковото облъчване играе съществена роля в модифицирането на текстурните свойства на катализатора, като създава микропореста структура с по-голяма площ на повърхността в резултат на фрагментирането на частиците на катализатора. Освен това то има стимулиращ ефект, като предотвратява агломерацията на частиците на катализатора и подобрява достъпа на фенола и водородния пероксид до активните центрове на катализатора.
Двукратното увеличаване на ефективността на подпомогнатия с ултразвук процес в сравнение с процеса на окисление без ултразвук е отдадено на подобреното каталитично поведение на катализатора и образуването на окисляващи химични частици, като •OH, •HO2 и •I₂ , чрез разкъсване на водородни връзки и рекомбинация на радикали.
Препоръчано устройство:
UP400S
Източник/научна публикация:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Подпомогнато с ултразвук хетерогенно окисление на фенол с пероксид във водна среда, катализирано от рутений. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Частици Ag/ZnO с покритие от PLA

Ултразвуково приложение:
Нанасяне на покритие от PLA върху частици Ag/ZnO: Микро- и субмикронни частици Ag/ZnO, покрити с PLA, са получени чрез техниката на изпаряване на разтворителя от емулсия масло във вода. Този метод е изпълнен по следния начин. Първо 400 mg полимер са разтворени в 4 ml хлороформ. Получената концентрация на полимера в хлороформ е 100 mg/ml. Второ, полимерният разтвор е емулгиран във воден разтвор на различни системи от повърхностноактивни вещества (емулгатор, PVA 8-88) при непрекъснато разбъркване с хомогенизатор със скорост 24 000 rpm. Сместа е разбърквана за 5 min., като през този период образуващата се емулсия е охлаждана с лед. Съотношението между водния разтвор на повърхностноактивното вещество и хлороформния разтвор на PLA е еднакво във всички експерименти (4:1). Впоследствие получената емулсия е подложена на ултразвукова обработка със сонден ултразвуков апарат UP400S (400W, 24kHz) за 5 min. при цикъл 0,5 и амплитуда 35%. Накрая приготвената емулсия е прехвърлена в Ерленмайерова колба и разбърквана, а органичният разтворител е изпарен от емулсията при понижено налягане, което в крайна сметка води до образуване на суспензия от частици. След отстраняване на разтворителя суспензията е центрофугирана три пъти за отстраняване на емулгатора.
Препоръчано устройство:
UP400S
Източник/научна публикация:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Хибридни антибактериални частици, синтезирани с микровълни и покрити с поли(L-млечна киселина). Nanocon 2011.

Полианилинов композит

Ултразвуково приложение:
Получаване на композит на водна основа със самолегиран нанополианилин (SPAni) (Sc-WB)
За получаване на композита SPAni на водна основа 0,3 gr SPAni, синтезиран чрез полимеризация in situ в среда ScCO2, е разреден с вода и подложен на ултразвукова обработка за 2 минути с ултразвуков хомогенизатор UIP1000hd с мощност 1000W. След това суспензионният продукт е хомогенизиран за 15 min. с добавяне на 125 gr матрица от втвърдител на водна основа, а окончателната ултразвукова обработка е извършена при температура на околната среда за 5 min.
Препоръчано устройство:
UIP1000hd
Източник/научна публикация:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Защитни характеристики на епоксидно покритие на водна основа, съдържащо самолегиран нанополианилин, синтезиран в ScCO2. 2013.

Полициклични ароматни въглеводороди: сонохимично разграждане на нафтален, аценафтилен и фенантрен

Ултразвуково приложение:
За сонохимичното разграждане на полицикличните ароматни въглеводороди (PAHs) нафтален, аценафтилен и фенантрен във вода смесите от проби са подложени на ултразвукова обработка при 20◦C и концентрация 50 µg/l на всеки целеви PAH (обща начална концентрация 150 µg/l). Ултразвуковата обработка е приложена с ултразвуков апарат UP400S с накрайник (400W, 24kHz), който може да работи непрекъснато или в импулсен режим. Ултразвуковият апарат UP400S е оборудван с титанова сонда H7 с диаметър на върха 7 mm. Реакциите са проведени в цилиндричен стъклен реакционен съд от 200 mL с титанов накрайник, монтиран в горната част на реакционния съд и уплътнен с O-пръстени и тефлонов клапан. Реакционният съд е поставен във водна баня за контрол на температурата на процеса. За да се избегнат фотохимични реакции, съдът е покрит с алуминиево фолио.
Резултатите от анализа показват, че степента на превръщане на PAHs се увеличава с увеличаване на продължителността на ултразвуковата обработка.
За нафталена подпомогнатата с ултразвук степен на превръщане (ултразвукова мощност, зададена на 150W) се увеличава от 77,6%, постигнати след 30 min. ултразвукова обработка, до 84,4% след 60 min. ултразвукова обработка.
За аценафтилена подпомогнатата с ултразвук степен на превръщане (ултразвукова мощност, зададена на 150W) се увеличава от 77,6%, постигнати след 30 min. ултразвукова обработка при ултразвукова мощност 150W, до 84,4% след 60 min. ултразвукова обработка с ултразвук 150W, увеличава се от 80,7%, постигнати след 30 min. ултразвукова обработка при ултразвукова мощност 150W, до 96,6% след 60 min. ултразвукова обработка.
За фенантрена подпомогнатата с ултразвук степен на превръщане (ултразвукова мощност, зададена на 150W) се увеличава от 73,8%, постигнати след 30 min. ултразвукова обработка, до 83,0% след 60 min. ултразвукова обработка.
За повишаване на ефективността на разграждането водородният пероксид може да се използва по-ефективно при добавяне на железен(II) йон. Доказано е, че добавянето на железен(II) йон има синергични ефекти, имитиращи реакция от типа на Фентън.
Препоръчано устройство:
UP400S с H7
Източник/научна публикация:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Разграждане на полициклични ароматни въглеводороди във водни разтвори чрез ултразвуково облъчване. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Отстраняване на оксиден слой от подложки

Ултразвуково приложение:
За подготовка на подложката преди израстване на нанопроводници CuO върху подложки от Cu естественият оксиден слой върху повърхността на Cu е отстранен чрез ултразвукова обработка на пробата в 0,7 M солна киселина за 2 min. с Hielscher UP200S. Пробата е почистена ултразвуково в ацетон за 5 min. за отстраняване на органични замърсители, щателно изплакната с дейонизирана (DI) вода и изсушена със сгъстен въздух.
Препоръчано устройство:
UP200S или UP200St
Източник/научна публикация:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Модифициране на газосензорните свойства на нанопроводници CuO чрез създаване на дискретни нанометрични p−n преходи върху повърхностите им. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Волтаметрични експерименти

Ултразвуково приложение:
За волтаметрични експерименти, интензифицирани с ултразвук, е използван ултразвуков апарат Hielscher UP200S с мощност 200 вата, оборудван със стъклен накрайник (диаметър на върха 13-mm). Ултразвукът е приложен с интензитет 8 W/cm^–2.
Поради ниската скорост на дифузия на наночастиците във водни разтвори и големия брой редокс центрове във всяка наночастица пряката волтаметрия на наночастиците в разтвор е доминирана от адсорбционни ефекти. За откриване на наночастици без натрупване поради адсорбция трябва да се избере експериментален подход с (i) достатъчно висока концентрация на наночастици, (ii) малки електроди за подобряване на съотношението сигнал/фон или (iii) много бърз масопренос.
Поради това McKenzie и съавт. (2012) използват мощен ултразвук за драстично увеличаване на скоростта на масопренос на наночастиците към повърхността на електрода. В експерименталната им установка електродът е пряко изложен на ултразвук с висок интензитет при разстояние между електрода и накрайника 5 mm и интензитет на ултразвуковата обработка 8 W/cm^–2 , което води до раздвижване и кавитационно почистване. За калибриране на скоростта на масопренос, постигната при тези условия, е използвана тестова редокс система – едноелектронната редукция на Ru(NH3)₆³⁺ във воден разтвор на 0,1 M KCl.
Препоръчано устройство:
UP200S или UP200St
Източник/научна публикация:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Пряка електрохимия на наночастици Fe2O3 във воден разтвор и адсорбирани върху индиев оксид, легиран с калай. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Ултразвукови апарати за сонохимични реакции от лабораторен до промишлен мащаб

Hielscher предлага пълната гама ултразвукови апарати – от ръчния лабораторен хомогенизатор до изцяло промишлени ултразвукови апарати за потоци с голям обем. Всички резултати, постигнати в малък мащаб при изпитвания, научноизследователска и развойна дейност и оптимизиране на ултразвуков процес, могат да бъдат >линейно мащабирани до пълно търговско производство. Ултразвуковите апарати Hielscher са надеждни, здрави и създадени за работа 24/7.
Попитайте ни как да оцените, оптимизирате и мащабирате своя процес! С удоволствие ще ви съдействаме на всички етапи – от първите изпитвания и оптимизирането на процеса до инсталирането във вашата промишлена производствена линия!