Sonohemija: napomene o primjeni

Sonohemija je učinak ultrazvučne kavitacije na hemijske sisteme. Zbog ekstremnih uslova koji nastaju u kavitacijskoj „vrućoj tački“, snažni ultrazvuk je vrlo efikasna metoda za poboljšanje ishoda reakcije (veći prinos, bolji kvalitet), konverzije i trajanja hemijske reakcije. Neke hemijske promjene mogu se postići samo ultrazvučnom obradom, kao što je nanodimenzionirana prevlaka od kalaja na titanu ili aluminiju.

U nastavku je izbor čestica i tekućina s odgovarajućim preporukama o tome kako obraditi materijal da bi se čestice mljele, dispergirale, deaglomerirale ili modificirale pomoću ultrazvučnog homogenizatora.

U nastavku su navedeni neki protokoli ultrazvučne obrade za uspješne sonohemijske reakcije!

Abecednim redom:

α-Epoksiketoni – reakcija otvaranja prstena

Ultrazvučna primjena:
Katalitičko otvaranje prstena α-epoksiketona provedeno je kombinacijom ultrazvučnih i fotohemijskih metoda. 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridinijev tetrafluoroborat (NBTPT) korišten je kao fotokatalizator. Kombinacijom ultrazvučne obrade (sonohemija) i fotohemije ovih spojeva u prisustvu NBTPT postignuto je otvaranje epoksidnog prstena. Pokazano je da primjena ultrazvuka značajno povećava brzinu fotoindukovane reakcije. Ultrazvuk može ozbiljno utjecati na fotokatalitičko otvaranje prstena α-epoksiketona, pretežno zbog efikasnog prijenosa mase reaktanata i pobuđenog stanja NBTPT. Također se prijenos elektrona između aktivnih vrsta u ovom homogenom sistemu uz ultrazvučnu obradu odvija
brže nego u sistemu bez ultrazvučne obrade. Veći prinosi i kraća vremena reakcije prednosti su ove metode.

Fotokatalitičko otvaranje prstena α-epoksiketona potpomognuto ultrazvukom (studija i grafika: ©Memarian et al 2007)

Protokol ultrazvučne obrade:
α-Epoksiketoni 1a-f i 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridinijev tetrafluoroborat 2 pripremljeni su prema objavljenim postupcima. Metanol je kupljen od Merck i destiliran prije upotrebe. Korišteni ultrazvučni uređaj bio je UP400S, ultrazvučni uređaj sa sondom kompanije Hielscher Ultrasonics GmbH. Ultrazvučni uronjeni rog S3 (poznat i kao sonda ili sonotroda), koji emitira ultrazvuk od 24 kHz pri nivoima intenziteta podesivim do maksimalne gustoće ultrazvučne snage od 460Wcm^-2 je korišten. Ultrazvučna obrada provedena je pri 100% (maksimalna amplituda 210μm). Sonotroda S3 (maksimalna dubina uranjanja 90mm) uronjena je direktno u reakcijsku smjesu. UV zračenje provedeno je visokotlačnom živinom lampom od 400W proizvođača Narva uz hlađenje uzoraka u Duran staklu. Spektri ¹H NMR smjese fotoprodukata izmjereni su u otopinama CDCl₃ koje sadrže tetrametilsilan (TMS) kao interni standard na spektrometru Bruker drx-500 (500 MHz). Preparativna slojna hromatografija (PLC) provedena je na pločama dimenzija 20 × 20cm² prevučenim slojem od 1mm Merck silika-gela PF₂₅₄ pripremljenim nanošenjem silike u obliku suspenzije i sušenjem na zraku. Svi proizvodi su poznati i njihovi spektralni podaci objavljeni su ranije.
Preporuka uređaja:
UP400S s ultrazvučnim rogom S3
Referenca / istraživački rad:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Fotosonohemijsko katalitičko otvaranje prstena α-epoksiketona. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Aluminij/nikl katalizator: nanostrukturiranje Al/Ni legure

Ultrazvučna primjena:
Al/Ni čestice mogu se sonohemijski modificirati nanostrukturiranjem početne Al/Ni legure. Time se proizvodi efikasan katalizator za hidrogenaciju acetofenona.
Ultrazvučna priprema Al/Ni katalizatora:
5g komercijalne Al/Ni legure dispergirano je u pročišćenoj vodi (50mL) i ultrazvučno obrađivano do 50 min. sonikatorom sa sondom UIP1000hd (1kW, 20kHz) opremljenim ultrazvučnim rogom BS2d22 (površina glave 3,8 cm²) i boosterom B2-1.8. Maksimalni intenzitet izračunat je na 140 Wcm⁻² pri mehaničkoj amplitudi od 106μm. Kako bi se izbjeglo povećanje temperature tokom ultrazvučne obrade, eksperiment je izveden u termostatiranoj ćeliji. Nakon ultrazvučne obrade uzorak je osušen u vakuumu pomoću pištolja za vrući zrak.
Preporuka uređaja:
UIP1000hd sa sonotrodom BS2d22 i booster rogom B2–1,2
Referenca / istraživački rad:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonohemijska aktivacija Al/Ni katalizatora hidrogenacije. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterifikacija biodizela korištenjem MgO katalizatora

Ultrazvučna primjena:
Reakcija transesterifikacije proučavana je uz stalno ultrazvučno miješanje sonikatorom UP200S za različite parametre kao što su količina katalizatora, molarni odnos metanola i ulja, temperatura reakcije i trajanje reakcije. Šaržni eksperimenti izvedeni su u reaktoru od tvrdog stakla (300 ml, unutrašnji promjer 7 cm) s poklopcem s dva grla i brušenim spojevima. Jedno grlo bilo je povezano s titanskom sonotrodom S7 (promjer vrha 7 mm) ultrazvučnog procesora UP200S (200W, 24kHz). Amplituda ultrazvuka podešena je na 50% uz 1 ciklus u sekundi. Reakcijska smjesa ultrazvučno je obrađivana tokom cijelog vremena reakcije. Drugo grlo reaktorske komore bilo je opremljeno prilagođenim kondenzatorom od nehrđajućeg čelika s vodenim hlađenjem radi refluksa isparenog metanola. Cijeli aparat bio je smješten u uljnu kupelj konstantne temperature kojom je upravljao proporcionalno-integralno-derivacijski regulator temperature. Temperatura se može podići do 65°C s tačnošću od ±1°C. Za transesterifikaciju biodizela kao materijali korišteni su otpadno ulje i metanol čistoće 99,9%. Kao katalizator korišten je nanodimenzionirani MgO taložen dimom (magnezijeva traka).
Odličan rezultat konverzije dobijen je pri 1,5 wt% katalizatora; pri molarnom odnosu metanola i ulja 5:1 na 55°C postignuta je konverzija od 98,7% nakon 45 min.
Preporuka uređaja:
UP200S s ultrazvučnom sonotrodom S7
Referenca / istraživački rad:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Studije o sonohemijskoj proizvodnji biodizela korištenjem nano MgO katalizatora taloženog dimom. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Sinteza nanokompozita kadmij(II)-tioacetamid

Ultrazvučna primjena:
Nanokompoziti kadmij(II)-tioacetamid sintetizirani su u prisustvu i odsustvu polivinil-alkohola sonohemijskim putem. Za sonohemijsku sintezu (sonosintezu) 0,532 g kadmij(II) acetat dihidrata (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioacetamida (TAA, CH3CSNH2) i 0,664 g kalij-jodida (KI) otopljeno je u 20mL dvostruko destilirane deionizirane vode. Ova otopina ultrazvučno je obrađivana visokosnažnim ultrazvučnim procesorom sa sondom UP400S (24 kHz, 400W) na sobnoj temperaturi 1 h. Tokom ultrazvučne obrade reakcijske smjese temperatura je porasla na 70-80degC, što je izmjereno termoelementom željezo–constantin. Nakon jednog sata nastao je svijetložuti talog. Izoliran je centrifugiranjem (4.000 rpm, 15 min), ispran dvostruko destiliranom vodom, a zatim apsolutnim etanolom radi uklanjanja zaostalih nečistoća i na kraju osušen na zraku (prinos: 0,915 g, 68%). Tačka raspadanja 200°C. Za pripremu polimernog nanokompozita 1,992 g polivinil-alkohola otopljeno je u 20 mL dvostruko destilirane deionizirane vode i zatim dodano u gornju otopinu. Ova smjesa ultrazvučno je zračena ultrazvučnom sondom UP400S 1 h, pri čemu je nastao svijetlonarančasti proizvod.
SEM rezultati pokazali su da se u prisustvu PVA veličina čestica smanjila s oko 38 nm na 25 nm. Zatim smo sintetizirali heksagonalne CdS nanočestice sferne morfologije termičkom razgradnjom polimernog nanokompozita kadmij(II)-tioacetamid/PVA kao prekursora. Veličina CdS nanočestica izmjerena je XRD-om i SEM-om, a rezultati su se vrlo dobro slagali.
Ranjbar et al. (2013) također su utvrdili da je polimerni Cd(II) nanokompozit pogodan prekursor za pripremu nanočestica kadmij-sulfida zanimljivih morfologija. Svi rezultati su pokazali da se ultrazvučna sinteza može uspješno primijeniti kao jednostavna, efikasna, jeftina, ekološki prihvatljiva i vrlo obećavajuća metoda za sintezu materijala nanometarskih dimenzija bez potrebe za posebnim uslovima, kao što su visoka temperatura, dugo vrijeme reakcije i visok pritisak.
Preporuka uređaja:
UP400S
Referenca / istraživački rad:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Sinteza i karakterizacija nanokompozita kadmij-tioacetamid. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – ultrazvučno prevučen stearinskom kiselinom

Ultrazvučna primjena:
Ultrazvučno prevlačenje nano-taloženog CaCO₃ (NPCC) stearinskom kiselinom radi poboljšanja njegove disperzije u polimeru i smanjenja aglomeracije. 2g neprevučenog nano-taloženog CaCO₃ (NPCC) ultrazvučno je obrađeno sonikatorom UP400S u 30ml etanola. 9 wt% stearinske kiseline otopljeno je u etanolu. Etanol sa stearinskom kiselinom zatim je pomiješan s ultrazvučno obrađenom suspenzijom.
Preporuka uređaja:
UP400S sa sonotrodom promjera 22mm (H22D) i protočnom ćelijom s rashladnim plaštom
Referenca / istraživački rad:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Učinci ultrazvuka pri prevlačenju nano-taloženog CaCO3 stearinskom kiselinom. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807-813.

Silan dopiran cerijevim nitratom

Ultrazvučna primjena:
Hladno valjane ploče od ugljičnog čelika (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; hemijski očišćene i mehanički polirane) korištene su kao metalne podloge. Prije nanošenja prevlake ploče su ultrazvučno očišćene acetonom, a zatim alkalnom otopinom (0,3mol L1 otopina NaOH) na 60°C tokom 10 min. Za upotrebu kao prajmer, prije predtretmana podloge, tipična formulacija koja uključuje 50 dijelova γ-glicidoksipropiltrimetoksisilana (γ-GPS) razrijeđena je s oko 950 dijelova metanola, pri pH 4,5 (podešenom octenom kiselinom) i ostavljena da dođe do hidrolize silana. Postupak pripreme silana dopiranog pigmentima cerijevog nitrata bio je isti, osim što je 1, 2, 3 wt% cerijevog nitrata dodano u metanolnu otopinu prije dodatka (γ-GPS), a zatim je ta otopina miješana propelerskom mješalicom pri 1600 rpm tokom 30 min. na sobnoj temperaturi. Zatim su disperzije koje sadrže cerijev nitrat ultrazvučno obrađivane 30 min na 40°C uz vanjsku rashladnu kupelj. Proces ultrazvučne obrade proveden je ultrazvučnim procesorom UIP1000hd (1000W, 20 kHz) s ulaznom ultrazvučnom snagom od oko 1 W/mL. Predtretman podloge proveden je ispiranjem svake ploče 100 sec. odgovarajućom otopinom silana. Nakon tretmana ploče su ostavljene da se suše na sobnoj temperaturi 24 h, a zatim su predtretirane ploče prevučene dvokomponentnim epoksidom otvrdnutim aminom. (Epon 828, shell Co.) kako bi se dobila debljina mokrog filma od 90μm. Ploče prevučene epoksidom ostavljene su da otvrdnu 1h na 115°C; nakon otvrdnjavanja epoksidnih prevlaka debljina suhog filma iznosila je oko 60μm.
Preporuka uređaja:
UIP1000hd
Referenca / istraživački rad:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Elektrohemijski učinci predtretmana silanima koji sadrže cerijev nitrat na svojstva katodnog odvajanja čelika prevučenog epoksidom. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Bakar-aluminijski okviri: sinteza poroznih Cu-Al okvira

Ultrazvučna primjena:
Porozni bakar–aluminij stabiliziran metalnim oksidom obećavajući je novi alternativni katalizator za dehidrogenaciju propana koji ne sadrži plemenite ni opasne metale. Struktura oksidirane porozne Cu–Al legure (metalna spužva) slična je metalima tipa Raney. Snažni ultrazvuk je alat zelene hemije za sintezu poroznih bakar–aluminijskih okvira stabiliziranih metalnim oksidom. Oni su jeftini (proizvodni trošak oko 3 EUR/litru), a metoda se može lako prenijeti na veću skalu. Ovi novi porozni materijali (ili „metalne spužve“) imaju jezgro od legure i oksidiranu površinu te mogu katalizirati dehidrogenaciju propana pri niskim temperaturama.
Postupak ultrazvučne pripreme katalizatora:
Pet grama praha Al–Cu legure dispergirano je u ultračistoj vodi (50mL) i ultrazvučno obrađivano 60 min sonikatorom sa sondom UIP1000hd kompanije Hielscher (20kHz, maks. izlazna snaga 1000W). Ultrazvučni uređaj sa sondom bio je opremljen sonotrodom BS2d22 (površina vrha 3,8cm²) i booster rogom B2–1,2. Maksimalni intenzitet izračunat je na 57 W/cm² pri mehaničkoj amplitudi od 81μm. Tokom tretmana uzorak je hlađen u ledenoj kupelji. Nakon tretmana uzorak je osušen na 120°C tokom 24 h.
Preporuka uređaja:
UIP1000hd sa sonotrodom BS2d22 i booster rogom B2–1,2
Referenca / istraživački rad:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Novi i efikasni bakar–aluminijski katalizatori za dehidrogenaciju propana. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254-12256.

Razgradnja bakar-ftalocijanina

Ultrazvučna primjena:
Obezbojenje i razgradnja metaloftalocijanina
Bakar-ftalocijanin ultrazvučno se obrađuje s vodom i organskim otapalima na temperaturi okoline i atmosferskom pritisku u prisustvu katalitičke količine oksidansa pomoću ultrazvučnog procesora UIP500hd od 500W s fold-trough komorom pri nivou snage od 37–59 W/cm²: 5 mL uzorka (100 mg/L), 50 D/D voda s hloroformom i piridinom pri 60% ultrazvučne amplitude. Temperatura reakcije: 20°C.
Preporuka uređaja:
UIP500hd

Zlato: morfološka modifikacija nanočestica zlata

Ultrazvučna primjena:
Nanočestice zlata morfološki su modificirane pod intenzivnim ultrazvučnim zračenjem. Za stapanje nanočestica zlata u strukturu nalik bučici utvrđeno je da je dovoljna ultrazvučna obrada od 20 min. u čistoj vodi i u prisustvu surfaktanata. Nakon 60 min. ultrazvučne obrade nanočestice zlata u vodi poprimaju strukturu nalik crvu ili prstenu. Stopljene nanočestice sfernog ili ovalnog oblika nastale su ultrazvučno u prisustvu otopina natrij-dodecilsulfata ili dodecilamina.
Protokol ultrazvučne obrade:
Za ultrazvučnu modifikaciju koloidna otopina zlata, koja se sastoji od prethodno formiranih nanočestica zlata zaštićenih citratom prosječnog promjera 25nm (± 7nm), ultrazvučno je obrađivana u zatvorenoj reaktorskoj komori (zapremine oko 50mL). Koloidna otopina zlata (0,97 mmol·L^-1) ultrazvučno je zračena visokim intenzitetom (40 W/cm^-2) pomoću ultrazvučnog procesora Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W) opremljenog sonotrodom BS2d18 od legure titana (promjer vrha 0,7 inča), koja je bila uronjena oko 2 cm ispod površine ultrazvučno obrađivane otopine. Koloidno zlato je propuhivano argonom (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. prije i tokom ultrazvučne obrade brzinom od 200 mL·min^-1 radi uklanjanja kisika iz otopine. Porcija od 35 mL svake otopine surfaktanta bez dodatka trinatrij-citrat dihidrata spojena je s 15 mL prethodno formiranog koloidnog zlata, uz propuhivanje argonom 20 min. prije i tokom ultrazvučne obrade.
Preporuka uređaja:
UIP1000hd sa sonotrodom BS2d18 i reaktorom s protočnom ćelijom
Referenca / istraživački rad:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Fuzija prethodno formiranih nanočestica zlata potpomognuta ultrazvukom. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Anorganska gnojiva – luženje Cu, Cd i Pb za analizu

Ultrazvučna primjena:
Ekstrakcija Cu, Cd i Pb iz anorganskih gnojiva u analitičke svrhe:
Za ultrazvučnu ekstrakciju bakra, olova i kadmija uzorci koji sadrže smjesu gnojiva i otapala ultrazvučno se obrađuju ultrazvučnim uređajem kao što je sonikator VialTweeter za indirektnu ultrazvučnu obradu. Uzorci gnojiva ultrazvučno su obrađivani u prisustvu 2mL 50% (v/v) HNO₃ u staklenim epruvetama tokom 3 minute. Ekstrakti Cu, Cd i Pb mogu se odrediti plamenom atomskom apsorpcijskom spektrometrijom (FAAS).
Preporuka uređaja:
VialTweeter
Referenca / istraživački rad:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternativna analitička metoda za određivanje metala u anorganskim gnojivima zasnovana na ekstrakciji potpomognutoj ultrazvukom. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519-1524.

Sinteza lateksa

Ultrazvučna primjena:
Priprema P(St-BA) lateksa
Čestice poli(stiren-r-butil akrilat) P(St-BA) lateksa sintetizirane su emulzijskom polimerizacijom u prisustvu surfaktanta DBSA. 1 g DBSA prvo je otopljen u 100mL vode u tikvici s tri grla i pH vrijednost otopine podešena je na 2,0. Miješani monomeri, 2,80g St i 8,40g BA, s inicijatorom AIBN (0,168g) uliveni su u otopinu DBSA. O/W emulzija pripremljena je magnetnim miješanjem 1 h, nakon čega je slijedila ultrazvučna obrada sonikatorom UIP1000hd opremljenim ultrazvučnim rogom (sonda / sonotroda) još 30 min. u ledenoj kupelji. Na kraju je polimerizacija provedena na 90degC u uljnoj kupelji 2h pod atmosferom dušika.
Preporuka uređaja:
UIP1000hd
Referenca / istraživački rad:
Izrada fleksibilnih vodljivih filmova dobivenih od poli(3,4-etilendioksitiofen)epoli(stirensulfonska kiselina) (PEDOT:PSS) na podlozi od netkanog tekstila. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143-148.
Kliknite ovdje i pročitajte više o sonosintezi lateksa!

Uklanjanje olova (sono-luženje)

Ultrazvučna primjena:
Ultrazvučno luženje olova iz kontaminiranog tla:
Eksperimenti ultrazvučnog luženja provedeni su ultrazvučnim homogenizatorom UP400S s titanskom ultrazvučnom sondom (promjer 14mm), koji radi na frekvenciji od 20kHz. Ultrazvučna sonda (sonotroda) kalorimetrijski je kalibrirana, a ultrazvučni intenzitet postavljen je na 51 ± 0,4 W cm^-2 za sve eksperimente sono-luženja. Eksperimenti sono-luženja termostatirani su pomoću staklene ćelije s plaštom i ravnim dnom na 25 ± 1°C. Tri sistema korištena su kao otopine za luženje tla (0,1L) uz ultrazvučnu obradu: 6 mL 0,3 mol L^-2 otopine octene kiseline (pH 3,24), 3% (v/v) otopina dušične kiseline (pH 0,17) i pufer octena kiselina/acetat (pH 4,79) pripremljen miješanjem 60mL 0f 0,3 mol L^-1 octene kiseline s 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH. Nakon procesa sono-luženja uzorci su filtrirani filter-papirom radi odvajanja otopine eluata od tla, nakon čega su slijedili elektrodepozicija olova iz otopine eluata i digestija tla nakon primjene ultrazvuka.
Dokazano je da je ultrazvuk vrijedan alat za pospješivanje luženja olova iz zagađenog tla. Ultrazvuk je također efikasna metoda za gotovo potpuno uklanjanje olova koje se može lužiti iz tla, što rezultira znatno manje opasnim tlom.
Preporuka uređaja:
UP400S sa sonotrodom H14
Referenca / istraživački rad:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultrazvučno luženje i elektrohemijski tretman u kombinaciji za uklanjanje olova iz tla. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195-199.

PbS – sinteza nanočestica olovo-sulfida

Ultrazvučna primjena:
Na sobnoj temperaturi 0,151 g olovo-acetata (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) i 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) dodani su u 5mL ionske tekućine, [EMIM] [EtSO₄], te 15mL dvostruko destilirane vode u čaši od 50mL izloženoj ultrazvučnom zračenju sonikatorom Hielscher UP200S tokom 7 min. Vrh ultrazvučne sonde / sonotrode S1 uronjen je direktno u reakcijsku otopinu. Nastala suspenzija tamnosmeđe boje centrifugirana je radi izdvajanja taloga, koji je ispran dva puta dvostruko destiliranom vodom, odnosno etanolom, radi uklanjanja nereagiranih reagensa. Da bi se istražio učinak ultrazvuka na svojstva proizvoda, pripremljen je još jedan usporedni uzorak uz zadržavanje konstantnih reakcijskih parametara, osim što je proizvod pripremljen kontinuiranim miješanjem 24 h bez pomoći ultrazvučnog zračenja.
Ultrazvučno potpomognuta sinteza u vodenoj ionskoj tekućini na sobnoj temperaturi predložena je za pripremu PbS nanočestica. Ova metoda zelene hemije na sobnoj temperaturi, ekološki prihvatljiva, brza je i bez šablona, što znatno skraćuje vrijeme sinteze i izbjegava složene sintetske postupke. Pripremljeni nanoklasteri pokazuju golem plavi pomak od 3,86 eV, koji se može pripisati vrlo maloj veličini čestica i efektu kvantnog ograničenja.
Preporuka uređaja:
UP200S
Referenca / istraživački rad:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Jednostavna priprema i karakterizacija PbS nanočestica na sobnoj temperaturi u vodenoj [EMIM][EtSO4] ionskoj tekućini uz primjenu ultrazvučnog zračenja. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53-56.

Razgradnja fenola

Ultrazvučna primjena:
Rokhina et al. (2013) koristili su kombinaciju peroctene kiseline (PAA) i heterogenog katalizatora (MnO₂) za razgradnju fenola u vodenoj otopini pod ultrazvučnim zračenjem. Ultrazvučna obrada provedena je ultrazvučnim procesorom sa sondom UP400S od 400W, koji može ultrazvučno obrađivati kontinuirano ili u pulsnom načinu rada (tj. 4 sek. uključeno i 2 sek. isključeno) na fiksnoj frekvenciji od 24 kHz. Izračunati ukupni ulaz snage, gustoća snage i intenzitet snage predani sistemu iznosili su 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, i 14,3 W/cm^-2, respektivno. Fiksna snaga korištena je tokom svih eksperimenata. Jedinica s uronjenim cirkulatorom korištena je za kontrolu temperature unutar reaktora. Stvarno vrijeme ultrazvučne obrade bilo je 4 h, iako je stvarno vrijeme reakcije bilo 6 h zbog rada u pulsnom načinu. U tipičnom eksperimentu stakleni reaktor napunjen je s 100mL otopine fenola (1,05 mM) i odgovarajućim dozama katalizatora MnO2 i PAA (2%), u rasponu između 0–2 g L^-1 odnosno 0–150 ppm. Sve reakcije izvedene su pri približno neutralnom pH, atmosferskom pritisku i sobnoj temperaturi (22 ± 1 °C).
Ultrazvučnom obradom povećana je površina katalizatora, što je rezultiralo 4 puta većom površinom bez promjene u strukturnom pogledu. Frekvencije obrtaja (TOF) povećane su sa 7 x 10^-3 na 12,2 x 10^-3 min^-1, u usporedbi s procesom bez ultrazvuka. Osim toga, nije otkriveno značajno izluživanje katalizatora. Izotermna oksidacija fenola pri relativno niskim koncentracijama reagensa pokazala je visoke stope uklanjanja fenola (do 89%) pri blagim uslovima. Općenito, ultrazvuk je ubrzao proces oksidacije tokom prvih 60 min. (70% uklanjanja fenola naspram 40% tokom tretmana bez ultrazvuka).
Preporuka uređaja:
UP400S
Referenca / istraživački rad:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Homoliza peroctene kiseline potpomognuta ultrazvukom i katalizirana MnO₂ za razgradnju fenola: procjena hemije procesa i kinetike. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenol: oksidacija fenola korištenjem RuI₃ kao katalizatora

Ultrazvučna primjena:
Heterogena vodena oksidacija fenola preko RuI₃ s vodikovim peroksidom (H₂O₂): Katalitička oksidacija fenola (100 ppm) preko RuI₃ kao katalizatora proučavana je u staklenom reaktoru od 100 mL opremljenom magnetnom mješalicom i regulatorom temperature. Reakcijska smjesa miješana je brzinom od 800 rpm tokom 1–6 sati radi potpunog miješanja za ravnomjernu raspodjelu i punu suspenziju čestica katalizatora. Tokom ultrazvučne obrade nije vršeno mehaničko miješanje otopine zbog smetnji uzrokovanih oscilacijom i kolapsom kavitacijskih mjehurića, koji sami po sebi osiguravaju izuzetno efikasno miješanje. Ultrazvučno zračenje otopine provedeno je ultrazvučnim pretvaračem UP400S opremljenim ultrazvučnim (tzv. sonikator tipa sonde), koji može raditi kontinuirano ili u pulsnom načinu rada na fiksnoj frekvenciji od 24 kHz i maksimalnoj izlaznoj snazi od 400W.
Za eksperiment je netretirani RuI₃ kao katalizator (0,5–2 gL^-1) uveden kao suspenzija u reakcijski medij uz naknadni dodatak H2O2 (30%, koncentracija u rasponu od 200–1200 ppm).
Rokhina et al. su u svojoj studiji utvrdili da je ultrazvučno zračenje imalo istaknutu ulogu u modifikaciji teksturalnih svojstava katalizatora, stvarajući mikroporoznu strukturu s većom površinom kao rezultat fragmentacije čestica katalizatora. Štaviše, imalo je i promotivni učinak, sprječavajući aglomeraciju čestica katalizatora i poboljšavajući pristupačnost fenola i vodikovog peroksida aktivnim mjestima katalizatora.
Dvostruko povećanje efikasnosti procesa potpomognutog ultrazvukom u usporedbi s oksidacijom bez ultrazvuka pripisano je poboljšanom katalitičkom ponašanju katalizatora i stvaranju oksidirajućih vrsta kao što su •OH, •HO2 i •I₂ cijepanjem vodikovih veza i rekombinacijom radikala.
Preporuka uređaja:
UP400S
Referenca / istraživački rad:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Oksidacija fenola mokrim peroksidom katalizirana heterogenim rutenijem uz pomoć ultrazvuka. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Čestice Ag/ZnO prevučene PLA

Ultrazvučna primjena:
Prevlačenje čestica Ag/ZnO polimerom PLA: Mikro- i submikročestice Ag/ZnO prevučene PLA pripremljene su tehnikom isparavanja otapala iz emulzije ulje u vodi. Ova metoda provedena je na sljedeći način. Prvo je 400 mg polimera otopljeno u 4 ml hloroforma. Dobivena koncentracija polimera u hloroformu iznosila je 100 mg/ml. Zatim je otopina polimera emulgirana u vodenoj otopini različitih sistema surfaktanata (emulgator, PVA 8-88) uz kontinuirano miješanje homogenizatorom brzinom miješanja od 24.000 rpm. Smjesa je miješana 5 min. i tokom tog perioda emulzija koja je nastajala hlađena je ledom. Omjer između vodene otopine surfaktanta i otopine PLA u hloroformu bio je identičan u svim eksperimentima (4:1). Potom je dobivena emulzija ultrazvučno obrađena ultrazvučnim uređajem sa sondom UP400S (400W, 24kHz) tokom 5 min. pri ciklusu 0,5 i amplitudi 35%. Na kraju je pripremljena emulzija prebačena u Erlenmeyerovu tikvicu, miješana, a organsko otapalo isparavano je iz emulzije pod sniženim pritiskom, što konačno dovodi do stvaranja suspenzije čestica. Nakon uklanjanja otapala suspenzija je tri puta centrifugirana radi uklanjanja emulgatora.
Preporuka uređaja:
UP400S
Referenca / istraživački rad:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Hibridne antibakterijske čestice sintetizirane mikrovalovima, prevučene poli (L-mliječnom kiselinom). Nanocon 2011.

Kompozit polianilina

Ultrazvučna primjena:
Priprema nanokompozita samodopiranog polianilina (SPAni) na vodenoj osnovi (Sc-WB)
Za pripremu SPAni kompozita na vodenoj osnovi 0,3 gr SPAni, sintetiziranog in-situ polimerizacijom u mediju ScCO2, razrijeđeno je vodom i ultrazvučno obrađivano 2 minute ultrazvučnim homogenizatorom UIP1000hd od 1000W. Zatim je suspenzija homogenizirana dodavanjem 125 gr matrice učvršćivača na vodenoj osnovi tokom 15 min., a završna ultrazvučna obrada provedena je na temperaturi okoline 5 min.
Preporuka uređaja:
UIP1000hd
Referenca / istraživački rad:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Zaštitna svojstva epoksidne prevlake na vodenoj osnovi koja sadrži samodopirani nanopolianilin sintetiziran u ScCO2. 2013.

Policiklični aromatski ugljikovodici: sonohemijska razgradnja naftalena, acenaftilena i fenantrena

Ultrazvučna primjena:
Za sonohemijsku razgradnju policikličnih aromatskih ugljikovodika (PAH) naftalena, acenaftilena i fenantrena u vodi, smjese uzoraka ultrazvučno su obrađivane na 20◦C i 50 µg/l svakog ciljnog PAH-a (150 µg/l ukupne početne koncentracije). Ultrazvučna obrada primijenjena je ultrazvučnim procesorom s rogom UP400S (400W, 24kHz), koji može raditi u kontinuiranom ili pulsnom načinu rada. Sonikator UP400S bio je opremljen titanskom sondom H7 s vrhom promjera 7 mm. Reakcije su provedene u cilindričnoj staklenoj reakcijskoj posudi od 200 mL s titanskim rogom postavljenim na vrh reakcijske posude i zabrtvljenim O-prstenovima i teflonskim ventilom. Reakcijska posuda bila je smještena u vodenu kupelj radi kontrole temperature procesa. Da bi se izbjegle bilo kakve fotohemijske reakcije, posuda je bila prekrivena aluminijskom folijom.
Rezultati analize pokazali su da se konverzija PAH-ova povećava s produžetkom trajanja ultrazvučne obrade.
Za naftalen se ultrazvučno potpomognuta konverzija (snaga ultrazvuka podešena na 150W) povećala sa 77,6% postignutih nakon 30 min. ultrazvučne obrade na 84,4% nakon 60 min. ultrazvučne obrade.
Za acenaftilen se ultrazvučno potpomognuta konverzija (snaga ultrazvuka podešena na 150W) povećala sa 77,6% postignutih nakon 30 min. ultrazvučne obrade ultrazvukom snage 150W na 84,4% nakon 60 min. ultrazvučne obrade ultrazvukom od 150W, povećala se sa 80,7% postignutih nakon 30 min. ultrazvučne obrade ultrazvukom snage 150W na 96,6% nakon 60 min. ultrazvučne obrade.
Za fenantren se ultrazvučno potpomognuta konverzija (snaga ultrazvuka podešena na 150W) povećala sa 73,8% postignutih nakon 30 min. ultrazvučne obrade na 83,0% nakon 60 min. ultrazvučne obrade.
Za poboljšanje efikasnosti razgradnje vodikov peroksid može se efikasnije koristiti kada se doda ion željeza(II). Pokazalo se da dodatak iona željeza(II) ima sinergijske učinke koji simuliraju reakciju sličnu Fentonovoj.
Preporuka uređaja:
UP400S s H7
Referenca / istraživački rad:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Razgradnja policikličnih aromatskih ugljikovodika u vodenim otopinama ultrazvučnim zračenjem. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Uklanjanje oksidnog sloja s podloga

Ultrazvučna primjena:
Za pripremu podloge prije rasta CuO nanožica na Cu podlogama, prirodni oksidni sloj na površini Cu uklonjen je ultrazvučnom obradom uzorka u 0,7 M hlorovodičnoj kiselini 2 min. pomoću Hielscher UP200S. Uzorak je ultrazvučno očišćen u acetonu 5 min. radi uklanjanja organskih kontaminanata, temeljito ispran deioniziranom (DI) vodom i osušen komprimiranim zrakom.
Preporuka uređaja:
UP200S ili UP200St
Referenca / istraživački rad:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modulacija svojstava CuO nanožica kao senzora plinova stvaranjem diskretnih p−n spojeva nanometarskih dimenzija na njihovim površinama. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192−4199.

Voltametrijski eksperimenti

Ultrazvučna primjena:
Za voltametrijske eksperimente pojačane ultrazvukom korišten je ultrazvučni procesor Hielscher UP200S od 200 watta opremljen staklenim rogom (vrh promjera 13-mm). Ultrazvuk je primijenjen intenzitetom od 8 W/cm^–2.
Zbog sporosti difuzije nanočestica u vodenim otopinama i velikog broja redoks centara po nanočestici, direktnom voltametrijom nanočestica u fazi otopine dominiraju adsorpcijski učinci. Da bi se nanočestice detektirale bez akumulacije uslijed adsorpcije, treba odabrati eksperimentalni pristup s (i) dovoljno visokom koncentracijom nanočestica, (ii) malim elektrodama radi poboljšanja omjera signala i pozadine ili (iii) vrlo brzim transportom mase.
Zbog toga su McKenzie et al. (2012) primijenili snažni ultrazvuk kako bi drastično poboljšali brzinu transporta mase nanočestica prema površini elektrode. U njihovom eksperimentalnom postavu elektroda je direktno izložena ultrazvuku visokog intenziteta uz udaljenost elektroda–rog od 5 mm te ultrazvučnu obradu intenziteta 8 W/cm^–2 koja rezultira uzburkavanjem i kavitacijskim čišćenjem. Testni redoks sistem, jednoelektronska redukcija Ru(NH3)₆³⁺ u vodenoj 0,1 M KCl, korišten je za kalibraciju brzine transporta mase postignute pod ovim uslovima.
Preporuka uređaja:
UP200S ili UP200St
Referenca / istraživački rad:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Direktna elektrohemija nanočestičnog Fe2O3 u vodenoj otopini i adsorbiranog na indijev oksid dopiran kositrom. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Sonikatori za sonohemijske reakcije od laboratorijske do industrijske skale

Hielscher nudi cijeli asortiman ultrazvučnih procesora, od ručnog laboratorijskog homogenizatora do potpunih industrijskih sonikatora za tokove velikih zapremina. Svi rezultati postignuti u malom mjerilu tokom testiranja, R&D i optimizacije ultrazvučnog procesa mogu se >linearno povećati do pune komercijalne proizvodnje. Hielscher sonikatori su pouzdani, robusni i izrađeni za rad 24/7.
Pitajte nas kako procijeniti, optimizirati i povećati mjerilo vašeg procesa! Rado ćemo vam pomoći u svim fazama – od prvih testova i optimizacije procesa do instalacije u vašu industrijsku proizvodnu liniju!