Sonochemie: aplikační poznámky

Sonochemie je účinek ultrazvukové kavitace na chemické systémy. Díky extrémním podmínkám, které vznikají v kavitačním „hot spotu“, je výkonový ultrazvuk velmi účinnou metodou pro zlepšení výsledku reakce (vyšší výtěžek, lepší kvalita), konverze a doby trvání chemické reakce. Některých chemických změn lze dosáhnout pouze za sonikace, například nanometrického povlakování titanu nebo hliníku cínem.

Níže naleznete výběr částic a kapalin se souvisejícími doporučeními, jak materiál zpracovat za účelem mletí, dispergace, deaglomerace nebo modifikace částic pomocí ultrazvukového homogenizátoru.

Níže naleznete několik protokolů sonikace pro úspěšné sonochemické reakce!

V abecedním pořadí:

α-Epoxyketony – reakce otevření kruhu

Ultrazvuková aplikace:
Katalytické otevření kruhu α-epoxyketonů bylo provedeno kombinací ultrazvukových a fotochemických metod. Jako fotokatalyzátor byl použit 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate (NBTPT). Kombinací sonikace (sonochemie) a fotochemie těchto sloučenin v přítomnosti NBTPT bylo dosaženo otevření epoxidového kruhu. Bylo prokázáno, že použití ultrazvuku významně zvýšilo rychlost fotoindukované reakce. Ultrazvuk může výrazně ovlivnit fotokatalytické otevření kruhu α-epoxyketonů převážně díky účinnému přenosu hmoty reaktantů a excitovanému stavu NBTPT. Také přenos elektronů mezi aktivními částicemi v tomto homogenním systému probíhá při sonikaci
rychleji než v systému bez sonikace. Výhodami této metody jsou vyšší výtěžky a kratší reakční doby.

Ultrazvukem podporované fotokatalytické otevření kruhu α-epoxyketonů (studie a grafika: ©Memarian et al 2007)

Protokol sonikace:
α-Epoxyketony 1a-f a 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate 2 byly připraveny podle publikovaných postupů. Methanol byl zakoupen od firmy Merck a před použitím předestilován. Jako ultrazvukové zařízení byl použit sondový ultrazvukový přístroj UP400S od společnosti Hielscher Ultrasonics GmbH. Ultrazvuková ponorná sonotroda S3 (známá také jako sonda nebo sonotroda) vyzařující ultrazvuk o frekvenci 24 kHz při úrovních intenzity nastavitelných až do maximální hustoty akustického výkonu 460Wcm^-2 byla použita. Sonikace probíhala při 100% (maximální amplituda 210μm). Sonotroda S3 (maximální hloubka ponoru 90mm) byla ponořena přímo do reakční směsi. UV ozařování bylo prováděno pomocí 400W vysokotlaké rtuťové výbojky od firmy Narva s chlazením vzorků ve skle Duran. Spektra ¹H NMR směsi fotoproduktů byla měřena v roztocích CDCl₃ obsahujících tetramethylsilan (TMS) jako vnitřní standard na přístroji Bruker drx-500 (500 MHz). Preparativní vrstvová chromatografie (PLC) byla prováděna na deskách 20 × 20cm² pokrytých 1mm vrstvou silikagelu Merck PF₂₅₄ připravených nanesením silikagelu ve formě suspenze a sušením na vzduchu. Všechny produkty jsou známé a jejich spektrální data byla publikována již dříve.
Doporučené zařízení:
UP400S s ultrazvukovou sonotrodou S3
Reference/ výzkumná práce:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Fotosonochemické katalytické otevření kruhu α-epoxyketonů. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Katalyzátor hliník/nikl: nanostrukturování slitiny Al/Ni

Ultrazvuková aplikace:
Částice Al/Ni lze sonochemicky modifikovat nanostrukturováním výchozí slitiny Al/Ni. Tím vzniká účinný katalyzátor pro hydrogenaci acetofenonu.
Ultrazvuková příprava katalyzátoru Al/Ni:
5g komerční slitiny Al/Ni bylo dispergováno v čištěné vodě (50mL) a sonikováno po dobu až 50 min. sondovým sonikátorem UIP1000hd (1kW, 20kHz) vybaveným ultrazvukovou sonotrodou BS2d22 (plocha čela 3,8 cm²) a boosterem B2-1.8. Maximální intenzita byla vypočtena na 140 Wcm⁻² při mechanické amplitudě 106μm. Aby se zabránilo nárůstu teploty během sonikace, byl experiment proveden v termostatované cele. Po sonikaci byl vzorek vysušen ve vakuu pomocí horkovzdušné pistole.
Doporučené zařízení:
UIP1000hd se sonotrodou BS2d22 a boosterem B2–1,2
Reference/ výzkumná práce:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Jekatěrina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonochemická aktivace hydrogenačního katalyzátoru Al/Ni. Pokročilé funkční materiály 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterifikace bionafty s katalyzátorem MgO

Ultrazvuková aplikace:
Transesterifikační reakce byla studována za stálého ultrazvukového míchání sonikátorem UP200S pro různé parametry, jako je množství katalyzátoru, molární poměr methanolu a oleje, reakční teplota a doba reakce. Vsádkové experimenty byly prováděny v reaktoru z tvrdého skla (300 ml, vnitřní průměr 7 cm) s dvouhrdlým víkem se zabroušenými spoji. Jedno hrdlo bylo spojeno s titanovou sonotrodou S7 (průměr hrotu 7 mm) ultrazvukového procesoru UP200S (200W, 24kHz). Amplituda ultrazvuku byla nastavena na 50% s 1 cyklem za sekundu. Reakční směs byla sonikována po celou dobu reakce. Druhé hrdlo reaktorové komory bylo osazeno upraveným vodou chlazeným nerezovým kondenzátorem pro zpětný tok odpařeného methanolu. Celá aparatura byla umístěna v olejové lázni s konstantní teplotou řízené proporcionálně-integračně-derivačním regulátorem teploty. Teplotu lze zvýšit až na 65°C s přesností ±1°C. Jako materiál pro transesterifikaci bionafty byly použity odpadní olej a 99,9% čistý methanol. Jako katalyzátor byl použit nanometrický MgO deponovaný z kouře (hořčíková páska).
Vynikajícího výsledku konverze bylo dosaženo při 1,5 wt% katalyzátoru; při molárním poměru methanolu k oleji 5:1 a teplotě 55°C bylo po 45 min. dosaženo konverze 98,7%.
Doporučené zařízení:
UP200S s ultrazvukovou sonotrodou S7
Reference/ výzkumná práce:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Studie sonochemické výroby bionafty s využitím katalyzátoru z nanočástic MgO nanesených z kouře. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Syntéza nanokompozitu kadmium(II)-thioacetamid

Ultrazvuková aplikace:
Nanokompozity kadmium(II)-thioacetamid byly syntetizovány v přítomnosti a v nepřítomnosti polyvinylalkoholu sonochemickou cestou. Pro sonochemickou syntézu (sonosyntézu) bylo 0,532 g dihydrátu octanu kademnatého (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g thioacetamidu (TAA, CH3CSNH2) a 0,664 g jodidu draselného (KI) rozpuštěno ve 20mL dvakrát destilované deionizované vody. Tento roztok byl sonikován výkonným sondovým ultrazvukovým přístrojem UP400S (24 kHz, 400W) při pokojové teplotě po dobu 1 h. Během sonikace reakční směsi se teplota zvýšila na 70-80degC, měřeno termočlánkem železo–constantin. Po jedné hodině vznikla jasně žlutá sraženina. Byla izolována centrifugací (4 000 rpm, 15 min), promyta dvakrát destilovanou vodou a poté absolutním ethanolem za účelem odstranění zbytkových nečistot a nakonec vysušena na vzduchu (výtěžek: 0,915 g, 68%). Bod rozkladu 200°C. Pro přípravu polymerního nanokompozitu bylo 1,992 g polyvinylalkoholu rozpuštěno ve 20 mL dvakrát destilované deionizované vody a poté přidáno k výše uvedenému roztoku. Tato směs byla ultrazvukově ozařována sondovým ultrazvukovým přístrojem UP400S po dobu 1 h, kdy vznikl jasně oranžový produkt.
Výsledky SEM prokázaly, že v přítomnosti PVA se velikost částic zmenšila z přibližně 38 nm na 25 nm. Poté jsme tepelným rozkladem polymerního nanokompozitu kadmium(II)-thioacetamid/PVA jako prekurzoru syntetizovali hexagonální nanočástice CdS se sférickou morfologií. Velikost nanočástic CdS byla měřena pomocí XRD i SEM a výsledky spolu velmi dobře souhlasily.
Ranjbar et al. (2013) rovněž zjistili, že polymerní nanokompozit Cd(II) je vhodným prekurzorem pro přípravu nanočástic sulfidu kademnatého se zajímavými morfologiemi. Všechny výsledky ukázaly, že ultrazvukovou syntézu lze úspěšně využít jako jednoduchou, účinnou, levnou, ekologickou a velmi slibnou metodu syntézy nanomateriálů bez potřeby zvláštních podmínek, jako je vysoká teplota, dlouhé reakční doby a vysoký tlak.
Doporučené zařízení:
UP400S
Reference/ výzkumná práce:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Syntéza a charakterizace nanokompozitů kadmia a thioacetamidu. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203-212.

CaCO3 – ultrazvukově povlakovaný kyselinou stearovou

Ultrazvuková aplikace:
Ultrazvukové povlakování nanoprecipitovaného CaCO₃ (NPCC) kyselinou stearovou za účelem zlepšení jeho dispergace v polymeru a snížení aglomerace. 2g nepovlakovaného nanoprecipitovaného CaCO₃ (NPCC) bylo sonikováno sonikátorem UP400S ve 30ml ethanolu. V ethanolu bylo rozpuštěno 9 wt% kyseliny stearové. Ethanol s kyselinou stearovou byl poté smíchán se sonikovanou suspenzí.
Doporučené zařízení:
UP400S se sonotrodou o průměru 22mm (H22D) a průtokovou celou s chladicím pláštěm
Reference/ výzkumná práce:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, AR (2009): Účinky ultrazvuku při potahování nano-vysráženého CaCO3 kyselinou stearovou. Asijsko-pacifický časopis chemického inženýrství 4/5, 2009. 807-813.

Silan dopovaný dusičnanem ceru

Ultrazvuková aplikace:
Jako kovové substráty byly použity za studena válcované panely z uhlíkové oceli (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; chemicky očištěné a mechanicky leštěné). Před nanesením povlaku byly panely ultrazvukově očištěny acetonem a poté očištěny alkalickým roztokem (0,3mol L1 roztok NaOH) při 60°C po dobu 10 min. Pro použití jako primer byla před předúpravou substrátu typická formulace obsahující 50 dílů γ-glycidoxypropyltrimethoxysilanu (γ-GPS) zředěna přibližně 950 díly methanolu při pH 4,5 (upraveno kyselinou octovou) a ponechána k hydrolýze silanu. Postup přípravy silanu dopovaného pigmenty dusičnanu ceru byl stejný s tou výjimkou, že do methanolového roztoku bylo před přidáním (γ-GPS) přidáno 1, 2, 3 wt% dusičnanu ceru; poté byl tento roztok míchán vrtulovým míchadlem při 1600 rpm po dobu 30 min. při pokojové teplotě. Následně byly disperze obsahující dusičnan ceru sonikovány po dobu 30 min při 40°C s vnější chladicí lázní. Proces ultrazvukového zpracování byl proveden ultrazvukovým přístrojem UIP1000hd (1000W, 20 kHz) se vstupním ultrazvukovým výkonem přibližně 1 W/mL. Předúprava substrátu byla provedena oplachováním každého panelu po dobu 100 sec. příslušným roztokem silanu. Po úpravě byly panely ponechány schnout při pokojové teplotě po dobu 24 h, poté byly předupravené panely potaženy dvousložkovým epoxidem vytvrzovaným aminem (Epon 828, shell Co.) na tloušťku mokrého filmu 90μm. Panely s epoxidovým povlakem byly ponechány vytvrzovat 1h při 115°C; po vytvrzení epoxidových povlaků byla tloušťka suchého filmu přibližně 60μm.
Doporučené zařízení:
UIP1000hd
Reference/ výzkumná práce:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Elektrochemické účinky silanových předúprav obsahujících dusičnan ceričitý na katodické rozpojovací vlastnosti oceli s epoxidovým povlakem. Časopis adhezní vědy a technologie 27/22, 2013. 2411–2420.

Měď-hliníkové skelety: syntéza porézních skeletů Cu-Al

Ultrazvuková aplikace:
Porézní měď–hliník stabilizovaný oxidem kovu je slibným novým alternativním katalyzátorem pro dehydrogenaci propanu, který neobsahuje ušlechtilé ani nebezpečné kovy. Struktura oxidované porézní slitiny Cu–Al (kovové houby) je podobná kovům Raneyova typu. Výkonový ultrazvuk je nástrojem zelené chemie pro syntézu porézních měď–hliníkových skeletů stabilizovaných oxidem kovu. Jsou levné (výrobní náklady přibližně 3 EUR/litr) a metodu lze snadno převést do většího měřítka. Tyto nové porézní materiály (neboli „kovové houby“) mají slitinové jádro a oxidovaný povrch a mohou katalyzovat dehydrogenaci propanu při nízkých teplotách.
Postup ultrazvukové přípravy katalyzátoru:
Pět gramů práškové slitiny Al–Cu bylo dispergováno v ultračisté vodě (50mL) a sonikováno po dobu 60 min sondovým sonikátorem Hielscher UIP1000hd (20kHz, max. výstupní výkon 1000W). Sondový ultrazvukový přístroj byl vybaven sonotrodou BS2d22 (plocha hrotu 3,8cm²) a boosterem B2–1,2. Maximální intenzita byla vypočtena na 57 W/cm² při mechanické amplitudě 81μm. Během zpracování byl vzorek chlazen v ledové lázni. Po zpracování byl vzorek sušen při 120°C po dobu 24 h.
Doporučené zařízení:
UIP1000hd se sonotrodou BS2d22 a boosterem B2–1,2
Reference/ výzkumná práce:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Nové a účinné katalyzátory dehydrogenace propanu mědi a hliníku. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254-12256.

Degradace ftalocyaninu mědi

Ultrazvuková aplikace:
Odbarvení a destrukce metaloftalocyaninů
Ftalocyanin mědi je sonikován s vodou a organickými rozpouštědly při okolní teplotě a atmosférickém tlaku v přítomnosti katalytického množství oxidačního činidla pomocí 500W ultrazvukového přístroje UIP500hd s komorou typu fold-trough při výkonové úrovni 37–59 W/cm²: 5 mL vzorku (100 mg/L), 50 D/D voda s chloroformem a pyridinem při 60% ultrazvukové amplitudy. Reakční teplota: 20°C.
Doporučené zařízení:
UIP500hd

Zlato: morfologická modifikace nanočástic zlata

Ultrazvuková aplikace:
Nanočástice zlata byly morfologicky modifikovány intenzivním ultrazvukovým ozařováním. Pro fúzi nanočástic zlata do struktury podobné čince bylo shledáno dostatečným ultrazvukové zpracování po dobu 20 min. v čisté vodě a v přítomnosti povrchově aktivních látek. Po 60 min. sonikace získávají nanočástice zlata ve vodě strukturu podobnou červu nebo prstenci. Fúzované nanočástice kulovitého nebo oválného tvaru vznikly působením ultrazvuku v přítomnosti roztoků dodecylsulfátu sodného nebo dodecylaminu.
Protokol ultrazvukového zpracování:
Pro ultrazvukovou modifikaci byl koloidní roztok zlata, sestávající z předem připravených citrátem chráněných nanočástic zlata o průměrné velikosti 25nm (± 7nm), sonikován v uzavřené reaktorové komoře (objem přibližně 50mL). Koloidní roztok zlata (0,97 mmol·L^-1) byl ultrazvukově ozařován vysokou intenzitou (40 W/cm^-2) pomocí ultrazvukového přístroje Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W) vybaveného sonotrodou BS2d18 z titanové slitiny (průměr hrotu 0,7 palce), která byla ponořena přibližně 2 cm pod hladinu sonikovaného roztoku. Koloidní zlato bylo probubláváno argonem (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. před sonikací a během ní rychlostí 200 mL·min^-1 za účelem odstranění kyslíku z roztoku. Podíl 35 mL každého roztoku povrchově aktivní látky bez přídavku dihydrátu citronanu trisodného byl spojen s 15 mL předem připraveného koloidního zlata, s probubláváním argonem 20 min. před ultrazvukovým zpracováním a během něj.
Doporučené zařízení:
UIP1000hd se sonotrodou BS2d18 a reaktorem s průtokovou celou
Reference/ výzkumná práce:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ultrazvukem asistovaná fúze předem připravených nanočástic zlata. Časopis fyzikální chemie C 114, 2010. 1835–1843.

Anorganická hnojiva – loužení Cu, Cd a Pb pro analýzu

Ultrazvuková aplikace:
Extrakce Cu, Cd a Pb z anorganických hnojiv pro analytické účely:
Pro ultrazvukovou extrakci mědi, olova a kadmia se vzorky obsahující směs hnojiva a rozpouštědla sonikují ultrazvukovým přístrojem, jako je sonikátor VialTweeter pro nepřímou sonikaci. Vzorky hnojiv byly sonikovány v přítomnosti 2mL 50% (v/v) HNO₃ ve skleněných zkumavkách po dobu 3 minut. Extrakty Cu, Cd a Pb lze stanovit plamenovou atomovou absorpční spektrometrií (FAAS).
Doporučené zařízení:
VialTweeter
Reference/ výzkumná práce:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternativní analytická metoda pro stanovení kovů v anorganických hnojivech založená na ultrazvukem asistované extrakci. Časopis Brazilské chemické společnosti 22/ 8. 2011. 1519-1524.

Syntéza latexu

Ultrazvuková aplikace:
Příprava latexu P(St-BA)
Latexové částice poly(styren-r-butylakrylátu) P(St-BA) byly syntetizovány emulzní polymerací v přítomnosti povrchově aktivní látky DBSA. Nejprve byl 1 g DBSA rozpuštěn ve 100mL vody v trojhrdlé baňce a pH roztoku bylo upraveno na 2,0. Směs monomerů 2,80g St a 8,40g BA s iniciátorem AIBN (0,168g) byla nalita do roztoku DBSA. Emulze O/W byla připravena magnetickým mícháním po dobu 1 h a následnou sonikací sonikátorem UIP1000hd vybaveným ultrazvukovou sonotrodou (sondou/ sonotrodou) po dobu dalších 30 min. v ledové lázni. Nakonec byla polymerace provedena při 90degC v olejové lázni po dobu 2h pod dusíkovou atmosférou.
Doporučené zařízení:
UIP1000hd
Reference/ výzkumná práce:
Výroba pružných vodivých filmů odvozených od poly(3,4-ethylenedioxythiofen)epoly(styrensulfonové kyseliny) (PEDOT:PSS) na substrátu netkaných textilií. Materiálová chemie a fyzika 143, 2013. 143-148.
Klikněte zde a přečtěte si více o sonosyntéze latexu!

Odstraňování olova (sonoloužení)

Ultrazvuková aplikace:
Ultrazvukové loužení olova z kontaminované půdy:
Experimenty s ultrazvukovým loužením byly prováděny ultrazvukovým homogenizátorem UP400S s titanovou sonotrodou (průměr 14mm) pracující při frekvenci 20kHz. Ultrazvuková sonda (sonotroda) byla kalorimetricky kalibrována s ultrazvukovou intenzitou nastavenou na 51 ± 0,4 W cm^-2 pro všechny experimenty se sonoloužením. Experimenty se sonoloužením byly termostatovány pomocí skleněné cely s plochým dnem a pláštěm při 25 ± 1°C. Jako loužicí roztoky pro půdu (0,1L) byly za sonikace použity tři systémy: 6 mL 0,3 mol L^-2 roztoku kyseliny octové (pH 3,24), 3% (v/v) roztok kyseliny dusičné (pH 0,17) a pufr kyselina octová/octan (pH 4,79) připravený smícháním 60mL 0f 0,3 mol L^-1 kyseliny octové s 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH. Po procesu sonoloužení byly vzorky přefiltrovány přes filtrační papír, aby se výluh oddělil od půdy; následovalo elektrolytické vylučování olova z výluhu a rozklad půdy po aplikaci ultrazvuku.
Ultrazvuk se ukázal jako cenný nástroj pro zvýšení vyluhování olova ze znečištěné půdy. Ultrazvuk je rovněž účinnou metodou pro téměř úplné odstranění vyluhovatelného olova z půdy, což vede k výrazně méně nebezpečné půdě.
Doporučené zařízení:
UP400S se sonotrodou H14
Reference/ výzkumná práce:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Kombinace ultrazvukového louhování a elektrochemického ošetření pro odstranění olova v půdě. Časopis nových materiálů pro elektrochemické systémy 10, 2007. 195-199.

PbS – syntéza nanočástic sulfidu olovnatého

Ultrazvuková aplikace:
Při pokojové teplotě bylo 0,151 g octanu olovnatého (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) a 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) přidáno k 5mL iontové kapaliny, [EMIM] [EtSO₄], a 15mL dvakrát destilované vody v 50mL kádince a vystaveno ultrazvukovému ozařování sonikátorem Hielscher UP200S po dobu 7 min. Hrot ultrazvukové sonotrody S1 byl ponořen přímo do reakčního roztoku. Vzniklá tmavě hnědá suspenze byla odstředěna, aby se oddělila sraženina, a dvakrát promyta redestilovanou vodou, resp. ethanolem, aby se odstranila nezreagovaná činidla. Pro zkoumání vlivu ultrazvuku na vlastnosti produktů byl připraven ještě jeden srovnávací vzorek při zachování konstantních reakčních parametrů s tou výjimkou, že produkt byl připravován za nepřetržitého míchání po dobu 24 h bez pomoci ultrazvukového ozařování.
Pro přípravu nanočástic PbS byla navržena ultrazvukem podporovaná syntéza ve vodné iontové kapalině při pokojové teplotě. Tato ekologicky šetrná zelená metoda probíhající při pokojové teplotě je rychlá a nevyžaduje templát, což pozoruhodně zkracuje dobu syntézy a umožňuje vyhnout se složitým syntetickým postupům. Připravené nanoklastry vykazují obrovský modrý posun 3,86 eV, který lze přičíst velmi malé velikosti částic a efektu kvantového omezení.
Doporučené zařízení:
UP200S
Reference/ výzkumná práce:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Snadná příprava a charakterizace nanočástic PbS při pokojové teplotě ve vodné [EMIM][EtSO4] iontové kapalině za použití ultrazvukového ozařování. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53-56.

Degradace fenolu

Ultrazvuková aplikace:
Rokhina et al. (2013) použili kombinaci kyseliny peroxyoctové (PAA) a heterogenního katalyzátoru (MnO₂) k degradaci fenolu ve vodném roztoku za ultrazvukového ozařování. Ultrazvukové zpracování bylo prováděno 400W sondovým ultrazvukovým přístrojem UP400S, který umožňuje sonikovat buď kontinuálně, nebo v pulzním režimu (tj. 4 s zapnuto a 2 s vypnuto) při pevné frekvenci 24 kHz. Vypočtený celkový příkon, hustota výkonu a intenzita výkonu disipované do systému činily 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, respektive 14,3 W/cm^-2. Po celou dobu experimentů byl používán pevně nastavený výkon. K regulaci teploty uvnitř reaktoru byl použit ponorný cirkulační termostat. Skutečná doba sonikace byla 4 h, ačkoli skutečná reakční doba byla kvůli provozu v pulzním režimu 6 h. V typickém experimentu byl skleněný reaktor naplněn 100mL roztoku fenolu (1,05 mM) a příslušnými dávkami katalyzátoru MnO2 a PAA (2%) v rozmezí 0–2 g L^-1 a 0–150 ppm (v uvedeném pořadí). Všechny reakce byly prováděny při přibližně neutrálním pH, atmosférickém tlaku a pokojové teplotě (22 ± 1 °C).
Ultrazvukovým zpracováním se zvětšil povrch katalyzátoru, což vedlo ke 4násobně větší ploše povrchu bez strukturních změn. Četnosti obratu (TOF) se zvýšily ze 7 x 10^-3 na 12,2 x 10^-3 min^-1, ve srovnání s procesem bez ultrazvuku. Navíc nebylo zjištěno žádné významné vyluhování katalyzátoru. Izotermní oxidace fenolu při relativně nízkých koncentracích činidel prokázala vysokou míru odstranění fenolu (až 89%) za mírných podmínek. Celkově ultrazvuk urychlil oxidační proces během prvních 60 min. (70% odstranění fenolu oproti 40% při zpracování bez ultrazvuku).
Doporučené zařízení:
UP400S
Reference/ výzkumná práce:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultrasound-assisted MnO₂ Katalyzovaná homolýza kyseliny peroctové pro degradaci fenolu: Hodnocení chemie a kinetiky procesu. Časopis chemického inženýrství 221, 2013. 476–486.

Fenol: oxidace fenolu s použitím RuI₃ jako katalyzátoru

Ultrazvuková aplikace:
Heterogenní oxidace fenolu ve vodném prostředí na RuI₃ peroxidem vodíku (H₂O₂): Katalytická oxidace fenolu (100 ppm) na RuI₃ jako katalyzátoru byla studována ve 100 mL skleněném reaktoru vybaveném magnetickým míchadlem a regulátorem teploty. Reakční směs byla míchána rychlostí 800 rpm po dobu 1–6 hodin, aby bylo zajištěno úplné promíchání pro rovnoměrnou distribuci a úplné suspendování částic katalyzátoru. Během sonikace nebyl roztok mechanicky míchán kvůli rušení způsobenému oscilací a kolapsem kavitačních bublin, které samy o sobě zajišťují mimořádně účinné míchání. Ultrazvukové ozařování roztoku bylo prováděno ultrazvukovým měničem UP400S vybaveným ultrazvukovým příslušenstvím (tzv. sondový sonikátor), schopným pracovat buď kontinuálně, nebo v pulzním režimu při pevné frekvenci 24 kHz a maximálním výstupním výkonu 400W.
Pro experiment byl neupravený RuI₃ jako katalyzátor (0,5–2 gL^-1) zaveden ve formě suspenze do reakčního média s následným přídavkem H2O2 (30%, koncentrace v rozmezí 200–1200 ppm).
Rokhina et al. ve své studii zjistili, že ultrazvukové ozařování hrálo významnou roli při modifikaci texturních vlastností katalyzátoru, kdy v důsledku fragmentace částic katalyzátoru vznikla mikroporézní struktura s větším povrchem. Kromě toho mělo podpůrný účinek, neboť bránilo aglomeraci částic katalyzátoru a zlepšovalo dostupnost aktivních center katalyzátoru pro fenol a peroxid vodíku.
Dvojnásobné zvýšení účinnosti procesu podporovaného ultrazvukem ve srovnání s oxidačním procesem bez ultrazvuku bylo přičteno zlepšenému katalytickému chování katalyzátoru a tvorbě oxidujících částic, jako jsou •OH, •HO2 a •I₂ prostřednictvím štěpení vodíkových vazeb a rekombinace radikálů.
Doporučené zařízení:
UP400S
Reference/ výzkumná práce:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ultrazvukem asistovaná heterogenní rutheniem katalyzovaná mokrá peroxidová oxidace fenolu. Aplikovaná katalýza B: Životní prostředí 87, 2009. 162– 170.

Částice Ag/ZnO povlakované PLA

Ultrazvuková aplikace:
Povlakování částic Ag/ZnO pomocí PLA: Mikro- a submikročástice Ag/ZnO povlakované PLA byly připraveny technikou odpařování rozpouštědla z emulze typu olej ve vodě. Tato metoda byla provedena následujícím způsobem. Nejprve bylo 400 mg polymeru rozpuštěno ve 4 ml chloroformu. Výsledná koncentrace polymeru v chloroformu byla 100 mg/ml. Zadruhé byl roztok polymeru emulgován ve vodném roztoku různých systémů povrchově aktivních látek (emulgátor, PVA 8-88) za nepřetržitého míchání homogenizátorem při rychlosti 24 000 rpm. Směs byla míchána 5 min. a během této doby byla vznikající emulze chlazena ledem. Poměr mezi vodným roztokem povrchově aktivní látky a chloroformovým roztokem PLA byl ve všech experimentech stejný (4:1). Následně byla získaná emulze sonikována sondovým ultrazvukovým přístrojem UP400S (400W, 24kHz) po dobu 5 min. při cyklu 0,5 a amplitudě 35%. Nakonec byla připravená emulze převedena do Erlenmeyerovy baňky a míchána a organické rozpouštědlo bylo z emulze odpařeno za sníženého tlaku, což nakonec vede ke vzniku suspenze částic. Po odstranění rozpouštědla byla suspenze třikrát odstředěna, aby se odstranil emulgátor.
Doporučené zařízení:
UP400S
Reference/ výzkumná práce:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Poly (L-Lactic Acid) Coated Microwave Synthesized Hybrid Antibacterial Particles. Nanocon 2011.

Polyanilinový kompozit

Ultrazvuková aplikace:
Příprava samodopovaného nanopolyanilinového (SPAni) kompozitu na vodní bázi (Sc-WB)
Pro přípravu kompozitu SPAni na vodní bázi bylo 0,3 gr SPAni, syntetizovaného polymerací in situ v prostředí ScCO2, zředěno vodou a sonikováno po dobu 2 minut 1000W ultrazvukovým homogenizátorem UIP1000hd. Poté byl suspenzní produkt homogenizován přidáním 125 gr matrice tvrdidla na vodní bázi po dobu 15 min. a závěrečná sonikace byla provedena při okolní teplotě po dobu 5 min.
Doporučené zařízení:
UIP1000hd
Reference/ výzkumná práce:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Ochranný výkon epoxidového povlaku na vodní bázi obsahujícího ScCO2 syntetizovaný samodopovaný nanopolyanilin. 2013.

Polycyklické aromatické uhlovodíky: sonochemická degradace naftalenu, acenaftylenu a fenanthrenu

Ultrazvuková aplikace:
Pro sonochemickou degradaci polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH) naftalenu, acenaftylenu a fenanthrenu ve vodě byly směsi vzorků sonikovány při 20◦C a 50 µg/l každého cílového PAH (celková počáteční koncentrace 150 µg/l). Ultrazvuk byl aplikován sondovým ultrazvukovým přístrojem UP400S (400W, 24kHz), který je schopen pracovat buď v kontinuálním, nebo v pulzním režimu. Sonikátor UP400S byl vybaven titanovou sonotrodou H7 s hrotem o průměru 7 mm. Reakce byly prováděny ve 200 mL válcové skleněné reakční nádobě s titanovou sonotrodou upevněnou na horní části reakční nádoby a utěsněnou pomocí O-kroužků a teflonového ventilu. Reakční nádoba byla umístěna ve vodní lázni pro regulaci procesní teploty. Aby se zabránilo jakýmkoli fotochemickým reakcím, byla nádoba zakryta hliníkovou fólií.
Výsledky analýz ukázaly, že konverze PAH roste s rostoucí dobou sonikace.
U naftalenu se ultrazvukem podporovaná konverze (výkon ultrazvuku nastaven na 150W) zvýšila ze 77,6% dosažených po 30 min. sonikace na 84,4% po 60 min. sonikace.
U acenaftylenu se ultrazvukem podporovaná konverze (výkon ultrazvuku nastaven na 150W) zvýšila ze 77,6% dosažených po 30 min. sonikace s výkonem ultrazvuku 150W na 84,4% po 60 min. sonikace s ultrazvukem 150W zvýšila z 80,7% dosažených po 30 min. sonikace s výkonem ultrazvuku 150W na 96,6% po 60 min. sonikace.
U fenanthrenu se ultrazvukem podporovaná konverze (výkon ultrazvuku nastaven na 150W) zvýšila ze 73,8% dosažených po 30 min. sonikace na 83,0% po 60 min. sonikace.
Pro zvýšení účinnosti degradace lze peroxid vodíku využít efektivněji, pokud se přidají železnaté ionty. Bylo prokázáno, že přídavek železnatých iontů má synergické účinky simulující reakci Fentonova typu.
Doporučené zařízení:
UP400S s H7
Reference/ výzkumná práce:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Degradace polycyklických aromatických uhlovodíků ve vodných roztocích ultrazvukovým ozařováním. Časopis nebezpečných materiálů B108, 2004. 95–102.

Odstranění oxidové vrstvy ze substrátů

Ultrazvuková aplikace:
Pro přípravu substrátu před růstem nanodrátů CuO na substrátech Cu byla nativní oxidová vrstva na povrchu Cu odstraněna sonikací vzorku v 0,7 M kyselině chlorovodíkové po dobu 2 min. přístrojem Hielscher UP200S. Vzorek byl ultrazvukově očištěn v acetonu po dobu 5 min. za účelem odstranění organických nečistot, důkladně opláchnut deionizovanou (DI) vodou a vysušen stlačeným vzduchem.
Doporučené zařízení:
UP200S nebo UP200St
Reference/ výzkumná práce:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modulace vlastností snímání plynu nanodrátů CuO vytvořením diskrétních nanorozměrných p−n přechodů na jejich površích. Aplikované materiály ACS & Rozhraní 4, 2012. 4192−4199.

Voltametrické experimenty

Ultrazvuková aplikace:
Pro voltametrické experimenty podporované ultrazvukem byl použit ultrazvukový přístroj Hielscher UP200S o výkonu 200 wattů vybavený skleněnou sonotrodou (hrot o průměru 13 mm). Ultrazvuk byl aplikován s intenzitou 8 W/cm^–2.
Vzhledem k pomalé rychlosti difuze nanočástic ve vodných roztocích a vysokému počtu redoxních center na nanočástici je přímá voltametrie nanočástic v roztoku ovládána adsorpčními efekty. Aby bylo možné detekovat nanočástice bez akumulace v důsledku adsorpce, je nutné zvolit experimentální přístup s (i) dostatečně vysokou koncentrací nanočástic, (ii) malými elektrodami pro zlepšení poměru signálu k pozadí nebo (iii) velmi rychlým přenosem hmoty.
Proto McKenzie et al. (2012) použili výkonový ultrazvuk k výraznému zvýšení rychlosti přenosu hmoty nanočástic k povrchu elektrody. V jejich experimentálním uspořádání je elektroda přímo vystavena vysoce intenzivnímu ultrazvuku při vzdálenosti elektrody od sonotrody 5 mm a intenzitě sonikace 8 W/cm^–2 vedoucí k agitaci a kavitačnímu čištění. Jako testovací redoxní systém pro kalibraci rychlosti přenosu hmoty dosažené za těchto podmínek byla použita jednoelektronová redukce Ru(NH3)₆³⁺ ve vodném 0,1 M KCl.
Doporučené zařízení:
UP200S nebo UP200St
Reference/ výzkumná práce:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Přímá elektrochemie nanočástic Fe2O3 ve vodném roztoku a adsorbuje na oxid india dopovaný cínem. Čistá aplikovaná chemie, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Sonikátory pro sonochemické reakce od laboratorního po průmyslové měřítko

Hielscher nabízí kompletní řadu ultrazvukových přístrojů od ručního laboratorního homogenizátoru až po plně průmyslové sonikátory pro velkoobjemové toky. Všechny výsledky dosažené v malém měřítku během testování, výzkumu a vývoje a optimalizace ultrazvukového procesu lze >lineárně převést do plné komerční výroby. Sonikátory Hielscher jsou spolehlivé, robustní a konstruované pro provoz 24/7.
Zeptejte se nás, jak váš proces vyhodnotit, optimalizovat a převést do většího měřítka! Rádi vám pomůžeme ve všech fázích – od prvních testů a optimalizace procesu až po instalaci ve vaší průmyslové výrobní lince!