Sonochemie: Aplikační poznámky

Sonochemie je vliv ultrazvukové kavitace na chemické systémy. Vzhledem k extrémním podmínkám, které se vyskytují v kavitačním “žhavé místo”, výkonový ultrazvuk je velmi účinná metoda pro zlepšení výsledku reakce (vyšší výtěžek, lepší kvalita), přeměny a trvání chemické reakce. Některé chemické změny lze dosáhnout pouze při sonikaci, jako je nano-pocínovaný povlak titanu nebo hliníku.

Níže naleznete výběr částic a kapalin se souvisejícími doporučeními, jak zacházet s materiálem, aby bylo možné částice mlet, dispergovat, deaglomerovat nebo upravovat pomocí ultrazvukového homogenizátoru.

Níže naleznete některé protokoly sonikace pro úspěšné sonochemické reakce!

V abecedním pořadí:

α-epoxyketony – Reakce na otevření prstence

Ultrazvuková aplikace:
Katalytické otevření kruhu α-epoxyketonů bylo provedeno pomocí kombinace ultrazvukových a fotochemických metod. Jako fotokatalyzátor byl použit 1-benzyl-2,4,6-trifenylpyridinium tetrafluoroborát (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 vážně ovlivnit fotokatalytické otevření kruhu α-epoxyketonů, a to především kvůli účinnému přenosu hmoty reaktantů a excitovanému stavu NBTPT. Také dochází k přenosu elektronů mezi aktivními druhy v tomto homogenním systému pomocí sonikace
rychlejší než systém bez sonikace. Výhodou této metody jsou vyšší výtěžky a kratší reakční doby.

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

Protokol ultrazvuku:
α-epoxyketony 1a-f a 1-benzyl-2,4,6-trifenylpyridinium tetrafluoroborát 2 byly připraveny podle uvedených postupů. Metanol byl zakoupen od společnosti Merck a před použitím destilován. Použité ultrazvukové zařízení bylo ultrazvukové sondové zařízení UP400S od společnosti Hielscher Ultrasonics GmbH. Ultrazvukový imerzní roh S3 (známý také jako sonda nebo sonotroda) vydávající ultrazvuk 24 kHz na úrovních intenzity laditelné až do maximální hustoty zvukového výkonu 460 Wcm^-2 byl použit. Sonikace byla provedena na 100% (maximální amplituda 210 μm). Sonotroda S3 (maximální hloubka ponoření 90 mm) byla ponořena přímo do reakční směsi. UV ozařování bylo provedeno pomocí 400W vysokotlaké rtuťové výbojky od firmy Narva s chlazením vzorků ve skle Duran. Ten ¹H NMR spektra směsi fotoproduktů byla měřena v CDCl₃ roztoky obsahující tetramethylsilan (TMS) jako vnitřní standard na přístroji Bruker drx-500 (500 MHz). Preparativní vrstvová chromatografie (PLC) byla provedena na 20 × 20 cm² desky potažené 1mm vrstvou silikagelu PFK od společnosti Merck₂₅₄ Připravuje se nanesením oxidu křemičitého jako suspenze a sušením na vzduchu. Všechny produkty jsou známy a jejich spektrální data byla zveřejněna dříve.
Doporučení zařízení:
UP400S s ultrazvukovou houkačkou S3
Referenční / 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 mohou být sonochemicky modifikovány nanostrukturováním výchozí slitiny Al/Ni. Therbey, účinný katalyzátor pro hydrogenaci acetofenonu.
Ultrazvuková příprava Al/Ni katalyzátoru:
5 g komerční slitiny Al / Ni bylo dispergováno v čištěné vodě (50 ml) a sonikováno až 50 min. s ultrazvukovou sondou typu sonikátoru UIP1000hd (1kW, 20kHz) vybaveného ultrazvukovým rohem BS2d22 (plocha hlavy 3,8 cm²) a booster B2-1.8. Maximální intenzita byla vypočítána na 140 Wcm⁻² při mechanické amplitudě 106 μm. Aby se zabránilo zvýšení teploty během sonikace, byl experiment proveden v termostatické cele. Po sonikaci byl vzorek vysušen ve vakuu horkovzdušnou pistolí.
Doporučení zařízení:
UIP1000hd řekl: se sonotrodou BS2d22 a posilovacím rohem B2–1.2
Referenční / 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 pomocí MgO katalyzátoru

Ultrazvuková aplikace:
Transesterifikační reakce byla studována za neustálého ultrazvukového míchání se sonikátorem UP200S pro různé parametry, jako je množství katalyzátoru, molární poměr methanolu a oleje, teplota reakce a doba trvání reakce. Vsadové experimenty byly prováděny v reaktoru z tvrdého skla (300 ml, vnitřní průměr 7 cm) s dvouhrdlovým broušeným víkem. Jeden krk byl spojen 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 reakční dobu. Druhé hrdlo komory reaktoru bylo vybaveno upraveným vodou chlazeným kondenzátorem z nerezové oceli pro zpětný tok odpařeného metanolu. Celá aparatura byla umístěna v olejové lázni s konstantní teplotou, která byla řízena proporcionálním integrálním derivačním regulátorem teploty. Teplotu lze zvýšit až na 65 °C s přesností ±1 °C. Jako materiál pro transesterifikaci bionafty byl použit odpadní olej, 99,9% čistý metanol. Jako katalyzátor byl použit kouřem usazený nano-sized MgO (hořčíková páska).
Vynikající výsledek konverze byl získán při 1,5 hm% katalyzátoru; Molární poměr metanolového oleje 5:1 při 55 °C, konverze 98,7 % bylo dosaženo po 45 minutách.
Doporučení zařízení:
UP200S s ultrazvukovou sonotrodou S7
Referenční / výzkumná práce:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Studie sonochemické výroby bionafty pomocí kouřově deponovaného nano MgO katalyzátoru. Bulletin chemického reakčního inženýrství & Katalýza 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Nanokompozitní syntéza kadmia a thioacetamidu

Ultrazvuková aplikace:
Nanokompozity kadmia a thioacetamidu byly syntetizovány v přítomnosti a 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 20 ml dvakrát destilované deionizované vody. Toto řešení bylo sonikováno vysoce výkonným ultrazvukovým zařízením typu sondy UP400S (24 kHz, 400 W) při pokojové teplotě po dobu 1 hodiny. Během sonikace reakční směsi se teplota zvýšila na 70-80 ° C, měřeno termočlánkem železo-konstantin. Po jedné hodině se vytvořila jasně žlutá sraženina. Byla izolována odstředěním (4 000 ot./min., 15 min), promyta dvakrát destilovanou vodou a poté absolutním ethanolem, aby se odstranily zbytkové nečistoty, a nakonec vysušena na vzduchu (výtěžek: 0,915 g, 68 %). Prosinec str.200°C. Pro přípravu polymerního nanokompozitu se 1,992 g polyvinylalkoholu rozpustilo ve 20 ml dvakrát destilované deionizované vody a poté se přidalo do výše uvedeného roztoku. Tato směs byla ozářena ultrazvukem ultrazvukovou sondou UP400S po dobu 1 hodiny, když se vytvořil jasně oranžový produkt.
Výsledky SEM ukázaly, že v přítomnosti PVA se velikost částic zmenšila z přibližně 38 nm na 25 nm. Poté jsme syntetizovali hexagonální nanočástice CdS se sférickou morfologií z termického rozkladu polymerního nanokompozitu, prekurzor kadmia(II)-thioacetamidu/PVA. Velikost nanočástic CdS byla měřena jak pomocí XRD, tak SEM a výsledky byly ve velmi dobré vzájemné shodě.
Ranjbar et al. (2013) také zjistili, že polymerní nanokompozit Cd(II) je vhodným prekurzorem pro přípravu nanočástic sulfidu kademnatého se zajímavou morfologií. Všechny výsledky ukázaly, že ultrazvuková syntéza může být úspěšně použita jako jednoduchá, účinná, nízkonákladová, ekologická a velmi slibná metoda pro syntézu materiálů v nanoměřítku bez potřeby speciálních podmínek, jako je vysoká teplota, dlouhé reakční doby a vysoký tlak.
Doporučení zařízení:
UP400S
Referenční / 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 – Ultrazvukem potažené kyselinou stearovou

Ultrazvuková aplikace:
Ultrazvukový povlak nano-vysráženého CaCO₃ (NPCC) s kyselinou stearovou pro zlepšení její disperze v polymeru a pro snížení aglomerace. 2 g nepotaženého nano-vysráženého CaCO₃ (NPCC) byl sonikován sonikátorem UP400S v 30 ml ethanolu. 9 hm% kyseliny stearové bylo rozpuštěno v ethanolu. Ethanol s kyselinou stearovou byl poté smíchán se sonififikovanou suspenzí.
Doporučení zařízení:
UP400S se sonotrodou o průměru 22 mm (H22D) a průtočnou kyvetou s chladicím pláštěm
Referenční / 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 ceričitým

Ultrazvuková aplikace:
Jako kovové podklady byly použity za studena válcované desky z uhlíkové oceli (6,5 cm, 6,5 cm, 0,3 cm; chemicky čištěné a mechanicky leštěné). Před aplikací nátěru byly panely ultrazvukem očištěny acetonem a poté vyčištěny alkalickým roztokem (0,3 mol roztoku L1 NaOH) při teplotě 60 °C po dobu 10 minut. Pro použití jako základní nátěr byla před předúpravou substrátu zředěna typická formulace obsahující 50 dílů γ-glycidoxypropyltrimethoxysilanu (γ-GPS) přibližně 950 díly methanolu v pH 4,5 (upraveném kyselinou octovou) a umožnila hydrolýzu silanu. Postup přípravy dopovaného silanu s pigmenty dusičnanu ceru byl stejný, s tím rozdílem, že před přidáním (γ-GPS) bylo do roztoku methanolu přidáno 1, 2, 3 hm% dusičnanu ceričitého, poté byl tento roztok smíchán s vrtulovým míchadlem při 1600 otáčkách za minutu po dobu 30 min. při pokojové teplotě. Poté byly disperze obsahující dusičnan ceričitý sonikovány po dobu 30 minut při 40 ° C s externí chladicí lázní. Proces ultrazvuku byl proveden s ultrasonicator UIP1000hd (1000W, 20 kHz) se vstupním ultrazvukovým výkonem kolem 1 W / ml. Předúprava podkladu byla provedena oplachováním každého panelu po dobu 100 sekund vhodným roztokem silanu. Po ošetření se panely nechaly schnout při pokojové teplotě po dobu 24 hodin, poté byly předupravené panely potaženy dvousložkovým epoxidem vytvrzovaným aminem. (Epon 828, shell Co.) pro vytvoření tloušťky mokrého filmu 90 μm. Panely s epoxidovým povlakem se po vytvrzení epoxidových povlaků nechaly vytvrzovat po dobu 1 hodiny při 115 °C; Tloušťka suchého filmu byla asi 60 μm.
Doporučení zařízení:
UIP1000hd řekl:
Referenční / 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.

Měděno-hliníkové konstrukce: Syntéza porézních Cu-Al konstrukcí

Ultrazvuková aplikace:
Porézní měď-hliník stabilizovaný oxidy kovů je slibným novým alternativním katalyzátorem pro dehydrogenaci propanu, který neobsahuje ušlechtilé nebo nebezpečné kovy. Struktura oxidované porézní slitiny Cu–Al (kovová houba) je podobná kovům Raneyova typu. Vysoce výkonný ultrazvuk je zelený chemický nástroj pro syntézu porézních měděno-hliníkových struktur stabilizovaných oxidem kovu. Jsou levné (výrobní náklady cca 3 EUR/litr) a metodu lze snadno škálovat. Tyto nové porézní materiály (neboli "kovové houby") mají objem slitiny a oxidovaný povrch a mohou katalyzovat dehydrogenaci propanu při nízkých teplotách.
Postup přípravy ultrazvukového katalyzátoru:
Pět gramů prášku slitiny Al - Cu bylo dispergováno v ultračisté vodě (50 ml) a sonikováno po dobu 60 minut pomocí sonikátoru typu sondy Hielscher UIP1000hd (20kHz, max. výstupní výkon 1000W). Zařízení typu ultrazvukové sondy bylo vybaveno sonotrodou BS2d22 (plocha špičky 3,8 cm²) a přídavný klakson B2–1.2. Maximální intenzita byla vypočtena na 57 W/cm² při mechanické amplitudě 81 μm. Během zpracování byl vzorek chlazen v ledové lázni. Po ošetření byl vzorek sušen při teplotě 120 °C po dobu 24 hodin.
Doporučení zařízení:
UIP1000hd řekl: se sonotrodou BS2d22 a posilovacím rohem B2–1.2
Referenční / 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:
Odbarvování a ničení metaloftalocyaninů
Fathlocyanin mědi je sonikován vodou a organickými rozpouštědly při okolní teplotě a atmosférickém tlaku v přítomnosti katalytického množství oxidačního činidla pomocí 500W ultrasonicator UIP500hd se skládací žlabovou komorou na úrovni výkonu 37–59 W / cm²: 5 ml vzorku (100 mg/l), 50 D/D vody s choloformem a pyridinem při 60% ultrazvukové amplitudy. Reakční teplota: 20°C.
Doporučení zařízení:
UIP500hd řekl:

Zlato: Morfologická modifikace nanočástic zlata

Ultrazvuková aplikace:
Nanočástice zlata byly morfologicky modifikovány intenzivním ultrazvukovým ozařováním. Pro fúzi nanočástic zlata do struktury podobné čince bylo zjištěno, že ultrazvukové ošetření v délce 20 min. v čisté vodě a za přítomnosti povrchově aktivních látek je dostatečné. Po 60 minutách sonikace získají nanočástice zlata ve vodě červovitou nebo prstencovitou strukturu. Fúzované nanočástice sférického nebo oválného tvaru byly ultrazvukem vytvořeny v přítomnosti roztoků dodecylsulfátu sodného nebo dodecylaminu.
Protokol ultrazvukového ošetření:
Pro ultrazvukovou modifikaci byl roztok koloidního zlata, skládající se z předem vytvořených nanočástic zlata chráněných citrátem o průměrném průměru 25 nm (± 7 nm), sonikován v uzavřené komoře reaktoru (objem přibližně 50 ml). Roztok koloidního zlata (0,97 mmol· L^-1) byl ozářen ultrazvukem o vysoké intenzitě (40 W/cm)^-2) pomocí Hielscher UIP1000hdT ultrasonicator (20kHz, 1000W) vybavený sonotrodou z titanové slitiny BS2d18 (průměr hrotu 0,7 palce), který byl ponořen asi 2 cm pod povrch sonikovaného roztoku. Koloidní zlato bylo zplynováno argonem (O₂ < 2 ppmv, vzduchová kapalina) 20 min. před a během sonikace rychlostí 200 ml · min^-1 k odstranění kyslíku v roztoku. Podíl 35 ml každého roztoku povrchově aktivní látky bez přídavku dihydrátu citrátu sodného byl přidán 15 ml předtvarovaného koloidního zlata, probublávajícího argonovým plynem 20 min. před a během ultrazvukového ošetření.
Doporučení zařízení:
UIP1000hd řekl: se sonotrodou BS2d18 a reaktorem s průtočnými články
Referenční / 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.

Anorganické hnojivo – Vyluhování 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 jsou vzorky obsahující směs hnojiva a rozpouštědla sonikovány ultrazvukovým zařízením, jako je sonikátor VialTweeter pro nepřímou sonikaci. Vzorky hnojiv byly sonikovány v přítomnosti 2 ml 50% (v/v) HNO₃ ve skleněných zkumavkách po dobu 3 minut. Extrakty Cu, Cd a Pb lze stanovit plamenovou atomovou absorpční spektrometrií (FAAS).
Doporučení zařízení:
VialTweeter
Referenční / 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 P(St-BA) latexu
Poly(styren-r-butylakrylátové) P(St-BA) latexové částice byly syntetizovány emulzní polymerací v přítomnosti povrchově aktivní látky DBSA. 1 g DBSA byl nejprve rozpuštěn ve 100 ml vody v baňce se třemi hrdly a hodnota pH roztoku byla upravena na 2,0. Do roztoku DBSA byly nality směsné monomery 2,80 g St a 8,40 g BA s iniciátorem AIBN (0,168 g). Emulze O / W byla připravena magnetickým mícháním po dobu 1 hodiny, po které následovala sonikace pomocí sonikátoru UIP1000hd vybaveného ultrazvukovým rohem (sonda / sonotroda) po dobu dalších 30 min. v ledové lázni. Nakonec byla polymerace provedena při 90 °C v olejové lázni po dobu 2 hodin v atmosféře dusíku.
Doporučení zařízení:
UIP1000hd řekl:
Referenční / 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!

Odstranění olova (Sono-Leaching)

Ultrazvuková aplikace:
Ultrazvukové loužení olova z kontaminované půdy:
Experimenty s ultrazvukovým loužením byly prováděny ultrazvukovým homogenizátorem UP400S s titanovou sonickou sondou (průměr 14mm), která pracuje na frekvenci 20kHz. Ultrazvuková sonda (sonotroda) byla kalorimetricky kalibrována s ultrazvukovou intenzitou nastavenou na 51 ± 0,4 W cm^-2 pro všechny experimenty s loužením sono. Experimenty s sono-loužením byly termostatovány pomocí skleněné cely s plochým dnem a pláštěm při teplotě 25 ± 1 °C. Jako roztoky pro vyluhování půdy (0,1 l) pod sonikací byly použity tři systémy: 6 ml 0,3 mol l^-2 roztoku kyseliny octové (pH 3,24), 3% (v/v) roztoku kyseliny dusičné (pH 0,17) a pufru kyseliny octové/octanu (pH 4,79) připraveného smícháním 60 ml 0f 0,3 mol l^-1 kyselina octová o objemu 19 ml 0,5 mol l^-1 NaOH. Po procesu sono-loužení byly vzorky filtrovány filtračním papírem, aby se oddělil roztok průsakové vody od půdy, následovala elektrodepozice olova z roztoku průsakové vody a trávení půdy po aplikaci ultrazvuku.
Bylo prokázáno, že ultrazvuk je cenným nástrojem při zvyšování výluhu olova ze znečištěné půdy. Ultrazvuk je také účinnou metodou pro téměř úplné odstranění vyluhovatelného olova z půdy, což vede k mnohem méně nebezpečné půdě.
Doporučení zařízení:
UP400S se sonotrodou H14
Referenční / 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 0,151 g octanu olovnatého (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) a 0,03 g TAA (CH₃ČSNH₂) byly přidány do 5 ml iontové kapaliny, [EMIM] [EtSO₄] a 15 ml dvakrát destilované vody v kádince o objemu 50 ml uložené ultrazvukovému ozáření pomocí sonikátoru Hielscher UP200S po dobu 7 minut. Hrot ultrazvukové sondy/sonotrody S1 byl ponořen přímo do reakčního roztoku. Vytvořená tmavě hnědá suspenze byla odstředěna, aby se odstranila sraženina, a dvakrát se promyla dvakrát destilovanou vodou a ethanolem, aby se odstranila nezreagovaná činidla. Aby se prozkoumal vliv ultrazvuku na vlastnosti produktů, byl připraven ještě jeden srovnávací vzorek, který udržoval konstantní reakční parametry s tím rozdílem, že produkt se připravoval za kontinuálního míchání po dobu 24 hodin bez pomoci ultrazvukového ozařování.
Pro přípravu nanočástic PbS byla navržena ultrazvukem asistovaná syntéza ve vodné iontové kapalině při pokojové teplotě. Tato ekologická metoda při pokojové teplotě a šetrná k životnímu prostředí je rychlá a bez šablon, což výrazně zkracuje dobu syntézy a vyhýbá se složitým syntetickým postupům. Připravené nanoklastry vykazují obrovský modrý posun 3,86 eV, který lze připsat velmi malé velikosti částic a efektu kvantového udržení.
Doporučení zařízení:
UP200S
Referenční / 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 pomocí ultrazvukového ozařování. Bulletin Korejské chemické společnosti 29/ 1, 2008. 53-56.

Degradace fenolu

Ultrazvuková aplikace:
Rokhina et al. (2013) použili kombinaci kyseliny peroctové (PAA) a heterogenního katalyzátoru (MnO₂) pro degradaci fenolu ve vodném roztoku při ultrazvukovém ozařování. Ultrazvuku bylo provedeno pomocí 400W ultrazvukového přístroje typu sondy UP400S, který je schopen sonikovat buď nepřetržitě, nebo v pulzním režimu (tj. 4 sekundy zapnuto a 2 sekundy vypnuto) při pevné frekvenci 24 kHz. Vypočtený celkový příkon, hustota výkonu a intenzita výkonu rozptýleného do systému byly 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3a 14,3 W/cm^-2v pořadí. Stálý výkon byl používán po celou dobu experimentů. K regulaci teploty uvnitř reaktoru byla použita ponorná cirkulační jednotka. Skutečná doba sonikace byla 4 hodiny, i když skutečná reakční doba byla 6 hodin kvůli provozu v pulzním režimu. V typickém experimentu byl skleněný reaktor naplněn 100 ml roztoku fenolu (1,05 mM) a odpovídajícími dávkami katalyzátoru MnO2 a PAA (2 %), které se pohybovaly v rozmezí 0–2 g L^-1 a 0–150 ppm. Všechny reakce probíhaly při cirkum-neutrálním pH, atmosférickém tlaku a pokojové teplotě (22 ± 1 °C).
Ultrazvukutím se zvětšila povrchová plocha katalyzátoru, což mělo za následek 4krát větší povrchovou plochu bez změny struktury. Frekvence obratu (TOF) byla zvýšena ze 7 x 10^-3 až 12,2 x 10^-3 Min^-1ve srovnání s tichým procesem. Kromě toho nebylo zjištěno žádné významné vyluhování katalyzátoru. Izotermická oxidace fenolu při relativně nízkých koncentracích činidel prokázala vysokou rychlost odstranění fenolu (až 89 %) za mírných podmínek. Obecně platí, že ultrazvuk urychlil oxidační proces během prvních 60 minut (70 % odstranění fenolu vs. 40 % během tichého ošetření).
Doporučení zařízení:
UP400S
Referenční / výzkumná práce:
Rokhina, E. V.; Makarová, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultrazvukem asistovaná MnO₂ Katalyzovaná homolýza kyseliny peroctové pro degradaci fenolu: Hodnocení chemie a kinetiky procesu. Časopis chemického inženýrství 221, 2013. 476–486.

Fenol: Oxidace fenolu pomocí RuI₃ jako katalyzátor

Ultrazvuková aplikace:
Heterogenní vodná oxidace fenolu nad RuI₃ s peroxidem vodíku (H₂O₂): Katalytická oxidace fenolu (100 ppm) nad RuI₃ jako katalyzátor byl studován ve skleněném reaktoru o objemu 100 ml vybaveném magnetickým míchadlem a regulátorem teploty. Reakční směs byla míchána rychlostí 800 ot./min po dobu 1–6 hodin, aby bylo zajištěno úplné promíchání pro rovnoměrné rozložení a plnou suspenzi částic katalyzátoru. Během sonikace nebylo provedeno žádné mechanické míchání roztoku v důsledku rušení způsobeného oscilací a kolapsem kavitačních bublin, což zajišťuje extrémně účinné míchání. Ultrazvukové ozařování roztoku bylo provedeno ultrazvukovým snímačem UP400S vybaveným ultrazvukem (tzv. Sonikátor typu sondy), který je schopen pracovat buď nepřetržitě, nebo v pulzním režimu při pevné frekvenci 24 kHz a maximálním výstupním výkonu 400 W.
Pro experiment neošetřené RuI₃ jako katalyzátor (0,5–2 gL^-1) byla zavedena jako suspenze do reakčního média s následným přídavkem H2O2 (30 %, koncentrace v rozmezí 200–1200 ppm).
Rokhina a kol. ve své studii zjistili, že ultrazvukové ozařování hrálo významnou roli při modifikaci texturních vlastností katalyzátoru, což vedlo k vytvoření mikroporézní struktury s vyšším povrchem v důsledku fragmentace částic katalyzátoru. Kromě toho měl propagační účinek, který zabránil aglomeraci částic katalyzátoru a zlepšil dostupnost fenolu a peroxidu vodíku k aktivním místům katalyzátoru.
Dvojnásobné zvýšení účinnosti ultrazvukem asistovaného procesu ve srovnání s tichým oxidačním procesem bylo přičítáno zlepšenému katalytickému chování katalyzátoru a tvorbě oxidačních látek, jako jsou •OH, •HO2 a •I₂ prostřednictvím štěpení vodíkových vazeb a rekombinace radikálů.
Doporučení zařízení:
UP400S
Referenční / 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 potažené PLA

Ultrazvuková aplikace:
PLA povlak částic Ag/ZnO: Mikro- a submikročástice Ag/ZnO potažené PLA byly připraveny technikou odpařování rozpouštědla emulzí 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. Za druhé, polymerní roztok byl emulgován ve vodném roztoku různých povrchově aktivních systémů (emulgační činidlo, PVA 8-88) za kontinuálního míchání s homogenizátorem při rychlosti míchání 24 000 ot./min. Směs se míchala po dobu 5 minut a během této doby byla tvořící emulze chlazena ledem. Poměr mezi vodným roztokem povrchově aktivní látky a roztokem chloroformu PLA byl ve všech experimentech stejný (4:1). Následně byla získaná emulze ultrazvukově sonikována ultrazvukovým zařízením typu sondy UP400S (400W, 24kHz) po dobu 5 min. v cyklu 0,5 a amplitudě 35%. Nakonec se připravená emulze přenesla do Erlenmeyerovy baňky, promíchala se a organické rozpouštědlo se z emulze za sníženého tlaku odpařilo, což nakonec vede k vytvoření suspenze částic. Po odstranění rozpouštědla byla suspenze třikrát odstředěna, aby se odstranil emulgátor.
Doporučení zařízení:
UP400S
Referenční / výzkumná práce:
Kucharczyk, P.; Sedlařík, V.; Stloukal, P.; Bažant, P.; Koutný, M.; Gregorová, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Poly (kyselina L-mléčná) mikrovlnně syntetizované hybridní antibakteriální částice. Nanocon 2011.

Polyanilinový kompozit

Ultrazvuková aplikace:
Příprava samodopovaného nano polyanilinového (SPAni) kompozitu na vodní bázi (Sc-WB)
Pro přípravu kompozitu SPAni na vodní bázi byl 0,3 g SPAni, syntetizovaný pomocí polymerace in-situ v médiu ScCO2, zředěn vodou a sonikován po dobu 2 minut 1000W ultrazvukovým homogenizátorem UIP1000hd. Poté byl produkt suspenze homogenizován přidáním 125 g matrice tvrdidla na vodní bázi po dobu 15 min. a konečná sonikace byla provedena při teplotě okolí po dobu 5 minut.
Doporučení zařízení:
UIP1000hd řekl:
Referenční / 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 (PAU) naftalenu, acenaftylenu a fenanthrenu ve vodě byly směsi vzorků sonikovány při teplotě 20 ° C a 50 μg/l každého cílového PAH (150 μg/l celkové počáteční koncentrace). Ultrazvuku byl aplikován ultrazvukovým přístrojem typu UP400S (400 W, 24 kHz), který je schopen pracovat buď v nepřetržitém nebo pulzním režimu. Sonikator UP400S byl vybaven titanovou sondou H7 s hrotem o průměru 7 mm. Reakce probíhaly ve válcové skleněné reakční nádobě o objemu 200 ml s titanovým rohem namontovaným na horní straně reakční nádoby a utěsněným pomocí O-kroužků a teflonového ventilu. Reakční nádoba byla umístěna do vodní lázně za účelem řízení procesní teploty. Aby se zabránilo fotochemickým reakcím, byla nádoba zakryta hliníkovou fólií.
Výsledky analýzy ukázaly, že přeměna PAU se zvyšuje s prodlužující se dobou sonikace.
U naftalenu se ultrazvukem asistovaná konverze (ultrazvukový výkon nastavený na 150 W) zvýšila ze 77,6% dosaženo po 30 min. sonikace na 84,4% po 60 min. sonikace.
U acenaftylenu se ultrazvukem asistovaná konverze (ultrazvukový výkon nastavený na 150 W) zvýšila ze 77,6% dosaženo po 30 min. sonikace s 150W ultrazvukovým výkonem na 84,4% po 60 min. sonikace s 150W ultrazvukem se zvýšila z 80,7% dosaženo po 30 min. sonikace s 150W ultrazvukovým výkonem na 96,6% po 60 min. sonikace.
U fenanthrenu se ultrazvukem asistovaná konverze (ultrazvukový výkon nastavený na 150 W) zvýšila ze 73,8% dosaženo po 30 min. sonikace na 83,0% po 60 min. sonikace.
Pro zvýšení účinnosti degradace může být peroxid vodíku využit účinněji, když se přidají železné ionty. Ukázalo se, že přídavek železnatých iontů má synergické účinky simulující reakci podobnou Fentonovi.
Doporučení zařízení:
UP400S s H7
Referenční / 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 z podkladů

Ultrazvuková aplikace:
Pro přípravu substrátu před pěstováním nanodrátů CuO na substrátech Cu byla vnitřní vrstva oxidu na povrchu Cu odstraněna ultrazvukem vzorku v 0,7 M kyselině chlorovodíkové po dobu 2 min. s Hielscher UP200S. Vzorek byl ultrazvukem čištěn v acetonu po dobu 5 minut, aby se odstranily organické nečistoty, důkladně opláchnut deionizovanou (DI) vodou a vysušen ve stlačeném vzduchu.
Doporučení zařízení:
UP200S nebo UP200St
Referenční / 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 experimenty s ultrazvukovou voltametrií byl použit Hielscher 200 wattů ultrasonicator UP200S vybavený skleněným rohem (hrot o průměru 13 mm). Ultrazvuk byl aplikován s intenzitou 8 W/cm^–2.
Vzhledem k pomalé rychlosti difúze nanočástic ve vodných roztocích a vysokému počtu redoxních center na nanočástici dominují přímé voltametrii nanočástic ve fázi roztoku adsorpční efekty. Aby bylo možné detekovat nanočástice bez akumulace v důsledku adsorpce, je třeba zvolit experimentální přístup s (i) dostatečně vysokou koncentrací nanočástic, (ii) malými elektrodami pro zlepšení poměru signálu k pozadí nebo (iii) velmi rychlým transportem hmoty.
McKenzie et al. (2012) proto použili výkonový ultrazvuk k drastickému zlepšení rychlosti transportu nanočástic směrem k povrchu elektrody. V experimentálním uspořádání je elektroda přímo vystavena ultrazvuku o vysoké intenzitě se vzdáleností elektrody od rohu 5 mm a 8 W/cm^–2 intenzita sonikace, což má za následek neklid a kavitační čištění. Testovací redoxní systém, jednoelektronová redukce Ru(NH3)₆³⁺ ve vodném 0,1 M KCl, byl použit ke kalibraci rychlosti transportu hmoty dosažené za těchto podmínek.
Doporučení zařízení:
UP200S nebo UP200St
Referenční / 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 z laboratorního do průmyslového měřítka

Hielscher nabízí celou řadu ultrasonikátorů od ručního laboratorního homogenizátoru až po plné průmyslové sonikátory pro velkoobjemové proudy. Všechny výsledky dosažené v malém měřítku během testování, R&D and optimization of an ultrasonic process, can be >linearly scaled up to full commercial production. Hielscher sonikátory jsou spolehlivé, robustní a postavené pro provoz 24/7.
Zeptejte se nás, jak vyhodnotit, optimalizovat a škálovat váš proces! Jsme rádi, že vám můžeme být nápomocni ve všech fázích – Od prvních testů a optimalizace procesů až po instalaci do vaší průmyslové výrobní linky!