ultralyd med høj effekt

Høj effekt, lavfrekvente ultralyd giver stort potentiale for kemiske processer. Når intense ultralydbølger indføres i et flydende medium, skifter vekslende højtryks- og lavtrykscykler med hastigheder afhængigt af frekvensen. Højtrykscykler betyder kompression, mens lavfrekvenscykluser betyder nedsættelse af mediet. Under lavtrykscyklussen (high-pressure) skaber ultralyd med høj effekt små vakuumbobler i væsken. Disse vakuumbobler vokser over flere cyklusser.
I overensstemmelse hermed er ultralydintensiteten komprimeret og strækker væsken i varierende grad. Det betyder det kavitation bobler kan opføre sig på to måder. Ved lave ultralydsintensiteter på ~ 1-3Wcm^-2, cavitation bobler oscillere om nogle ligevægt størrelse for mange akustiske cyklusser. Dette fænomen betegnes som stabil kavitation. Ved høje ultralydintensiteter (≤10Wcm^-2) kavitationsboblerne dannes inden for nogle få akustiske cyklusser til en radius på mindst to gange deres indledende størrelse og sammenbrud ved et kompressionspunkt, når boblen ikke kan absorbere mere energi. Dette betegnes transient eller inertial kavitation. Under boble implosion opstår der lokalt såkaldte hot spots, som har ekstreme forhold: Under implosionen nås lokalt meget høje temperaturer (ca. 5.000K) og tryk (ca. 2.000atm). Implanteringen af ​​kavitationsboblen resulterer også i flydende stråler med en hastighed på op til 280m / s, som virker som meget høje forskydningskræfter. [Suslick 1998 / Santos et al. 2009]

Mesoporøs TiO₂ via ultrasonisk sol-gel-syntese

Mesoporøs TiO₂ Widley bruges som fotokatalysator såvel som i elektronik, sensorteknologi og miljøreparation. Til optimerede materialer egenskaber, er det rettet mod at producere TiO₂ med høj krystallinitet og stort overfladeareal. Den ultralydassisterede sol-gel-rute har den fordel, at de indre og ekstrinsiske egenskaber af TiO₂, såsom partikelstørrelsen, overfladeareal, porevolumen, porediameter, krystallinitet såvel som anatase, rutil og brookitfaseforhold kan påvirkes ved at styre parametrene.
Milani et al. (2011) har vist syntesen af ​​TiO₂ anatase nanopartikler. Derfor blev sol-gel-processen påført på TiCl₄ forløber og begge veje, med og uden ultralyd, er blevet sammenlignet. Resultaterne viser, at ultralydbestråling har en monotont virkning på alle bestanddele af opløsningen fremstillet ved sol-gel-metoden og forårsager brydning af løse forbindelser af store nanometriske kolloider i opløsning. Således er der skabt mindre nanopartikler. De lokalt forekommende høje tryk og temperaturer bryder sammenbindingerne i lange polymerkæder såvel som de svage led, der binder mindre partikler, hvormed større kolloide masser dannes. Sammenligningen af ​​begge TiO₂ Prøver i nærvær og i fravær af ultralydbestråling er vist i SEM-billederne nedenfor (se billede 2).

Bil. 2: SEM-billeder af TiO2-pwder, calcineret ved 400 ° C i 1 time og gelatineringstid på 24 timer: (a) i nærvær af og (b) i fravær af ultralyd. [Milani et al. 2011]

Endvidere kan kemiske reaktioner udnytte sonokemiske virkninger, som f.eks. Brud på kemiske bindinger, signifikant forbedring af kemisk reaktivitet eller molekylær nedbrydning.

SONO-gels

I Sono-katalytisk assisterede sol-gel-reaktioner, anvendes ultralyd til forstadierne. De resulterende materialer med nye egenskaber er kendt som sonogeler. På grund af fraværet af yderligere opløsningsmiddel i kombination med ultralydet kavitation, skabes et unikt miljø for sol-gel-reaktioner, hvilket muliggør dannelsen af ​​særlige træk i de resulterende geler: høj densitet, fin tekstur, homogen struktur mv. Disse egenskaber bestemmer sonogels udvikling på yderligere behandling og den endelige materialestruktur . [Blanco et al. 1999]
Suslick og Price (1999) viser, at ultralydbestråling af Si (OC₂H₅)₄ i vand med en syrekatalysator frembringer en silica "sonogel". Ved konventionel fremstilling af silica geler fra Si (OC₂H₅)₄, ethanol er et almindeligt anvendt co-opløsningsmiddel på grund af ikke-opløseligheden af ​​Si (OC₂H₅)₄ i vand. Anvendelsen af ​​sådanne opløsningsmidler er ofte problematisk, da de kan forårsage revnedannelse under tørretrinnet. Ultralydbehandling giver en meget effektiv blanding, således at flygtige co-opløsningsmidler som ethanol kan undgås. Dette resulterer i en silicagelgel, der er kendetegnet ved en højere densitet end konventionelt fremstillede geler. [Suslick et al. 1999, 319f.]
Konventionelle aerogeler består af en lavdensitetsmatrix med store tomme porer. Sonogelene har derimod en finere porøsitet, og porerne er ret kugleformede, med en glat overflade. Hældninger større end 4 i højvinkelregionen afslører vigtige elektroniske densitetsudsving på porematrix grænserne [Rosa-Fox et al. 1990].
Billederne af overfladen af ​​pulverprøverne viser tydeligt, at anvendelse af ultralydbølger resulterede i større homogenitet i partikelernes gennemsnitlige størrelse og resulterede i mindre partikler. På grund af lydbehandling reduceres den gennemsnitlige partikelstørrelse med ca. 3 nm. [Milani et al. 2011]
De positive virkninger af ultralyd er bevist i forskellige forskningsundersøgelser. F.eks. Rapporter Neppolian et al. i deres arbejde betydningen og fordelene ved ultralydning i modifikationen og forbedringen af ​​de fotokatalytiske egenskaber af mesoporøse nano-størrelse Ti02-partikler. [Neppolian et al. 2008]

Nanokoering via ultralyd sol-gel reaktion

Nanokoering betyder dækning af materiale med et nanoskalet lag eller dækningen af ​​en nanostørret enhed. Dermed opnås indkapslede eller kerne-skalstrukturer. Sådanne nano kompositter har fysiske og kemiske højtydende egenskaber på grund af kombinerede specifikke egenskaber og / eller strukturelle effekter af komponenterne.
Eksempelvis vil belægningsproceduren for indiumtinoxid (ITO) partikler påvises. ITO-partikler er overtrukket med silica i en to-trins proces, som vist i en undersøgelse af Chen (2009). I det første kemiske trin gennemgår indiumtinoxidpulveret en aminosilan-overfladebehandling. Det andet trin er silica-belægningen under ultralydbehandling. For at give et specifikt eksempel på sonikering og dens virkninger, er processteget, der præsenteres i Chens undersøgelse, opsummeret nedenfor:
En typisk fremgangsmåde til dette trin er som følger: 10g GPTS blandedes langsomt med 20 g vand forsuret med saltsyre (HCI) (pH = 1,5). 4 g førnævnte aminosilan behandlede pulver blev derefter tilsat til blandingen, anbragt i en 100 ml glasflaske. Flasken blev derefter placeret under proben af ​​sonikatoren til kontinuerlig ultralyd bestråling med en udgangseffekt på 60 W eller derover.
Sol-gel-reaktion blev initieret efter ca. 2-3 min ultralydbestråling, hvorpå hvidt skum blev dannet på grund af frigivelsen af ​​alkohol ved omfattende hydrolyse af GLYMO (3- (2,3-epoxypropoxy) propyltrimethoxysilan). Sonikation blev påført i 20 minutter, hvorefter opløsningen blev omrørt i adskillige flere timer. Når processen var færdig, blev partikler samlet ved centrifugering og blev vasket gentagne gange med vand og derefter enten tørret til karakterisering eller holdt dispergeret i vand eller organiske opløsningsmidler. [Chen 2009, s.217]