Sonokemi: Anvendelsesnoter

Sonokemi er virkningen af ultralydskavitation på kemiske systemer. På grund af de ekstreme forhold, der opstår i kavitationens “hot spot”, er højintensiv ultralyd en meget effektiv metode til at forbedre reaktionsresultatet (højere udbytte, bedre kvalitet), omsætningen og varigheden af en kemisk reaktion. Visse kemiske ændringer kan kun opnås ved sonikering, såsom belægning af titan eller aluminium med tin i nanostørrelse.

Nedenfor finder du et udvalg af partikler og væsker med tilhørende anbefalinger om, hvordan materialet skal behandles for at formale, dispergere, deagglomerere eller modificere partiklerne ved hjælp af en ultralydshomogenisator.

Nedenfor finder du nogle sonikeringsprotokoller til vellykkede sonokemiske reaktioner!

I alfabetisk rækkefølge:

α-Epoxyketoner – Ringåbningsreaktion

Anvendelse af ultralyd:
Den katalytiske ringåbning af α-epoxyketoner blev udført ved hjælp af en kombination af ultralyd og fotokemiske metoder. 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate (NBTPT) blev anvendt som fotokatalysator. Ved at kombinere sonikering (sonokemi) og fotokemi af disse forbindelser i nærvær af NBTPT blev åbningen af epoxidringen opnået. Det blev påvist, at anvendelsen af ultralyd øgede hastigheden af den fotoinducerede reaktion betydeligt. Ultralyd kan påvirke den fotokatalytiske ringåbning af α-epoxyketoner væsentligt, hovedsageligt på grund af den effektive masseoverførsel af reaktanterne og NBTPT’s exciterede tilstand. Elektronoverførslen mellem de aktive arter i dette homogene system sker også
hurtigere ved sonikering end i systemet uden sonikering. De højere udbytter og kortere reaktionstider er fordele ved denne metode.

Ultralydsassisteret fotokatalytisk ringåbning af α-epoxyketoner (undersøgelse og grafik: ©Memarian et al 2007)

Sonikeringsprotokol:
α-Epoxyketoner 1a-f og 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate 2 blev fremstillet efter de beskrevne procedurer. Methanol blev købt hos Merck og destilleret før brug. Det anvendte ultralydsapparat var et ultralydsapparat UP400S af probetypen fra Hielscher Ultrasonics GmbH. Et ultralydsnedsænkningshorn S3 (også kendt som en probe eller sonotrode), som udsender ultralyd ved 24 kHz med intensitetsniveauer, der kan justeres op til en maksimal akustisk effekttæthed på 460Wcm^-2 , blev anvendt. Sonikering blev udført ved 100% (maksimal amplitude 210μm). Sonotroden S3 (maksimal nedsænkningsdybde på 90mm) blev nedsænket direkte i reaktionsblandingen. UV-bestråling blev udført ved hjælp af en 400W-højtrykskviksølvlampe fra Narva med køling af prøverne i Duran-glas. De ¹H-NMR-spektre af blandingen af fotoprodukter blev målt i opløsninger af CDCl₃ med tetramethylsilan (TMS) som intern standard på et Bruker drx-500 (500 MHz). Præparativ lagkromatografi (PLC) blev udført på plader på 20 × 20cm² belagt med et 1mm-lag Merck-silicagel PF₂₅₄ , fremstillet ved at påføre silicagelen som en opslæmning og tørre den i luft. Alle produkter er kendte, og deres spektraldata er tidligere blevet rapporteret.
Anbefalet apparat:
UP400S med ultralydshorn S3
Reference/videnskabelig artikel:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Fotosonokemisk katalytisk ringåbning af α-epoxyketoner. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Aluminium/nikkel-katalysator: Nanostrukturering af Al/Ni-legering

Anvendelse af ultralyd:
Al/Ni-partikler kan modificeres sonokemisk ved nanostrukturering af den oprindelige Al/Ni-legering. Derved fremstilles en effektiv katalysator til hydrogenering af acetophenon.
Fremstilling af Al/Ni-katalysator med ultralyd:
5g af den kommercielle Al/Ni-legering blev dispergeret i renset vand (50mL) og sonikeret i op til 50 min. med ultralydssonikatoren UIP1000hd af probetypen (1kW, 20kHz), udstyret med ultralydshornet BS2d22 (hovedareal på 3,8 cm²) og boosteren B2-1.8. Den maksimale intensitet blev beregnet til 140 Wcm⁻² ved en mekanisk amplitude på 106μm. For at undgå temperaturstigning under sonikeringen blev forsøget udført i en termostateret celle. Efter sonikeringen blev prøven tørret under vakuum med en varmepistol.
Anbefalet apparat:
UIP1000hd med sonotrode BS2d22 og boosterhorn B2–1,2
Reference/videnskabelig artikel:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonokemisk aktivering af Al/Ni-hydrogeneringskatalysator. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterificering til biodiesel med MgO-katalysator

Anvendelse af ultralyd:
Transesterificeringsreaktionen blev undersøgt under konstant ultralydsblanding med sonikatoren UP200S for forskellige parametre såsom katalysatormængde, molforholdet mellem methanol og olie, reaktionstemperatur og reaktionsvarighed. Batchforsøgene blev udført i en reaktor af hårdt glas (300 ml, 7 cm indvendig diameter) med et låg med to halse og slibforbindelser. Den ene hals var forbundet med titansonotroden S7 (spidsdiameter 7 mm) på ultralydsprocessoren UP200S (200W, 24kHz). Ultralydsamplituden blev indstillet til 50% med 1 cyklus pr. sekund. Reaktionsblandingen blev sonikeret under hele reaktionstiden. Den anden hals på reaktorkammeret var forsynet med en specialtilpasset, vandkølet kondensator af rustfrit stål til tilbagesvaling af den fordampede methanol. Hele apparaturet blev anbragt i et oliebad med konstant temperatur, styret af en proportional-integral-differential-temperaturregulator. Temperaturen kan hæves op til 65°C med en nøjagtighed på ±1°C. Spildolie og 99,9% ren methanol blev anvendt som materialer til transesterificeringen til biodiesel. Røgaflejret MgO i nanostørrelse (magnesiumbånd) blev anvendt som katalysator.
Et fremragende omsætningsresultat blev opnået ved 1,5 wt% katalysator; ved et methanol/olie-molforhold på 5:1 og 55°C blev en omsætning på 98,7% opnået efter 45 min.
Anbefalet apparat:
UP200S med ultralydssonotrode S7
Reference/videnskabelig artikel:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Undersøgelser af sonokemisk biodieselproduktion med røgaflejret nano-MgO-katalysator. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Syntese af cadmium(II)-thioacetamid-nanokompositter

Anvendelse af ultralyd:
Cadmium(II)-thioacetamid-nanokompositter blev syntetiseret ved en sonokemisk metode med og uden polyvinylalkohol. Til den sonokemiske syntese (sonosyntese) blev 0,532 g cadmium(II)acetatdihydrat (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g thioacetamid (TAA, CH3CSNH2) og 0,664 g kaliumiodid (KI) opløst i 20mL dobbeltdestilleret, deioniseret vand. Denne opløsning blev sonikeret med en højtydende ultralydssonikator UP400S af probetypen (24 kHz, 400W) ved stuetemperatur i 1 h. Under sonikeringen af reaktionsblandingen steg temperaturen til 70–80degC, målt med et jern–constantin-termoelement. Efter en time blev der dannet et klart gult bundfald. Det blev isoleret ved centrifugering (4.000 rpm, 15 min), vasket med dobbeltdestilleret vand og derefter med absolut ethanol for at fjerne resterende urenheder og til sidst tørret i luft (udbytte: 0,915 g, 68%). Dekomponeringstemperatur 200°C. Til fremstilling af den polymere nanokomposit blev 1,992 g polyvinylalkohol opløst i 20 mL dobbeltdestilleret, deioniseret vand og derefter tilsat ovenstående opløsning. Denne blanding blev bestrålet med ultralyd ved hjælp af ultralydsproben UP400S i 1 h, hvorved der blev dannet et klart orange produkt.
SEM-resultaterne viste, at partikelstørrelserne i nærvær af PVA faldt fra ca. 38 nm til 25 nm. Derefter syntetiserede vi hexagonale CdS-nanopartikler med sfærisk morfologi ved termisk nedbrydning af den polymere nanokomposit cadmium(II)-thioacetamid/PVA som precursor. Størrelsen af CdS-nanopartiklerne blev målt med både XRD og SEM, og resultaterne stemte meget godt overens.
Ranjbar et al. (2013) fandt også, at den polymere Cd(II)-nanokomposit er en egnet precursor til fremstilling af cadmiumsulfidnanopartikler med interessante morfologier. Alle resultater viste, at ultralydssyntese med succes kan anvendes som en enkel, effektiv, billig, miljøvenlig og meget lovende metode til syntese af materialer i nanoskala uden behov for særlige forhold såsom høj temperatur, lange reaktionstider og højt tryk.
Anbefalet apparat:
UP400S
Reference/videnskabelig artikel:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Syntese og karakterisering af cadmium-thioacetamid-nanokompositter. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – Belagt med stearinsyre ved hjælp af ultralyd

Anvendelse af ultralyd:
Ultralydsbelægning af nanoudfældet CaCO₃ (NPCC) med stearinsyre for at forbedre dets dispergering i polymer og reducere agglomerering. 2g ubelagt, nanoudfældet CaCO₃ (NPCC) er blevet sonikeret med sonikatoren UP400S i 30ml ethanol. 9 wt% stearinsyre er blevet opløst i ethanol. Ethanol med stearinsyre blev derefter blandet med den sonikerede suspension.
Anbefalet apparat:
UP400S med en sonotrode med 22mm diameter (H22D) og en flowcelle med kølekappe
Reference/videnskabelig artikel:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Virkninger af ultralyd ved belægning af nanoudfældet CaCO3 med stearinsyre. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Silan doteret med ceriumnitrat

Anvendelse af ultralyd:
Koldvalsede kulstofstålplader (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; kemisk renset og mekanisk poleret) blev anvendt som metalliske substrater. Før påføring af belægningen blev pladerne renset med ultralyd i acetone og derefter renset med en alkalisk opløsning (0,3mol L1 NaOH-opløsning) ved 60°C i 10 min. Til anvendelse som primer før forbehandling af substratet blev en typisk formulering med 50 dele γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane (γ-GPS) fortyndet med ca. 950 dele methanol ved pH 4,5 (justeret med eddikesyre), og silanen fik lov til at hydrolysere. Fremstillingsproceduren for doteret silan med ceriumnitratpigmenter var den samme, bortset fra at 1, 2, 3 wt% ceriumnitrat blev tilsat methanolopløsningen før tilsætningen af (γ-GPS), hvorefter opløsningen blev blandet med en propelomrører ved 1600 rpm i 30 min. ved stuetemperatur. Derefter blev dispersionerne med ceriumnitrat sonikeret i 30 min ved 40°C med et eksternt kølebad. Sonikeringsprocessen blev udført med ultralydssonikatoren UIP1000hd (1000W, 20 kHz) med en tilført ultralydseffekt på omkring 1 W/mL. Forbehandlingen af substratet blev udført ved at skylle hver plade i 100 sec. med den relevante silanopløsning. Efter behandlingen fik pladerne lov til at tørre ved stuetemperatur i 24 h, hvorefter de forbehandlede plader blev belagt med en tokomponent, aminhærdet epoxy (Epon 828, shell Co.) til en våd filmtykkelse på 90μm. De epoxybelagte plader fik lov til at hærde i 1h ved 115°C; efter hærdningen af epoxybelægningerne var den tørre filmtykkelse ca. 60μm.
Anbefalet apparat:
UIP1000hd
Reference/videnskabelig artikel:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Elektrokemiske virkninger af silanforbehandlinger med ceriumnitrat på egenskaberne ved katodisk delaminering af epoxybelagt stål. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Kobber-aluminium-strukturer: Syntese af porøse Cu-Al-strukturer

Anvendelse af ultralyd:
Porøst kobber–aluminium stabiliseret med metaloxid er en lovende ny alternativ katalysator til dehydrogenering af propan, som er fri for ædle eller farlige metaller. Strukturen af den oxiderede porøse Cu–Al-legering (metalsvamp) ligner metaller af Raney-typen. Højintensiv ultralyd er et værktøj inden for grøn kemi til syntese af porøse kobber–aluminium-strukturer stabiliseret med metaloxid. De er billige (produktionsomkostninger på ca. 3 EUR/liter), og metoden kan nemt opskaleres. Disse nye porøse materialer (eller “metalsvampe”) har en legering i deres indre og en oxideret overflade og kan katalysere dehydrogenering af propan ved lave temperaturer.
Procedure for fremstilling af katalysatoren med ultralyd:
Fem gram af Al–Cu-legeringspulveret blev dispergeret i ultrarent vand (50mL) og sonikeret i 60 min med sonikatoren UIP1000hd af probetypen fra Hielscher (20kHz, maks. udgangseffekt 1000W). Ultralydsapparatet af probetypen var udstyret med en sonotrode BS2d22 (spidsareal 3,8cm²) og boosterhornet B2–1,2. Den maksimale intensitet blev beregnet til 57 W/cm² ved en mekanisk amplitude på 81μm. Under behandlingen blev prøven kølet i et isbad. Efter behandlingen blev prøven tørret ved 120°C i 24 h.
Anbefalet apparat:
UIP1000hd med sonotrode BS2d22 og boosterhorn B2–1,2
Reference/videnskabelig artikel:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Nye og effektive kobber–aluminium-katalysatorer til dehydrogenering af propan. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Nedbrydning af kobberphthalocyanin

Anvendelse af ultralyd:
Affarvning og destruktion af metalphthalocyaniner
Kobberphthalocyanin sonikeres med vand og organiske opløsningsmidler ved omgivelsestemperatur og atmosfærisk tryk i nærvær af en katalytisk mængde oxidationsmiddel ved hjælp af 500W-ultralydssonikatoren UIP500hd med fold-trough-kammer ved et effektniveau på 37–59 W/cm²: 5 mL prøve (100 mg/L), 50 D/D-vand med chloroform og pyridin ved 60% ultralydsamplitude. Reaktionstemperatur: 20°C.
Anbefalet apparat:
UIP500hd

Guld: Morfologisk modificering af guldnanopartikler

Anvendelse af ultralyd:
Guldnanopartikler blev morfologisk modificeret under intens ultralydsbestråling. For at sammensmelte guldnanopartikler til en håndvægtlignende struktur blev en ultralydsbehandling på 20 min. i rent vand og i nærvær af overfladeaktive stoffer fundet tilstrækkelig. Efter 60 min. sonikering får guldnanopartiklerne en ormelignende eller ringlignende struktur i vand. Sammensmeltede nanopartikler med sfæriske eller ovale former blev dannet ved hjælp af ultralyd i nærvær af opløsninger af natriumdodecylsulfat eller dodecylamin.
Protokol for ultralydsbehandlingen:
Til ultralydsmodificeringen blev den kolloide guldopløsning, bestående af forud dannede, citratbeskyttede guldnanopartikler med en gennemsnitlig diameter på 25nm (± 7nm), sonikeret i et lukket reaktorkammer (volumen ca. 50mL). Den kolloide guldopløsning (0,97 mmol·L^-1) blev bestrålet med ultralyd ved høj intensitet (40 W/cm^-2) ved hjælp af en ultralydssonikator UIP1000hdT fra Hielscher (20kHz, 1000W), udstyret med en sonotrode BS2d18 af titanlegering (spidsdiameter 0,7 tommer), som var nedsænket ca. 2 cm under overfladen af den sonikerede opløsning. Det kolloide guld blev gennemgasset med argon (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. før og under sonikeringen ved en strømningshastighed på 200 mL·min^-1 for at fjerne ilten i opløsningen. En portion på 35-mL af hver opløsning med overfladeaktivt stof uden tilsætning af trinatriumcitratdihydrat blev kombineret med 15 mL forud dannet kolloidt guld, med gennemledning af argongasbobler 20 min. før og under ultralydsbehandlingen.
Anbefalet apparat:
UIP1000hd med sonotrode BS2d18 og flowcellereaktor
Reference/videnskabelig artikel:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ultralydsassisteret sammensmeltning af forud dannede guldnanopartikler. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Uorganisk gødning – Udvaskning af Cu, Cd og Pb til analyse

Anvendelse af ultralyd:
Ekstraktion af Cu, Cd og Pb fra uorganisk gødning til analytiske formål:
Til ultralydsekstraktion af kobber, bly og cadmium sonikeres prøver med en blanding af gødning og opløsningsmiddel med et ultralydsapparat såsom sonikatoren VialTweeter til indirekte sonikering. Gødningsprøverne blev sonikeret i nærvær af 2mL 50% (v/v) HNO₃ i glasrør i 3 minutter. Ekstrakterne af Cu, Cd og Pb kan bestemmes ved flammeatomabsorptionsspektrometri (FAAS).
Anbefalet apparat:
VialTweeter
Reference/videnskabelig artikel:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternativ analytisk metode til bestemmelse af metaller i uorganisk gødning baseret på ultralydsassisteret ekstraktion. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Latexsyntese

Anvendelse af ultralyd:
Fremstilling af P(St-BA)-latex
Latexpartikler af poly(styrene-r-butyl acrylate) P(St-BA) blev syntetiseret ved emulsionspolymerisation i nærvær af det overfladeaktive stof DBSA. 1 g DBSA blev først opløst i 100mL vand i en trehalset kolbe, og opløsningens pH-værdi blev justeret til 2,0. Blandede monomerer af 2,80g St og 8,40g BA med initiatoren AIBN (0,168g) blev hældt i DBSA-opløsningen. O/W-emulsionen blev fremstillet ved magnetisk omrøring i 1 h efterfulgt af sonikering med sonikatoren UIP1000hd, udstyret med ultralydshorn (probe/sonotrode), i yderligere 30 min. i isbadet. Til sidst blev polymerisationen udført ved 90degC i et oliebad i 2h under en nitrogenatmosfære.
Anbefalet apparat:
UIP1000hd
Reference/videnskabelig artikel:
Fremstilling af fleksible ledende film ud fra poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) på et substrat af ikkevævet tekstil. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Klik her for at læse mere om sonosyntese af latex!

Fjernelse af bly (sonoudvaskning)

Anvendelse af ultralyd:
Udvaskning af bly fra forurenet jord med ultralyd:
Ultralydsudvaskningsforsøgene blev udført med en ultralydshomogenisator UP400S med en ultralydsprobe af titan (diameter 14mm), som arbejder ved en frekvens på 20kHz. Ultralydsproben (sonotroden) blev kalibreret kalorimetrisk med ultralydsintensiteten indstillet til 51 ± 0,4 W cm^-2 for alle sonoudvaskningsforsøgene. Sonoudvaskningsforsøgene blev termostateret ved hjælp af en glascelle med flad bund og kappe ved 25 ± 1°C. Tre systemer blev anvendt som opløsninger til udvaskning af jord (0,1L) under sonikering: 6 mL af en 0,3 mol L^-2 eddikesyreopløsning (pH 3,24), en 3% (v/v) salpetersyreopløsning (pH 0,17) og en eddikesyre/acetat-buffer (pH 4,79), fremstillet ved at blande 60mL 0f 0,3 mol L^-1 eddikesyre med 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH. Efter sonoudvaskningsprocessen blev prøverne filtreret med filterpapir for at adskille udvaskningsopløsningen fra jorden, efterfulgt af elektroaflejring af bly fra udvaskningsopløsningen og oplukning af jorden efter ultralydsbehandlingen.
Ultralyd har vist sig at være et værdifuldt værktøj til at fremme udvaskning af bly fra forurenet jord. Ultralyd er også en effektiv metode til næsten fuldstændig fjernelse af udvaskeligt bly fra jord, hvilket resulterer i en langt mindre farlig jord.
Anbefalet apparat:
UP400S med sonotrode H14
Reference/videnskabelig artikel:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultralydsudvaskning og elektrokemisk behandling kombineret til fjernelse af bly fra jord. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – Syntese af blysulfidnanopartikler

Anvendelse af ultralyd:
Ved stuetemperatur blev 0,151 g blyacetat (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) og 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) tilsat 5mL af den ioniske væske, [EMIM] [EtSO₄], og 15mL dobbeltdestilleret vand i et 50mL-bægerglas, som blev udsat for ultralydsbestråling med sonikatoren UP200S fra Hielscher i 7 min. Spidsen af ultralydsproben/sonotroden S1 blev nedsænket direkte i reaktionsopløsningen. Den dannede mørkebrune suspension blev centrifugeret for at udskille bundfaldet og vasket to gange med henholdsvis dobbeltdestilleret vand og ethanol for at fjerne de ureagerede reagenser. For at undersøge virkningen af ultralyd på produkternes egenskaber blev endnu en sammenligningsprøve fremstillet med konstante reaktionsparametre, bortset fra at produktet blev fremstillet under kontinuerlig omrøring i 24 h uden ultralydsbestråling.
Ultralydsassisteret syntese i vandig ionisk væske ved stuetemperatur blev foreslået til fremstilling af PbS-nanopartikler. Denne grønne og miljøvenlige metode ved stuetemperatur er hurtig og skabelonfri, hvilket forkorter syntesetiden markant og undgår de komplicerede synteseprocedurer. De således fremstillede nanoklynger viser en enorm blåforskydning på 3,86 eV, som kan tilskrives partiklernes meget lille størrelse og kvanteindeslutningseffekten.
Anbefalet apparat:
UP200S
Reference/videnskabelig artikel:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Enkel fremstilling og karakterisering ved stuetemperatur af PbS-nanopartikler i vandig [EMIM][EtSO4] ionisk væske ved hjælp af ultralydsbestråling. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Nedbrydning af phenol

Anvendelse af ultralyd:
Rokhina et al. (2013) anvendte kombinationen af pereddikesyre (PAA) og en heterogen katalysator (MnO₂) til nedbrydning af phenol i en vandig opløsning under ultralydsbestråling. Sonikering blev udført ved hjælp af en 400W-ultralydssonikator UP400S af probetypen, som kan sonikere enten kontinuerligt eller i pulstilstand (dvs. 4 sek. tændt og 2 sek. slukket) ved en fast frekvens på 24 kHz. Den beregnede samlede tilførte effekt, effekttæthed og effektintensitet, der blev afgivet til systemet, var henholdsvis 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3 og 14,3 W/cm^-2. Den faste effekt blev anvendt under alle forsøgene. En nedsænkningscirkulator blev anvendt til at styre temperaturen inde i reaktoren. Den faktiske sonikeringstid var 4 h, selvom den reelle reaktionstid var 6 h på grund af driften i pulstilstand. I et typisk forsøg blev glasreaktoren fyldt med 100mL phenolopløsning (1,05 mM) og passende doser af katalysatoren MnO2 og PAA (2%) i intervallerne henholdsvis 0–2 g L^-1 og 0–150 ppm. Alle reaktioner blev udført ved omtrent neutral pH, atmosfærisk tryk og stuetemperatur (22 ± 1 °C).
Ved sonikering blev katalysatorens overfladeareal øget, hvilket resulterede i et 4 gange større overfladeareal uden ændringer i strukturelle aspekter. Omsætningsfrekvenserne (TOF) blev øget fra 7 x 10^-3 til 12,2 x 10^-3 min^-1 sammenlignet med processen uden ultralyd. Derudover blev der ikke påvist nogen væsentlig udvaskning af katalysatoren. Den isotermiske oxidation af phenol ved relativt lave reagenskoncentrationer viste høje fjernelsesgrader for phenol (op til 89%) under milde forhold. Generelt fremskyndede ultralyd oxidationsprocessen i de første 60 min. (70% fjernelse af phenol mod 40% under behandlingen uden ultralyd).
Anbefalet apparat:
UP400S
Reference/videnskabelig artikel:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultralydsassisteret homolyse af pereddikesyre katalyseret af MnO₂ til nedbrydning af phenol: Vurdering af proceskemi og kinetik. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Phenol: Oxidation af phenol med RuI₃ som katalysator

Anvendelse af ultralyd:
Heterogen oxidation af phenol i vandig opløsning over RuI₃ med hydrogenperoxid (H₂O₂): Den katalytiske oxidation af phenol (100 ppm) over RuI₃ som katalysator blev undersøgt i en 100 mL-glasreaktor udstyret med en magnetomrører og en temperaturregulator. Reaktionsblandingen blev omrørt ved en hastighed på 800 rpm i 1–6 timer for at sikre fuldstændig blanding med ensartet fordeling og fuld suspension af katalysatorpartiklerne. Der blev ikke udført mekanisk omrøring af opløsningen under sonikeringen på grund af bevægelsen forårsaget af kavitationsboblernes svingninger og kollaps, som i sig selv giver en ekstremt effektiv blanding. Ultralydsbestråling af opløsningen blev udført med en ultralydstransducer UP400S med ultralydsudstyr (en såkaldt sonikator af probetypen), som kan arbejde enten kontinuerligt eller i pulstilstand ved en fast frekvens på 24 kHz og en maksimal udgangseffekt på 400W.
Til forsøget blev ubehandlet RuI₃ som katalysator (0,5–2 gL^-1) tilført reaktionsmediet som en suspension, efterfulgt af tilsætning af H2O2 (30%, koncentration i intervallet 200–1200 ppm).
Rokhina et al. fandt i deres undersøgelse, at ultralydsbestråling spillede en fremtrædende rolle i modificeringen af katalysatorens teksturelle egenskaber ved at skabe den mikroporøse struktur med større overfladeareal som følge af fragmentering af katalysatorpartiklerne. Desuden havde den en fremmende virkning ved at forhindre agglomerering af katalysatorpartiklerne og forbedre adgangen for phenol og hydrogenperoxid til katalysatorens aktive steder.
Fordoblingen af proceseffektiviteten ved ultralydsassisteret behandling sammenlignet med oxidationsprocessen uden ultralyd blev tilskrevet katalysatorens forbedrede katalytiske virkemåde og dannelsen af oxiderende arter såsom •OH, •HO2 og •I₂ via spaltning af hydrogenbindinger og rekombination af radikaler.
Anbefalet apparat:
UP400S
Reference/videnskabelig artikel:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ultralydsassisteret heterogen rutheniumkatalyseret våd peroxidoxidation af phenol. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

PLA-belagte Ag/ZnO-partikler

Anvendelse af ultralyd:
PLA-belægning af Ag/ZnO-partikler: Mikro- og submikropartikler af Ag/ZnO belagt med PLA blev fremstillet ved olie-i-vand-emulsionsmetoden med fordampning af opløsningsmidlet. Denne metode blev udført på følgende måde. Først blev 400 mg polymer opløst i 4 ml chloroform. Den resulterende koncentration af polymer i chloroform var 100 mg/ml. Derefter blev polymeropløsningen emulgeret i en vandig opløsning af forskellige systemer af overfladeaktive stoffer (emulgeringsmiddel, PVA 8-88) under kontinuerlig omrøring med en homogenisator ved en omrøringshastighed på 24.000 rpm. Blandingen blev omrørt i 5 min., og i denne periode blev den emulsion, der blev dannet, kølet med is. Forholdet mellem den vandige opløsning af overfladeaktivt stof og chloroformopløsningen af PLA var identisk i alle forsøg (4:1). Derefter blev den opnåede emulsion sonikeret med et ultralydsapparat UP400S af probetypen (400W, 24kHz) i 5 min. ved en cyklusindstilling på 0,5 og en amplitude på 35%. Til sidst blev den fremstillede emulsion overført til Erlenmeyerkolben og omrørt, og det organiske opløsningsmiddel blev fordampet fra emulsionen under reduceret tryk, hvilket til sidst fører til dannelse af en partikelsuspension. Efter fjernelse af opløsningsmidlet blev suspensionen centrifugeret tre gange for at fjerne emulgeringsmidlet.
Anbefalet apparat:
UP400S
Reference/videnskabelig artikel:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Mikrobølgesyntetiserede hybride antibakterielle partikler belagt med poly(L-mælkesyre). Nanocon 2011.

Polyanilinkomposit

Anvendelse af ultralyd:
Fremstilling af en vandbaseret komposit af selvdoteret nanopolyanilin (SPAni) (Sc-WB)
Til fremstilling af den vandbaserede SPAni-komposit blev 0,3 gr SPAni, syntetiseret ved in situ-polymerisation i et ScCO2-medium, fortyndet med vand og sonikeret i 2 minutter med en 1000W-ultralydshomogenisator UIP1000hd. Derefter blev suspensionsproduktet homogeniseret i 15 min. ved tilsætning af 125 gr vandbaseret hærdermatrix, og den afsluttende sonikering blev udført ved omgivelsestemperatur i 5 min.
Anbefalet apparat:
UIP1000hd
Reference/videnskabelig artikel:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Beskyttelsesevne af vandbaseret epoxybelægning med selvdoteret nanopolyanilin syntetiseret i ScCO2. 2013.

Polycykliske aromatiske kulbrinter: Sonokemisk nedbrydning af naphthalen, acenaphthylen og phenanthren

Anvendelse af ultralyd:
Til sonokemisk nedbrydning af de polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH’er) naphthalen, acenaphthylen og phenanthren i vand blev prøveblandinger sonikeret ved 20◦C og 50 µg/l af hver mål-PAH (150 µg/l samlet startkoncentration). Sonikering blev udført med en ultralydssonikator UP400S af horntypen (400W, 24kHz), som kan arbejde enten kontinuerligt eller i pulstilstand. Sonikatoren UP400S var udstyret med en titanprobe H7 med en spidsdiameter på 7 mm. Reaktionerne blev udført i et cylindrisk reaktionskar af glas på 200 mL med titanhornet monteret øverst på reaktionskarret og forseglet med O-ringe og en Teflon-ventil. Reaktionskarret blev anbragt i et vandbad for at styre procestemperaturen. For at undgå fotokemiske reaktioner blev karret dækket med aluminiumsfolie.
Analyseresultaterne viste, at omsætningen af PAH’er stiger med stigende sonikeringsvarighed.
For naphthalen steg den ultralydsassisterede omsætning (ultralydseffekt indstillet til 150W) fra 77,6%, opnået efter 30 min. sonikering, til 84,4% efter 60 min. sonikering.
For acenaphthylen steg den ultralydsassisterede omsætning (ultralydseffekt indstillet til 150W) fra 77,6%, opnået efter 30 min. sonikering med 150W ultralydseffekt, til 84,4% efter 60 min. sonikering med 150W ultralyd, steg fra 80,7%, opnået efter 30 min. sonikering med 150W ultralydseffekt, til 96,6% efter 60 min. sonikering.
For phenanthren steg den ultralydsassisterede omsætning (ultralydseffekt indstillet til 150W) fra 73,8%, opnået efter 30 min. sonikering, til 83,0% efter 60 min. sonikering.
For at forbedre nedbrydningseffektiviteten kan hydrogenperoxid udnyttes mere effektivt, når jern(II)-ioner tilsættes. Tilsætning af jern(II)-ioner har vist sig at have synergistiske virkninger, der simulerer en Fenton-lignende reaktion.
Anbefalet apparat:
UP400S med H7
Reference/videnskabelig artikel:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Nedbrydning af polycykliske aromatiske kulbrinter i vandige opløsninger ved ultralydsbestråling. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Fjernelse af oxidlag fra substrater

Anvendelse af ultralyd:
For at klargøre substratet før vækst af CuO-nanotråde på Cu-substrater blev det naturlige oxidlag på Cu-overfladen fjernet ved at sonikere prøven i 0,7 M saltsyre i 2 min. med en Hielscher UP200S. Prøven blev renset med ultralyd i acetone i 5 min. for at fjerne organiske forureninger, skyllet grundigt med deioniseret (DI) vand og tørret med trykluft.
Anbefalet apparat:
UP200S eller UP200St
Reference/videnskabelig artikel:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modificering af CuO-nanotrådes gasdetektionsegenskaber ved dannelse af diskrete p−n-overgange i nanostørrelse på deres overflader. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Voltammetriforsøg

Anvendelse af ultralyd:
Til ultralydsforstærkede voltammetriforsøg blev en ultralydssonikator UP200S fra Hielscher på 200 watt, udstyret med et glashorn (spidsdiameter 13-mm), anvendt. Ultralyd blev anvendt ved en intensitet på 8 W/cm^–2.
På grund af nanopartiklers langsomme diffusionshastighed i vandige opløsninger og det store antal redoxcentre pr. nanopartikel domineres direkte voltammetri af nanopartikler i opløsningsfasen af adsorptionseffekter. For at detektere nanopartikler uden akkumulering som følge af adsorption skal der vælges en forsøgsmetode med (i) en tilstrækkeligt høj koncentration af nanopartikler, (ii) små elektroder for at forbedre signal/baggrund-forholdet eller (iii) meget hurtig massetransport.
Derfor anvendte McKenzie et al. (2012) højintensiv ultralyd til drastisk at øge hastigheden af nanopartiklernes massetransport mod elektrodeoverfladen. I deres forsøgsopstilling udsættes elektroden direkte for højintensiv ultralyd med en afstand på 5 mm mellem elektroden og hornet og en sonikeringsintensitet på 8 W/cm^–2 , hvilket resulterer i bevægelse og rengøring ved kavitation. Et redoxsystem til test, enelektronreduktionen af Ru(NH3)₆³⁺ i vandig 0,1 M KCl, blev anvendt til at kalibrere den massetransporthastighed, der blev opnået under disse forhold.
Anbefalet apparat:
UP200S eller UP200St
Reference/videnskabelig artikel:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Direkte elektrokemi af nanopartikulært Fe2O3 i vandig opløsning og adsorberet på tindoteret indiumoxid. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Sonikatorer til sonokemiske reaktioner fra laboratorie- til industriel skala

Hielscher tilbyder hele udvalget af ultralydssonikatorer fra den håndholdte laboratoriehomogenisator op til fuldt industrielle sonikatorer til strømme med store volumener. Alle resultater opnået i lille skala under forsøg, forskning og udvikling samt optimering af en ultralydsproces kan >opskaleres lineært til fuld kommerciel produktion. Sonikatorer fra Hielscher er pålidelige, robuste og bygget til drift 24/7.
Spørg os om, hvordan du evaluerer, optimerer og opskalerer din proces! Vi hjælper dig gerne i alle faser – fra de første forsøg og procesoptimering til installation i din industrielle produktionslinje!