Sonochemie: Anwendungshinweise

Sonochemie bezeichnet die Wirkung von Ultraschallkavitation auf chemische Systeme. Aufgrund der extremen Bedingungen im kavitationsbedingten „Hotspot“ ist Leistungsultraschall eine sehr wirksame Methode, um das Reaktionsergebnis (höhere Ausbeute, bessere Qualität) und den Umsatz zu verbessern sowie die Dauer einer chemischen Reaktion zu verkürzen. Einige chemische Veränderungen lassen sich ausschließlich durch Beschallung erzielen, beispielsweise die Beschichtung von Titan oder Aluminium mit nanoskaligem Zinn.

Nachfolgend finden Sie eine Auswahl an Partikeln und Flüssigkeiten mit entsprechenden Empfehlungen zur Materialbehandlung, um die Partikel mithilfe eines Ultraschallhomogenisators zu mahlen, zu dispergieren, zu deagglomerieren oder zu modifizieren.

Nachfolgend finden Sie Beschallungsprotokolle für erfolgreiche sonochemische Reaktionen!

In alphabetischer Reihenfolge:

α-Epoxyketone – Ringöffnungsreaktion

Ultraschallanwendung:
Die katalytische Ringöffnung von α-Epoxyketonen wurde durch eine Kombination von Ultraschall und photochemischen Methoden durchgeführt. Als Photokatalysator wurde 1-Benzyl-2,4,6-triphenylpyridiniumtetrafluoroborat (NBTPT) eingesetzt. Durch die Kombination von Beschallung (Sonochemie) und Photochemie dieser Verbindungen in Gegenwart von NBTPT wurde die Öffnung des Epoxidrings erreicht. Es wurde gezeigt, dass der Einsatz von Ultraschall die Geschwindigkeit der photoinduzierten Reaktion deutlich erhöhte. Ultraschall kann die photokatalytische Ringöffnung von α-Epoxyketonen erheblich beeinflussen, vor allem aufgrund des effizienten Stofftransports der Reaktanten und des angeregten Zustands von NBTPT. Auch der Elektronentransfer zwischen den aktiven Spezies in diesem homogenen System erfolgt unter Beschallung schneller als im System ohne Beschallung. Höhere Ausbeuten und kürzere Reaktionszeiten sind Vorteile dieser Methode.

Ultraschallunterstützte photokatalytische Ringöffnung von α-Epoxyketonen (Studie und Grafik: ©Memarian et al. 2007)

Beschallungsprotokoll:
Die α-Epoxyketone 1a-f und 1-Benzyl-2,4,6-triphenylpyridiniumtetrafluoroborat 2 wurden nach den beschriebenen Verfahren hergestellt. Methanol wurde von Merck bezogen und vor der Verwendung destilliert. Als Ultraschallgerät wurde ein sonotrodenbasiertes UP400S von Hielscher Ultrasonics GmbH verwendet. Eine Ultraschall-Tauchsonotrode S3 (auch als Ultraschallsonde bezeichnet), die Ultraschall mit 24 kHz bei einstellbaren Intensitäten bis zu einer maximalen Schallleistungsdichte von 460Wcm^-2 abgibt, wurde eingesetzt. Die Beschallung erfolgte bei 100% (maximale Amplitude 210μm). Die Sonotrode S3 (maximale Eintauchtiefe 90mm) wurde direkt in das Reaktionsgemisch eingetaucht. Die UV-Bestrahlung erfolgte mit einer 400W-Quecksilberhochdrucklampe von Narva, wobei die Proben in Duran-Glas gekühlt wurden. Die ¹H-NMR-Spektren des Gemischs der Photoprodukte wurden in CDCl₃-Lösungen mit Tetramethylsilan (TMS) als internem Standard an einem Bruker drx-500 (500 MHz) gemessen. Die präparative Schichtchromatographie (PLC) wurde auf 20 × 20cm² großen Platten durchgeführt, die mit einer 1mm dicken Schicht aus Merck-Kieselgel PF₂₅₄ beschichtet waren. Diese wurde durch Auftragen des Kieselgels als Suspension und anschließendes Trocknen an der Luft hergestellt. Alle Produkte sind bekannt, und ihre Spektraldaten wurden bereits früher veröffentlicht.
Geräteempfehlung:
UP400S mit Sonotrode S3
Literatur / Forschungsarbeit:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Photosonochemical catalytic ring opening of α-epoxyketones. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Aluminium/Nickel-Katalysator: Nanostrukturierung einer Al/Ni-Legierung

Ultraschallanwendung:
Al/Ni-Partikel lassen sich durch Nanostrukturierung der ursprünglichen Al/Ni-Legierung sonochemisch modifizieren. Dabei entsteht ein wirksamer Katalysator für die Hydrierung von Acetophenon.
Ultraschallgestützte Herstellung des Al/Ni-Katalysators:
5g der handelsüblichen Al/Ni-Legierung wurden in gereinigtem Wasser (50mL) dispergiert und bis zu 50 min mit dem sonotrodenbasierten Ultraschallgerät UIP1000hd (1kW, 20kHz) beschallt. Es war mit der Sonotrode BS2d22 (Stirnfläche von 3,8 cm²) und dem Booster B2-1.8 ausgestattet. Die maximale Intensität wurde zu 140 Wcm⁻² bei einer mechanischen Amplitude von 106μm berechnet. Um einen Temperaturanstieg während der Beschallung zu vermeiden, wurde der Versuch in einer thermostatisierten Zelle durchgeführt. Nach der Beschallung wurde die Probe unter Vakuum mit einer Heißluftpistole getrocknet.
Geräteempfehlung:
UIP1000hd mit Sonotrode BS2d22 und Boosterhorn B2–1,2
Literatur / Forschungsarbeit:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonochemical Activation of Al/Ni Hydrogenation Catalyst. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Umesterung zur Biodieselherstellung mit MgO-Katalysator

Ultraschallanwendung:
Die Umesterungsreaktion wurde unter kontinuierlicher Ultraschallmischung mit dem Ultraschallgerät UP200S hinsichtlich verschiedener Parameter wie Katalysatormenge, Molverhältnis von Methanol zu Öl, Reaktionstemperatur und Reaktionsdauer untersucht. Die Chargenversuche wurden in einem Hartglasreaktor (300 ml, 7 cm Innendurchmesser) mit einem Zweihals-Schliffdeckel durchgeführt. Ein Hals war mit der Titansonotrode S7 (Spitzendurchmesser 7 mm) des Ultraschallprozessors UP200S (200W, 24kHz) verbunden. Die Ultraschallamplitude wurde auf 50% bei 1 Zyklus pro Sekunde eingestellt. Das Reaktionsgemisch wurde während der gesamten Reaktionszeit beschallt. Der andere Hals der Reaktorkammer war mit einem maßgefertigten, wassergekühlten Edelstahlkondensator ausgestattet, um das verdampfte Methanol unter Rückfluss zurückzuführen. Die gesamte Apparatur wurde in ein Ölbad mit konstanter Temperatur gestellt, das durch einen Proportional-Integral-Differential-Temperaturregler geregelt wurde. Die Temperatur kann mit einer Genauigkeit von ±1°C auf bis zu 65°C erhöht werden. Als Ausgangsstoffe für die Umesterung zu Biodiesel wurden Altöl und Methanol mit einer Reinheit von 99,9% verwendet. Als Katalysator diente durch Rauchabscheidung gewonnenes nanoskaliges MgO (Magnesiumband).
Ein hervorragender Umsatz wurde bei 1,5 wt% Katalysator erzielt; bei einem Methanol-Öl-Molverhältnis von 5:1 und 55°C wurde nach 45 min ein Umsatz von 98,7% erreicht.
Geräteempfehlung:
UP200S mit Ultraschallsonotrode S7
Literatur / Forschungsarbeit:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Studies on Sono-Chemical Biodiesel Production Using Smoke Deposited Nano MgO Catalyst. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89–96.

Synthese von Cadmium(II)-Thioacetamid-Nanokompositen

Ultraschallanwendung:
Cadmium(II)-Thioacetamid-Nanokomposite wurden in Gegenwart und Abwesenheit von Polyvinylalkohol auf sonochemischem Weg synthetisiert. Für die sonochemische Synthese (Sonosynthese) wurden 0,532 g Cadmium(II)-acetat-Dihydrat (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g Thioacetamid (TAA, CH3CSNH2) und 0,664 g Kaliumiodid (KI) in 20mL zweifach destilliertem, deionisiertem Wasser gelöst. Diese Lösung wurde mit dem leistungsstarken sonotrodenbasierten Ultraschallgerät UP400S (24 kHz, 400W) bei Raumtemperatur für 1 h beschallt. Während der Beschallung des Reaktionsgemischs stieg die Temperatur auf 70–80degC, gemessen mit einem Eisen–Constantin-Thermoelement. Nach einer Stunde bildete sich ein leuchtend gelber Niederschlag. Dieser wurde durch Zentrifugation (4.000 rpm, 15 min) abgetrennt, zur Entfernung verbleibender Verunreinigungen mit zweifach destilliertem Wasser und anschließend mit absolutem Ethanol gewaschen und schließlich an der Luft getrocknet (Ausbeute: 0,915 g, 68%). Zersetzungspunkt: 200°C. Zur Herstellung des polymeren Nanokomposits wurden 1,992 g Polyvinylalkohol in 20 mL zweifach destilliertem, deionisiertem Wasser gelöst und anschließend zur oben genannten Lösung gegeben. Dieses Gemisch wurde mit dem sonotrodenbasierten Ultraschallgerät UP400S für 1 h beschallt, wobei ein leuchtend orangefarbenes Produkt entstand.
Die SEM-Ergebnisse zeigten, dass die Partikelgrößen in Gegenwart von PVA von etwa 38 nm auf 25 nm abnahmen. Anschließend synthetisierten wir hexagonale CdS-Nanopartikel mit kugelförmiger Morphologie durch thermische Zersetzung des polymeren Nanokomposits Cadmium(II)-Thioacetamid/PVA als Vorläufer. Die Größe der CdS-Nanopartikel wurde sowohl mittels XRD als auch mittels SEM bestimmt; die Ergebnisse stimmten sehr gut überein.
Ranjbar et al. (2013) stellten außerdem fest, dass das polymere Cd(II)-Nanokomposit ein geeigneter Vorläufer für die Herstellung von Cadmiumsulfid-Nanopartikeln mit interessanten Morphologien ist. Alle Ergebnisse zeigten, dass die Ultraschallsynthese erfolgreich als einfache, effiziente, kostengünstige, umweltfreundliche und sehr vielversprechende Methode zur Synthese nanoskaliger Materialien eingesetzt werden kann, ohne besondere Bedingungen wie hohe Temperaturen, lange Reaktionszeiten oder hohen Druck zu erfordern.
Geräteempfehlung:
UP400S
Literatur / Forschungsarbeit:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Synthesis and Characterization of Cadmium-Thioacetamide Nanocomposites. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – Ultraschallgestützte Beschichtung mit Stearinsäure

Ultraschallanwendung:
Nanoskalig gefälltes CaCO₃ (NPCC) wurde ultraschallgestützt mit Stearinsäure beschichtet, um seine Dispergierung im Polymer zu verbessern und die Agglomeration zu verringern. 2g unbeschichtetes, nanoskalig gefälltes CaCO₃ (NPCC) wurden mit dem Ultraschallgerät UP400S in 30ml Ethanol beschallt. 9 wt% Stearinsäure wurden in Ethanol gelöst. Das Ethanol mit Stearinsäure wurde anschließend mit der beschallten Suspension vermischt.
Geräteempfehlung:
UP400S mit Sonotrode H22D (22mm Durchmesser) und Durchflusszelle mit Kühlmantel
Literatur / Forschungsarbeit:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Effects of ultrasound in coating nano-precipitated CaCO3 with stearic acid. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Mit Cernitrat dotiertes Silan

Ultraschallanwendung:
Als metallische Substrate wurden kaltgewalzte Kohlenstoffstahlplatten (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; chemisch gereinigt und mechanisch poliert) verwendet. Vor dem Auftragen der Beschichtung wurden die Platten mit Aceton ultraschallgereinigt und anschließend mit einer alkalischen Lösung (0,3mol L1 NaOH-Lösung) bei 60°C für 10 min gereinigt. Zur Verwendung als Grundierung wurde vor der Substratvorbehandlung eine typische Formulierung mit 50 Teilen γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan (γ-GPS) mit etwa 950 Teilen Methanol bei pH 4,5 (mit Essigsäure eingestellt) verdünnt und zur Hydrolyse des Silans stehen gelassen. Die Herstellung des mit Cernitratpigmenten dotierten Silans erfolgte auf die gleiche Weise, mit der Ausnahme, dass vor der Zugabe von γ-GPS 1, 2 bzw. 3 wt% Cernitrat zur Methanollösung gegeben wurden. Anschließend wurde diese Lösung mit einem Propellerrührer bei 1600 rpm für 30 min bei Raumtemperatur gemischt. Danach wurden die cernitrathaltigen Dispersionen für 30 min bei 40°C mit einem externen Kühlbad beschallt. Die Ultraschallbehandlung erfolgte mit dem Ultraschallgerät UIP1000hd (1000W, 20 kHz) bei einer eingetragenen Ultraschallleistung von etwa 1 W/mL. Zur Substratvorbehandlung wurde jede Platte für 100 sec. mit der jeweiligen Silanlösung gespült. Nach der Behandlung wurden die Platten für 24 h bei Raumtemperatur getrocknet. Anschließend wurden die vorbehandelten Platten mit einem aminhärtenden Zweikomponenten-Epoxidharz (Epon 828, shell Co.) beschichtet, sodass eine Nassschichtdicke von 90μm entstand. Die epoxidbeschichteten Platten wurden für 1h bei 115°C ausgehärtet; nach dem Aushärten der Epoxidbeschichtungen betrug die Trockenschichtdicke etwa 60μm.
Geräteempfehlung:
UIP1000hd
Literatur / Forschungsarbeit:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Electrochemical effects of silane pretreatments containing cerium nitrate on cathodic disbonding properties of epoxy coated steel. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Kupfer-Aluminium-Gerüststrukturen: Synthese poröser Cu-Al-Gerüststrukturen

Ultraschallanwendung:
Durch Metalloxid stabilisiertes poröses Kupfer–Aluminium ist ein vielversprechender neuer alternativer Katalysator für die Propandehydrierung, der frei von Edelmetallen oder gefährlichen Metallen ist. Die Struktur der oxidierten porösen Cu–Al-Legierung (Metallschwamm) ähnelt der von Raney-Metallen. Hochleistungsultraschall ist ein Werkzeug der grünen Chemie zur Synthese poröser, durch Metalloxid stabilisierter Kupfer-Aluminium-Gerüststrukturen. Diese sind kostengünstig (Herstellungskosten von ca. 3 EUR/Liter), und das Verfahren lässt sich leicht auf einen größeren Maßstab übertragen. Diese neuen porösen Materialien (oder „Metallschwämme“) bestehen im Inneren aus einer Legierung und besitzen eine oxidierte Oberfläche. Sie können die Propandehydrierung bei niedrigen Temperaturen katalysieren.
Verfahren zur ultraschallgestützten Katalysatorherstellung:
Fünf Gramm Al–Cu-Legierungspulver wurden in Reinstwasser (50mL) dispergiert und für 60 min mit dem sonotrodenbasierten Ultraschallgerät UIP1000hd von Hielscher (20kHz, maximale Ausgangsleistung 1000W) beschallt. Das Ultraschallgerät war mit einer Sonotrode BS2d22 (Stirnfläche 3,8cm²) und dem Boosterhorn B2–1,2 ausgestattet. Die maximale Intensität wurde zu 57 W/cm² bei einer mechanischen Amplitude von 81μm berechnet. Während der Behandlung wurde die Probe in einem Eisbad gekühlt. Nach der Behandlung wurde die Probe bei 120°C für 24 h getrocknet.
Geräteempfehlung:
UIP1000hd mit Sonotrode BS2d22 und Boosterhorn B2–1,2
Literatur / Forschungsarbeit:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Novel and Effective Copper–Aluminum Propane Dehydrogenation Catalysts. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Abbau von Kupferphthalocyanin

Ultraschallanwendung:
Entfärbung und Zerstörung von Metallphthalocyaninen
Kupferphthalocyanin wird mit Wasser und organischen Lösungsmitteln bei Umgebungstemperatur und Atmosphärendruck in Gegenwart einer katalytischen Menge eines Oxidationsmittels beschallt. Dazu wird das 500W-Ultraschallgerät UIP500hd mit „fold-trough“-Kammer bei einer Intensität von 37–59 W/cm² eingesetzt: 5 mL Probe (100 mg/L), 50 D/D-Wasser mit Chloroform und Pyridin bei 60% Ultraschallamplitude. Reaktionstemperatur: 20°C.
Geräteempfehlung:
UIP500hd

Gold: Morphologische Modifikation von Goldnanopartikeln

Ultraschallanwendung:
Goldnanopartikel wurden unter intensiver Ultraschallbestrahlung morphologisch modifiziert. Eine Ultraschallbehandlung von 20 min in reinem Wasser und in Gegenwart von Tensiden erwies sich als ausreichend, um Goldnanopartikel zu einer hantelförmigen Struktur zu verschmelzen. Nach 60 min Beschallung nehmen die Goldnanopartikel in Wasser eine wurm- oder ringförmige Struktur an. In Gegenwart von Natriumdodecylsulfat- oder Dodecylaminlösungen wurden durch Ultraschall verschmolzene Nanopartikel mit kugelförmiger oder ovaler Gestalt gebildet.
Protokoll der Ultraschallbehandlung:
Für die Ultraschallmodifikation wurde die kolloidale Goldlösung aus vorgebildeten, citratgeschützten Goldnanopartikeln mit einem mittleren Durchmesser von 25nm (± 7nm) in einer geschlossenen Reaktorkammer (ca. 50mL Volumen) beschallt. Die kolloidale Goldlösung (0,97 mmol·L^-1) wurde bei hoher Intensität (40 W/cm^-2) mit einem Ultraschallgerät UIP1000hdT von Hielscher (20kHz, 1000W) beschallt. Dieses war mit einer Sonotrode BS2d18 aus einer Titanlegierung (Spitzendurchmesser 0,7 inch) ausgestattet, die etwa 2 cm unter die Oberfläche der beschallten Lösung eingetaucht wurde. Das kolloidale Gold wurde mit Argon (O₂ unter 2 ppmv, Air Liquid) bereits 20 min vor sowie während der Beschallung bei einem Volumenstrom von 200 mL·min^-1 begast, um den Sauerstoff aus der Lösung zu entfernen. Eine Portion von 35 mL jeder Tensidlösung ohne Zusatz von Trinatriumcitrat-Dihydrat wurde mit 15 mL vorgebildetem kolloidalem Gold zusammengegeben; dabei erfolgte eine Begasung mit Argon bereits 20 min vor sowie während der Ultraschallbehandlung.
Geräteempfehlung:
UIP1000hd mit Sonotrode BS2d18 und Durchflussreaktor
Literatur / Forschungsarbeit:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ultrasound-Assisted Fusion of Preformed Gold Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Anorganische Düngemittel – Auslaugung von Cu, Cd und Pb für die Analyse

Ultraschallanwendung:
Extraktion von Cu, Cd und Pb aus anorganischen Düngemitteln zu analytischen Zwecken:
Für die Ultraschallextraktion von Kupfer, Blei und Cadmium werden Proben aus einem Gemisch von Düngemittel und Lösungsmittel mit einem Ultraschallgerät wie dem VialTweeter zur indirekten Beschallung behandelt. Die Düngemittelproben wurden in Gegenwart von 2mL 50%iger (v/v) HNO₃ in Glasröhrchen für 3 Minuten beschallt. Cu, Cd und Pb können in den Extrakten mittels Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie (FAAS) bestimmt werden.
Geräteempfehlung:
VialTweeter
Literatur / Forschungsarbeit:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternative Analytical Method for Metal Determination in Inorganic Fertilizers Based on Ultrasound-Assisted Extraction. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Latexsynthese

Ultraschallanwendung:
Herstellung von P(St-BA)-Latex
Latexpartikel aus Poly(styrol-r-butylacrylat), P(St-BA), wurden durch Emulsionspolymerisation in Gegenwart des Tensids DBSA synthetisiert. Zunächst wurde 1 g DBSA in 100mL Wasser in einem Dreihalskolben gelöst und der pH-Wert der Lösung auf 2,0 eingestellt. Ein Monomergemisch aus 2,80g St und 8,40g BA mit dem Initiator AIBN (0,168g) wurde in die DBSA-Lösung gegossen. Die O/W-Emulsion wurde durch Rühren mit einem Magnetrührer für 1 h und anschließende Beschallung mit dem mit einer Sonotrode ausgestatteten Ultraschallgerät UIP1000hd für weitere 30 min im Eisbad hergestellt. Abschließend wurde die Polymerisation bei 90degC in einem Ölbad für 2h unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
Geräteempfehlung:
UIP1000hd
Literatur / Forschungsarbeit:
Fabrication of flexible conductive films derived from poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) on the nonwoven fabrics substrate. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
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Bleientfernung durch Ultraschallauslaugung

Ultraschallanwendung:
Ultraschallauslaugung von Blei aus kontaminiertem Boden:
Die Ultraschallauslaugungsversuche wurden mit einem Ultraschallhomogenisator UP400S mit einer Titansonotrode (Durchmesser 14mm) durchgeführt, der bei einer Frequenz von 20kHz arbeitet. Die Sonotrode wurde kalorimetrisch kalibriert, wobei die Ultraschallintensität auf 51 ± 0,4 W cm^-2 für alle Ultraschallauslaugungsversuche eingestellt wurde. Die Ultraschallauslaugungsversuche wurden mithilfe einer ummantelten Glaszelle mit flachem Boden bei 25 ± 1°C thermostatisiert. Unter Beschallung wurden drei Systeme als Auslaugungslösungen für den Boden (0,1L) eingesetzt: 6 mL einer 0,3 mol L^-2 Essigsäurelösung (pH 3,24), eine 3%ige (v/v) Salpetersäurelösung (pH 0,17) und ein Essigsäure/Acetat-Puffer (pH 4,79), hergestellt durch Mischen von 60mL 0f 0,3 mol L^-1 Essigsäure mit 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH. Nach der Ultraschallauslaugung wurden die Proben durch Filterpapier filtriert, um die Auslaugungslösung vom Boden zu trennen. Anschließend erfolgten die elektrolytische Abscheidung von Blei aus der Auslaugungslösung und der Aufschluss des Bodens nach der Ultraschallbehandlung.
Ultraschall hat sich als wertvolles Werkzeug zur Verbesserung der Bleiauslaugung aus kontaminiertem Boden erwiesen. Ultraschall ist außerdem eine wirksame Methode zur nahezu vollständigen Entfernung von auslaugbarem Blei aus dem Boden, wodurch dessen Gefährdungspotenzial erheblich sinkt.
Geräteempfehlung:
UP400S mit Sonotrode H14
Literatur / Forschungsarbeit:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultrasound Leaching and Electrochemical Treatment Combined for Lead Removal Soil. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – Synthese von Bleisulfid-Nanopartikeln

Ultraschallanwendung:
Bei Raumtemperatur wurden 0,151 g Bleiacetat (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) und 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) zu 5mL der ionischen Flüssigkeit [EMIM] [EtSO₄] und 15mL zweifach destilliertem Wasser in einem 50mL-Becherglas gegeben und mit dem Ultraschallgerät UP200S von Hielscher für 7 min beschallt. Die Spitze der Sonotrode S1 wurde direkt in die Reaktionslösung eingetaucht. Die entstandene dunkelbraune Suspension wurde zentrifugiert, um den Niederschlag abzutrennen, und jeweils zweimal mit zweifach destilliertem Wasser und Ethanol gewaschen, um nicht umgesetzte Reagenzien zu entfernen. Um den Einfluss des Ultraschalls auf die Produkteigenschaften zu untersuchen, wurde eine weitere Vergleichsprobe bei konstanten Reaktionsparametern hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Produkt unter kontinuierlichem Rühren für 24 h ohne Ultraschallbestrahlung hergestellt wurde.
Zur Herstellung von PbS-Nanopartikeln wurde eine ultraschallunterstützte Synthese in wässriger ionischer Flüssigkeit bei Raumtemperatur vorgeschlagen. Diese bei Raumtemperatur durchgeführte, umweltfreundliche Methode der grünen Chemie ist schnell und templatfrei, wodurch die Synthesezeit erheblich verkürzt wird und komplizierte Syntheseverfahren vermieden werden. Die so hergestellten Nanocluster zeigen eine enorme Blauverschiebung von 3,86 eV, die auf die sehr geringe Partikelgröße und den Quanteneinschluss zurückgeführt werden kann.
Geräteempfehlung:
UP200S
Literatur / Forschungsarbeit:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Einfache Herstellung und Charakterisierung von PbS-Nanopartikeln bei Raumtemperatur in wässriger [EMIM][EtSO4] Ionic Liquid Using Ultrasonic Irradiation. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Phenolabbau

Ultraschallanwendung:
Rokhina et al. (2013) verwendeten die Kombination aus Peressigsäure (PAA) und einem heterogenen Katalysator (MnO₂) zum Abbau von Phenol in einer wässrigen Lösung unter Ultraschallbestrahlung. Die Ultraschallbehandlung erfolgte mit einem sonotrodenbasierten 400W-Ultraschallgerät UP400S, das bei einer festen Frequenz von 24 kHz entweder kontinuierlich oder im Pulsmodus (d. h. 4 sec. ein und 2 sec. aus) beschallen kann. Die berechnete gesamte eingetragene Leistung, die Leistungsdichte und die im System dissipierte Intensität betrugen 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3 bzw. 14,3 W/cm^-2. Die Leistung wurde während aller Versuche konstant gehalten. Zur Temperaturregelung im Reaktor wurde ein Einhängethermostat mit Umwälzung eingesetzt. Die tatsächliche Beschallungszeit betrug 4 h, während die gesamte Reaktionszeit aufgrund des Betriebs im Pulsmodus 6 h betrug. In einem typischen Versuch wurde der Glasreaktor mit 100mL Phenollösung (1,05 mM) und geeigneten Mengen des Katalysators MnO2 und PAA (2%) befüllt, deren Konzentrationen im Bereich von 0–2 g L^-1 bzw. 0–150 ppm lagen. Alle Reaktionen wurden bei annähernd neutralem pH-Wert, Atmosphärendruck und Raumtemperatur (22 ± 1 °C) durchgeführt.
Durch die Ultraschallbehandlung wurde die Oberfläche des Katalysators auf das 4-Fache vergrößert, ohne die Struktur zu verändern. Die Umsatzfrequenzen (TOF) stiegen im Vergleich zum Verfahren ohne Beschallung von 7 x 10^-3 auf 12,2 x 10^-3 min^-1. Zudem wurde keine signifikante Auslaugung des Katalysators festgestellt. Die isotherme Oxidation von Phenol bei relativ niedrigen Reagenzkonzentrationen zeigte unter milden Bedingungen hohe Phenolentfernungsraten (bis zu 89%). Insgesamt beschleunigte Ultraschall den Oxidationsprozess während der ersten 60 min (70% Phenolentfernung gegenüber 40% bei der Behandlung ohne Beschallung).
Geräteempfehlung:
UP400S
Literatur / Forschungsarbeit:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultrasound-assisted MnO₂ catalyzed homolysis of peracetic acid for phenol degradation: The assessment of process chemistry and kinetics. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Phenol: Oxidation von Phenol mit RuI₃ als Katalysator

Ultraschallanwendung:
Heterogene Oxidation von Phenol in wässrigem Medium an RuI₃ mit Wasserstoffperoxid (H₂O₂): Die katalytische Oxidation von Phenol (100 ppm) mit RuI₃ als Katalysator wurde in einem 100 mL-Glasreaktor untersucht, der mit einem Magnetrührer und einem Temperaturregler ausgestattet war. Das Reaktionsgemisch wurde für 1–6 Stunden bei einer Drehzahl von 800 rpm gerührt, um eine vollständige Durchmischung sowie eine gleichmäßige Verteilung und vollständige Suspendierung der Katalysatorpartikel sicherzustellen. Während der Beschallung wurde die Lösung nicht mechanisch gerührt, da die durch Schwingung und Kollaps der Kavitationsblasen verursachte Bewegung bereits eine äußerst effiziente Durchmischung bewirkte. Die Ultraschallbestrahlung der Lösung erfolgte mit einem Ultraschallwandler UP400S mit Ultraschallausstattung (sogenanntes sonotrodenbasiertes Ultraschallgerät), der entweder kontinuierlich oder im Pulsmodus bei einer festen Frequenz von 24 kHz und einer maximalen Ausgangsleistung von 400W betrieben werden kann.
Für den Versuch wurde unbehandeltes RuI₃ als Katalysator (0,5–2 gL^-1) als Suspension in das Reaktionsmedium eingebracht. Anschließend wurde H2O2 (30%, Konzentration im Bereich von 200–1200 ppm) zugegeben.
Rokhina et al. stellten in ihrer Studie fest, dass die Ultraschallbestrahlung eine wesentliche Rolle bei der Veränderung der Textureigenschaften des Katalysators spielte. Durch die Fragmentierung der Katalysatorpartikel entstand eine mikroporöse Struktur mit größerer Oberfläche. Darüber hinaus wirkte sie fördernd, indem sie die Agglomeration der Katalysatorpartikel verhinderte und die Zugänglichkeit der aktiven Zentren des Katalysators für Phenol und Wasserstoffperoxid verbesserte.
Die Verdopplung der Effizienz des ultraschallunterstützten Prozesses gegenüber dem Oxidationsprozess ohne Beschallung wurde auf das verbesserte katalytische Verhalten des Katalysators und die Bildung oxidierender Spezies wie •OH, •HO2 und •I₂ durch Spaltung von Wasserstoffbrückenbindungen und Rekombination von Radikalen zurückgeführt.
Geräteempfehlung:
UP400S
Literatur / Forschungsarbeit:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ultrasound-Assisted Heterogeneous Ruthenium Catalyzed Wet Peroxide Oxidation of Phenol. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162–170.

PLA-beschichtete Ag/ZnO-Partikel

Ultraschallanwendung:
PLA-Beschichtung von Ag/ZnO-Partikeln: Mit PLA beschichtete Ag/ZnO-Partikel im Mikro- und Submikrometerbereich wurden mittels Lösungsmittelverdampfung aus einer Öl-in-Wasser-Emulsion hergestellt. Diese Methode wurde wie folgt durchgeführt. Zunächst wurden 400 mg Polymer in 4 ml Chloroform gelöst. Die resultierende Polymerkonzentration in Chloroform betrug 100 mg/ml. Anschließend wurde die Polymerlösung in einer wässrigen Lösung verschiedener Tensidsysteme (Emulgator, PVA 8-88) unter kontinuierlichem Rühren mit einem Homogenisator bei einer Drehzahl von 24.000 rpm emulgiert. Das Gemisch wurde für 5 min gerührt, wobei die entstehende Emulsion mit Eis gekühlt wurde. Das Verhältnis zwischen der wässrigen Tensidlösung und der PLA-Lösung in Chloroform war in allen Versuchen identisch (4:1). Danach wurde die erhaltene Emulsion mit dem sonotrodenbasierten Ultraschallgerät UP400S (400W, 24kHz) für 5 min bei einer Zykluseinstellung von 0,5 und einer Amplitude von 35% beschallt. Abschließend wurde die hergestellte Emulsion in einen Erlenmeyerkolben überführt und gerührt. Das organische Lösungsmittel wurde unter vermindertem Druck aus der Emulsion verdampft, wodurch schließlich eine Partikelsuspension entstand. Nach der Entfernung des Lösungsmittels wurde die Suspension dreimal zentrifugiert, um den Emulgator zu entfernen.
Geräteempfehlung:
UP400S
Literatur / Forschungsarbeit:
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.

Polyanilin-Komposit

Ultraschallanwendung:
Herstellung eines wasserbasierten Komposits aus selbstdotiertem Nanopolyanilin (SPAni) (Sc-WB)
Zur Herstellung des wasserbasierten SPAni-Komposits wurden 0,3 gr SPAni, das durch In-situ-Polymerisation in einem ScCO2-Medium synthetisiert worden war, mit Wasser verdünnt und für 2 Minuten mit einem 1000W-Ultraschallhomogenisator UIP1000hd beschallt. Anschließend wurde das Suspensionsprodukt unter Zugabe von 125 gr wasserbasierter Härtermatrix für 15 min homogenisiert. Die abschließende Beschallung erfolgte bei Umgebungstemperatur für 5 min.
Geräteempfehlung:
UIP1000hd
Literatur / Forschungsarbeit:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Protective Performance of Water-Based Epoxy Coating Containing ScCO2 Synthesized Self-Doped Nanopolyaniline. 2013.

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe: Sonochemischer Abbau von Naphthalin, Acenaphthylen und Phenanthren

Ultraschallanwendung:
Für den sonochemischen Abbau der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) Naphthalin, Acenaphthylen und Phenanthren in Wasser wurden Probengemische bei 20◦C und einer Konzentration von 50 µg/l je untersuchtem PAK (Gesamtausgangskonzentration 150 µg/l) beschallt. Die Ultraschallbehandlung erfolgte mit einem sonotrodenbasierten Ultraschallgerät UP400S (400W, 24kHz), das entweder kontinuierlich oder im Pulsmodus betrieben werden kann. Das Ultraschallgerät UP400S war mit einer Titansonotrode H7 mit einem Spitzendurchmesser von 7 mm ausgestattet. Die Reaktionen wurden in einem zylindrischen 200 mL-Glasreaktionsgefäß durchgeführt. Die Titansonotrode war oben am Reaktionsgefäß montiert, das mit O-Ringen und einem Teflonventil abgedichtet war. Das Reaktionsgefäß wurde zur Regelung der Prozesstemperatur in ein Wasserbad gestellt. Um photochemische Reaktionen zu vermeiden, wurde das Gefäß mit Aluminiumfolie abgedeckt.
Die Analyseergebnisse zeigten, dass der Umsatz der PAK mit zunehmender Beschallungsdauer steigt.
Bei Naphthalin stieg der ultraschallunterstützte Umsatz (Ultraschallleistung auf 150W eingestellt) von 77,6% nach 30 min Beschallung auf 84,4% nach 60 min Beschallung.
Bei Acenaphthylen stieg der ultraschallunterstützte Umsatz (Ultraschallleistung auf 150W eingestellt) von 77,6% nach 30 min Beschallung mit 150W Ultraschallleistung auf 84,4% nach 60 min Beschallung mit 150W Ultraschall; er stieg von 80,7% nach 30 min Beschallung mit 150W Ultraschallleistung auf 96,6% nach 60 min Beschallung.
Bei Phenanthren stieg der ultraschallunterstützte Umsatz (Ultraschallleistung auf 150W eingestellt) von 73,8% nach 30 min Beschallung auf 83,0% nach 60 min Beschallung.
Zur Steigerung der Abbaueffizienz kann Wasserstoffperoxid durch Zugabe von Eisen(II)-Ionen effizienter genutzt werden. Es wurde gezeigt, dass die Zugabe von Eisen(II)-Ionen synergistische Effekte hat, die eine Fenton-ähnliche Reaktion nachbilden.
Geräteempfehlung:
UP400S mit H7
Literatur / Forschungsarbeit:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons in aqueous solutions by ultrasonic irradiation. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Entfernung von Oxidschichten von Substraten

Ultraschallanwendung:
Zur Vorbereitung des Substrats vor dem Wachstum von CuO-Nanodrähten auf Cu-Substraten wurde die natürliche Oxidschicht auf der Cu-Oberfläche entfernt, indem die Probe in 0,7 M Salzsäure für 2 min mit einem Hielscher UP200S beschallt wurde. Die Probe wurde zur Entfernung organischer Verunreinigungen für 5 min in Aceton ultraschallgereinigt, gründlich mit deionisiertem (DI) Wasser gespült und mit Druckluft getrocknet.
Geräteempfehlung:
UP200S oder UP200St
Literatur / Forschungsarbeit:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modulating Gas Sensing Properties of CuO Nanowires through Creation of Discrete Nanosized p−n Junctions on Their Surfaces. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Voltammetrische Versuche

Ultraschallanwendung:
Für ultraschallunterstützte voltammetrische Versuche wurde ein 200-Watt-Ultraschallgerät UP200S von Hielscher mit einer Glassonotrode (Spitzendurchmesser 13 mm) eingesetzt. Der Ultraschall wurde mit einer Intensität von 8 W/cm^–2 angewendet.
Aufgrund der langsamen Diffusion von Nanopartikeln in wässrigen Lösungen und der hohen Anzahl an Redoxzentren pro Nanopartikel wird die direkte Voltammetrie von Nanopartikeln in der Lösungsphase von Adsorptionseffekten dominiert. Um Nanopartikel ohne adsorptionsbedingte Anreicherung nachzuweisen, muss ein Versuchsansatz mit (i) einer ausreichend hohen Nanopartikelkonzentration, (ii) kleinen Elektroden zur Verbesserung des Signal-Untergrund-Verhältnisses oder (iii) sehr schnellem Stofftransport gewählt werden.
Daher setzten McKenzie et al. (2012) Leistungsultraschall ein, um die Stofftransportgeschwindigkeit der Nanopartikel zur Elektrodenoberfläche drastisch zu erhöhen. In ihrem Versuchsaufbau ist die Elektrode direkt hochintensivem Ultraschall ausgesetzt, bei einem Abstand zwischen Elektrode und Sonotrode von 5 mm und einer Beschallungsintensität von 8 W/cm^–2, wodurch Durchmischung und kavitationsbedingte Reinigung entstehen. Als Test-Redoxsystem wurde die Einelektronenreduktion von Ru(NH3)₆³⁺ in wässriger 0,1 M KCl-Lösung eingesetzt, um die unter diesen Bedingungen erreichte Stofftransportgeschwindigkeit zu kalibrieren.
Geräteempfehlung:
UP200S oder UP200St
Literatur / Forschungsarbeit:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Direct electrochemistry of nanoparticulate Fe2O3 in aqueous solution and adsorbed onto tin-doped indium oxide. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Ultraschallgeräte für sonochemische Reaktionen vom Labor- bis zum Industriemaßstab

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