Sonokeemia: rakendusjuhised

Sonokeemia on ultraheli kavitatsiooni mõju keemilistele süsteemidele. Kavitatsioonilises „kuumas punktis“ valitsevate äärmuslike tingimuste tõttu on võimsusultraheli väga tõhus meetod keemilise reaktsiooni tulemuse (suurem saagis, parem kvaliteet), konversiooni ja kestuse parandamiseks. Mõningaid keemilisi muutusi on võimalik saavutada ainult sonikeerimisel, näiteks titaani või alumiiniumi nanomõõtmelise tinakatte puhul.

Allpool on valik osakesi ja vedelikke koos vastavate soovitustega, kuidas materjali töödelda, et osakesi ultraheli homogenisaatoriga jahvatada, dispergeerida, deaglomeerida või modifitseerida.

Allpool on mõned sonikeerimisprotokollid edukate sonokeemiliste reaktsioonide jaoks!

Tähestikulises järjekorras:

α-epoksüketoonid – ringi avamise reaktsioon

Ultraheli rakendus:
α-epoksüketoonide katalüütiline ringi avamine viidi läbi ultraheli ja fotokeemiliste meetodite kombinatsiooni abil. Fotokatalüsaatorina kasutati 1-bensüül-2,4,6-trifenüülpüridiinium tetrafluoroboraati (NBTPT). Nende ühendite sonikeerimise (sonokeemia) ja fotokeemia kombineerimisel NBTPT juuresolekul saavutati epoksiidtsükli avanemine. Näidati, et ultraheli kasutamine suurendas fotoindutseeritud reaktsiooni kiirust oluliselt. Ultraheli võib α-epoksüketoonide fotokatalüütilist ringi avamist tugevalt mõjutada peamiselt reaktantide tõhusa massiülekande ning NBTPT ergastatud oleku tõttu. Samuti toimub elektronide ülekanne aktiivsete osakeste vahel selles homogeenses süsteemis sonikeerimise korral
kiiremini kui süsteemis ilma sonikeerimiseta. Suuremad saagised ja lühemad reaktsiooniajad on selle meetodi eelised.

Ultraheli abil toimuv α-epoksüketoonide fotokatalüütiline ringi avamine (uuring ja graafika: ©Memarian et al 2007)

Sonikeerimisprotokoll:
α-epoksüketoonid 1a-f ja 1-bensüül-2,4,6-trifenüülpüridiinium tetrafluoroboraat 2 valmistati avaldatud protseduuride järgi. Metanool osteti firmalt Merck ja destilleeriti enne kasutamist. Kasutatud ultraheliseade oli Hielscher Ultrasonics GmbH sondtüüpi ultraheliseade UP400S. S3 ultraheli sukelsonotroodi (tuntud ka kui sond või sonotrood), mis kiirgab 24 kHz ultraheli intensiivsustasemetel, mida saab reguleerida kuni maksimaalse ultraheli võimsustiheduseni 460Wcm^-2 kasutati. Sonikeerimine viidi läbi 100% juures (maksimaalne amplituud 210μm). Sonotrood S3 (maksimaalne sukelsügavus 90mm) sukeldati otse reaktsioonisegusse. UV-kiiritus teostati 400W kõrgsurve-elavhõblambiga firmalt Narva, proove jahutati Duran-klaasis. Fotoproduktide segu ¹H NMR spektrid mõõdeti CDCl₃ lahustes, mis sisaldasid sisestandardina tetrametüülsilaani (TMS), Bruker drx-500 (500 MHz) seadmel. Preparatiivne kihtkromatograafia (PLC) teostati 20 × 20cm² plaatidel, mis olid kaetud 1mm paksuse Merck silikageeli PF₂₅₄ kihiga, mis valmistati silikageeli pastana kandes ja õhu käes kuivatades. Kõik tooted on teada ja nende spektriandmed on varem avaldatud.
Seadme soovitus:
UP400S koos ultraheli sonotroodiga S3
Viide/ uurimistöö:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Fotosonokeemiline α-epoksüketoonide katalüütiline ringi avamine. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Alumiinium/nikkel-katalüsaator: Al/Ni sulami nanostruktureerimine

Ultraheli rakendus:
Al/Ni osakesi saab sonokeemiliselt modifitseerida lähtesulami Al/Ni nanostruktureerimise teel. Sellega valmistatakse atsetofenooni hüdrogeenimiseks tõhus katalüsaator.
Al/Ni katalüsaatori valmistamine ultraheli abil:
5g kommertsiaalset Al/Ni sulamit dispergeeriti puhastatud vees (50mL) ja sonikeeriti kuni 50 min. sondtüüpi ultraheli sonikaatoriga UIP1000hd (1kW, 20kHz), mis oli varustatud ultraheli sonotroodiga BS2d22 (otsa pindala 3,8 cm²) ja boosteriga B2-1.8. Maksimaalseks intensiivsuseks arvutati 140 Wcm⁻² mehaanilisel amplituudil 106μm. Temperatuuri tõusu vältimiseks ultraheli töötluse ajal viidi katse läbi termostaatilises kambris. Pärast ultraheli töötlust kuivatati proov vaakumis kuumaõhupuhuriga.
Seadme soovitus:
UIP1000hd koos sonotroodiga BS2d22 ja võimendussarvega B2–1,2
Viide / teadusartikkel:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Jekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Al/Ni hüdrogeenimiskatalüsaatori sonokeemiline aktiveerimine. Täiustatud funktsionaalsed materjalid 2012. Doi: 10.1002/adfm.201200437

Biodiisli transesterdamine MgO katalüsaatori abil

Ultraheli rakendus:
Transesterdamisreaktsiooni uuriti pideva ultraheli segamise all sonikaatoriga UP200S erinevate parameetrite puhul, nagu katalüsaatori kogus, metanooli ja õli moolsuhe, reaktsioonitemperatuur ja reaktsiooni kestus. Perioodilised katsed viidi läbi kõvaklaasist reaktoris (300 ml, sisediameeter 7 cm), millel oli lihvitud kahe kaelaga kaas. Üks kael oli ühendatud ultraheli protsessori UP200S (200W, 24kHz) titaanist sonotroodiga S7 (otsa läbimõõt 7 mm). Ultraheli amplituud oli seatud 50%-le ja 1 tsükkel sekundis. Reaktsioonisegu töödeldi ultraheliga kogu reaktsiooniaja vältel. Reaktorikambri teise kaela külge oli paigaldatud kohandatud, veejahutusega roostevabast terasest kondensaator aurustunud metanooli tagasijooksuks. Kogu aparaat paigutati püsiva temperatuuriga õlivanni, mida juhtis proportsionaal-integraal-diferentsiaal-temperatuuriregulaator. Temperatuuri saab tõsta kuni 65°C täpsusega ±1°C. Biodiisli transesterdamisel kasutati lähteainena jääkõli ja 99,9% puhast metanooli. Katalüsaatorina kasutati suitsust sadestatud nanosuuruses MgO-d (magneesiumlint).
Suurepärane konversioonitulemus saadi 1,5 wt% katalüsaatori juures; metanooli ja õli moolsuhtel 5:1 temperatuuril 55°C saavutati konversioon 98,7% pärast 45 min.
Seadme soovitus:
UP200S koos ultraheli sonotroodiga S7
Viide / teadusartikkel:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Uuringud biodiisli sonokeemilise tootmise kohta suitsust sadestatud nanomõõtmelise MgO katalüsaatori abil. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Kaadmium(II)-tioatsetamiidi nanokomposiidi süntees

Ultraheli rakendus:
Kaadmium(II)-tioatseetamiidi nanokomposiidid sünteesiti polüvinüülalkoholi juuresolekul ja puudumisel sonokeemilisel teel. Sonokeemiliseks sünteesiks (sonosünteesiks) lahustati 20mL kaks korda destilleeritud deioniseeritud vees 0,532 g kaadmium(II)atsetaat-dihüdraati (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioatseetamiidi (TAA, CH3CSNH2) ja 0,664 g kaaliumjodiidi (KI). Seda lahust töödeldi ultrahelil suure võimsusega sondtüüpi ultrahelitöötlejaga UP400S (24 kHz, 400W) toatemperatuuril 1 h. Reaktsioonisegu sonikeerimise ajal tõusis temperatuur 70-80degC, mõõdetuna raud–konstantiin-termopaariga (“iron–constantin”). Ühe tunni pärast tekkis erkkollane sade. See eraldati tsentrifuugimisega (4 000 rpm, 15 min), pesti kaks korda destilleeritud veega ja seejärel absoluutse etanooliga jääkmustuste eemaldamiseks ning kuivatati lõpuks õhus (saagis: 0,915 g, 68%). Lagunemispunkt 200°C. Polümeerse nanokomposiidi valmistamiseks lahustati 1,992 g polüvinüülalkoholi 20 mL-s kaks korda destilleeritud deioniseeritud vees ja lisati seejärel ülaltoodud lahusele. Seda segu töödeldi ultrahelikiirgusega ultraheli sondiga UP400S 1 h, mille jooksul tekkis erkoranž produkt.
SEM-tulemused näitasid, et PVA juuresolekul vähenes osakeste suurus ligikaudu 38 nm-lt 25 nm-ni. Seejärel sünteesisime sfäärilise morfoloogiaga heksagonaalsed CdS-nanoosakesed polümeerse nanokomposiidi, kaadmium(II)-tioatseetamiid/PVA, termilisel lagundamisel lähteainena. CdS-nanoosakeste suurust mõõdeti nii XRD kui ka SEM abil ning tulemused olid omavahel väga heas kooskõlas.
Ranjbar et al. (2013) leidsid samuti, et polümeerne Cd(II) nanokomposiit on sobiv lähteaine kaadmiumsulfiidi nanoosakeste valmistamiseks huvitava morfoloogiaga. Kõik tulemused näitasid, et ultraheli süntees on edukalt rakendatav lihtsa, tõhusa, odava, keskkonnasõbraliku ja väga paljutõotava meetodina nanomõõtmeliste materjalide sünteesiks, ilma et oleks vaja erilisi tingimusi, nagu kõrge temperatuur, pikad reaktsiooniajad ja kõrge rõhk.
Seadme soovitus:
UP400S
Viide / uurimistöö:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Kaadmium-tioatseetamiidi nanokomposiitide süntees ja iseloomustamine. Int. J. Nanosci. Nanotehnol. 9/4, 2013. 203-212.

CaCO3 – ultraheliga kaetud steariinhappega

Ultrahelirakendus:
Nanosadestatud CaCO₃ (NPCC) ultraheliga katmine steariinhappega, et parandada selle dispersiooni polümeeris ja vähendada aglomeratsiooni. 2g katmata nanosadestatud CaCO₃ (NPCC) on sonikeeritud sonikaatoriga UP400S 30ml etanoolis. 9 wt% steariinhapet on lahustatud etanoolis. Steariinhappega etanool segati seejärel sonikeeritud suspensiooniga.
Seadme soovitus:
UP400S koos 22mm läbimõõduga sonotroodiga (H22D) ja jahutusmantliga läbivoolukambriga
Viide / uurimistöö:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Ultraheli mõju nano-sadestunud CaCO3 katmisel steariinhappega. Aasia ja Vaikse ookeani piirkonna keemiatehnika ajakiri 4/5, 2009. 807-813.

Tseerinitraadiga legeeritud silaan

Ultrahelirakendus:
Metallalusena kasutati külmvaltsitud süsinikterasest plaate (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; keemiliselt puhastatud ja mehaaniliselt lihvitud). Enne katte pealekandmist puhastati plaate ultraheliga atsetoonis ning seejärel leeliselise lahusega (0,3mol L1 NaOH lahus) 60°C juures 10 min. jooksul. Krundina kasutamiseks valmistati enne aluspinna eeltöötlust tüüpiline koostis, mis sisaldas 50 osa γ-glütsidoksüpropüültrimetoksüsilaani (γ-GPS), ja see lahjendati ligikaudu 950 osa metanooliga pH 4,5 juures (reguleeritud äädikhappega), võimaldades silaani hüdrolüüsi. Tseeriumnitraadi pigmentidega legeeritud silaani valmistamise protseduur oli sama, välja arvatud see, et metanoolilahusele lisati enne (γ-GPS) lisamist 1, 2, 3 wt% tseeriumnitraati, seejärel segati seda lahust propellersegajaga 1600 rpm juures 30 min. toatemperatuuril. Seejärel töödeldi tseeriumnitraati sisaldavaid dispersioone ultrahelitöötlusega (sonikeerimine) 30 min jooksul 40°C juures välise jahutusvanniga. Ultrahelitöötlus viidi läbi ultraheli seadmega UIP1000hd (1000W, 20 kHz), mille sisendultrahelivõimsus oli ligikaudu 1 W/mL. Aluspinna eeltöötlus teostati, loputades iga plaati 100 sek. sobiva silaanilahusega. Pärast töötlust lasti plaatidel toatemperatuuril 24 h kuivada, seejärel kaeti eeltöödeldud plaadid kahekomponendilise amiinkõvendatava epoksiidiga (Epon 828, Shell Co.), et saada 90μm märja kile paksus. Epoksiidiga kaetud plaatidel lasti kõveneda 1h 115°C juures; pärast epoksiidkatete kõvenemist oli kuiva kile paksus ligikaudu 60μm.
Seadme soovitus:
UIP1000hd
Viide / uurimistöö:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Tseeriumnitraati sisaldavate silaanide eeltöötluste elektrokeemiline mõju epoksükattega terase katoodsetele disbondeerivatele omadustele. Adhesiooniteaduse ja -tehnoloogia ajakiri 27/22, 2013. 2411–2420.

Vask-alumiiniumkarkassid: poorsete Cu-Al karkasside süntees

Ultraheli rakendus:
Metalloksiidiga stabiliseeritud poorne vask–alumiinium on paljutõotav uus alternatiivne katalüsaator propaani dehüdrogeenimiseks, mis ei sisalda väärismetalle ega ohtlikke metalle. Oksüdeeritud poorse Cu–Al sulami (metallvaht) struktuur sarnaneb Raney-tüüpi metallidega. Suure võimsusega ultraheli on rohelise keemia tööriist metalloksiidiga stabiliseeritud poorsete vask–alumiiniumkarkasside sünteesiks. Need on odavad (tootmiskulu ligikaudu 3 EUR/liiter) ja meetodit on lihtne suuremasse mastaapi viia. Neil uutel poorsetel materjalidel (ehk „metallvahtudel“) on sulami põhimass ja oksüdeeritud pind ning need suudavad katalüüsida propaani dehüdrogeenimist madalatel temperatuuridel.
Ultraheliga katalüsaatori valmistamise protseduur:
Viis grammi Al–Cu sulamipulbrit dispergeeriti ülipuhtas vees (50mL) ja töödeldi ultrahelitöötlusega (sonikeerimine) 60 min jooksul Hielscheri sondtüüpi sonikaatoriga UIP1000hd (20kHz, max. väljundvõimsus 1000W). Sondtüüpi ultraheliseade oli varustatud sonotroodiga BS2d22 (otsa pindala 3,8cm²) ja võimendiga B2–1,2. Maksimaalseks intensiivsuseks arvutati 57 W/cm² mehaanilise amplituudi 81μm juures. Töötluse ajal jahutati proovi jäävannis. Pärast töötlust kuivatati proov 120°C juures 24 h.
Seadme soovitus:
UIP1000hd koos sonotroodiga BS2d22 ja võimendiga B2–1,2
Viide / uurimistöö:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): uudsed ja tõhusad vask-alumiiniumpropaani dehüdrogeenimise katalüsaatorid. J. 2011, 17, 12254-12256.

Vaskftalotsüaniini lagundamine

Ultraheli rakendus:
Metallftalotsüaniinide värvuse kaotamine ja lagundamine
Vaskftalotsüaniini töödeldakse ultrahelitöötlusega (sonikeerimine) vees ja orgaanilistes lahustites ümbritseva keskkonna temperatuuril ja atmosfäärirõhul katalüütilise koguse oksüdeerija juuresolekul, kasutades 500W ultraheli seadet UIP500hd fold-trough kambriga võimsustasemel 37–59 W/cm²: 5 mL proovi (100 mg/L), 50 D/D vett koos kloroformi ja püridiiniga ultraheli amplituudil 60%. Reaktsioonitemperatuur: 20°C.
Seadme soovitus:
UIP500hd

Kuld: kuldnanoosakeste morfoloogiline modifitseerimine

Ultraheli rakendus:
Kuldnanoosakesi modifitseeriti morfoloogiliselt intensiivse ultraheliga kiiritamise toimel. Kuldnanoosakeste sulandamiseks hantlitaolisse struktuuri osutus piisavaks 20-minutiline ultraheli töötlus puhtas vees ja pindaktiivsete ainete juuresolekul. Pärast 60-minutilist sonikeerimist omandavad kuldnanoosakesed vees ussitaolise või rõngataolise struktuuri. Sfäärilise või ovaalse kujuga sulandunud nanoosakesed tekkisid ultraheli toimel naatriumdodetsüülsulfaadi või dodetsüülamiini lahuste juuresolekul.
Ultraheli töötluse protokoll:
Ultraheli modifitseerimiseks sonikeeriti kolloidset kuldlahust, mis koosnes eelnevalt valmistatud tsitraadiga kaitstud kuldnanoosakestest keskmise läbimõõduga 25nm (± 7nm), suletud reaktorikambris (ca 50mL mahuga). Kolloidne kuldlahus (0,97 mmol·L^-1) kiiritati ultrahelis suure intensiivsusega (40 W/cm^-2) kasutades Hielscher UIP1000hdT ultrasonikaatorit (20kHz, 1000W), mis oli varustatud titaanisulamist sonotroodiga BS2d18 (otsa läbimõõt 0,7 tolli) ja mis sukeldati ligikaudu 2 cm sonikeeritava lahuse pinna alla. Kolloidset kulda gaseeriti argooniga (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. enne sonikeerimist ja selle ajal kiirusega 200 mL·min^-1 hapniku eemaldamiseks lahusest. 35-mL portsioon iga pindaktiivse aine lahust, millele ei lisatud trinaatriumtsitraatdihüdraati, kombineeriti 15 mL eelnevalt valmistatud kolloidse kullaga; argoonigaasiga mullitati 20 min. enne ultraheli töötlust ja selle ajal.
Seadme soovitus:
UIP1000hd koos sonotroodiga BS2d18 ja läbivoolukambriga reaktoriga
Viide / uurimistöö:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Eelnevalt valmistatud kuldnanoosakeste ultraheli abil toimuv sulandumine. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Anorgaaniline väetis – Cu, Cd ja Pb leostamine analüüsiks

Ultraheli rakendus:
Cu, Cd ja Pb ekstraheerimine anorgaanilistest väetistest analüütilistel eesmärkidel:
Vase, plii ja kaadmiumi ultraheliekstraktsiooniks sonikeeritakse väetise ja lahusti segu sisaldavaid proove ultraheliseadmega, näiteks kaudseks sonikeerimiseks mõeldud sonikaatoriga VialTweeter. Väetiseproove sonikeeriti 2mL 50% (v/v) HNO₃ juuresolekul klaastorudes 3 minuti jooksul. Cu, Cd ja Pb ekstrakte saab määrata leek-aatomabsorptsioonspektromeetriaga (FAAS).
Seadme soovitus:
VialTweeter
Viide / uurimistöö:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternatiivne analüütiline meetod metallide määramiseks anorgaanilistes väetistes ultraheli abil toimuva ekstraktsiooni alusel. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519-1524.

Lateksi süntees

Ultraheli rakendus:
P(St-BA) lateksi valmistamine
Poly(stüreen-r-butüülakrülaat) P(St-BA) lateksiosakesed sünteesiti emulsioonpolümerisatsiooniga pindaktiivse aine DBSA juuresolekul. 1 g DBSA lahustati esmalt 100mL vees kolmekaelalises kolvis ja lahuse pH väärtuseks seati 2,0. Segatud monomeerid 2,80g St ja 8,40g BA koos initsiaatoriga AIBN (0,168g) valati DBSA lahusesse. O/W emulsioon valmistati magnetsegamisega 1 h, millele järgnes sonikeerimine sonikaatoriga UIP1000hd, mis oli varustatud ultrahelisarvega (sond / sonotrood), veel 30 min. jäävannis. Lõpuks viidi polümerisatsioon läbi 90degC juures õlivannis 2h lämmastikuatmosfääris.
Seadme soovitus:
UIP1000hd
Viide / uurimistöö:
Painduvate juhtivate kilede valmistamine, mis on saadud poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) baasil, mittekootud kangaste substraadil. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143-148.
Klõpsake siin, et lugeda lähemalt lateksi sonosünteesi kohta!

Plii eemaldamine (sonoleostamine)

Ultraheli rakendus:
Plii ultraheli abil leostamine saastunud pinnasest:
Ultraheli leostamiskatsed viidi läbi ultraheli homogenisaatoriga UP400S, millel oli titaanist ultrahelisond (läbimõõt 14mm) ja mis töötab sagedusel 20kHz. Ultrahelisond (sonotrood) kalibreeriti kalorimeetriliselt ning ultraheli intensiivsuseks seati 51 ± 0,4 W cm^-2 kõigi sonoleostamiskatsete jaoks. Sonoleostamiskatsed termostateeriti lameda põhjaga mantliga klaasanumas temperatuuril 25 ± 1°C. Pinnase leostuslahustena (0,1L) kasutati ultraheli töötluse (sonikeerimise) all kolme süsteemi: 6 mL 0,3 mol L^-2 äädikhappelahust (pH 3,24), 3% (v/v) lämmastikhappelahus (pH 0,17) ning äädikhappe/atsetaadi puhver (pH 4,79), mis valmistati segades 60mL 0f 0,3 mol L^-1 äädikhapet 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH-ga. Pärast sonoleostamist filtreeriti proovid filterpaberiga, et eraldada leostuslahus pinnasest, millele järgnes leostuslahuse plii elektrosadestamine ja pinnase lagundamine pärast ultraheli rakendamist.
Ultraheli on osutunud väärtuslikuks vahendiks plii leostumise tõhustamisel saastunud pinnasest. Ultraheli on ka tõhus meetod leostatava plii peaaegu täielikuks eemaldamiseks pinnasest, mille tulemusel muutub pinnas palju vähem ohtlikuks.
Seadme soovitus:
UP400S sonotroodiga H14
Viide / uurimistöö:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultraheli abil leostamine ja elektrokeemiline töötlus koos plii eemaldamiseks pinnasest. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195-199.

PbS – pliisulfiidi nanoosakeste süntees

Ultraheli rakendus:
Toatemperatuuril lisati 0,151 g pliiatsetaati (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) ja 0,03 g TAA-d (CH₃CSNH₂) 5mL-le ioonsele vedelikule, [EMIM] [EtSO₄], ja 15mL-le kahekordselt destilleeritud veele 50mL keeduklaasis, mida töödeldi ultrahelikiirgusega Hielscheri sonikaatoriga UP200S 7 min. Ultrahelisondi/ sonotroodi S1 ots kasteti otse reaktsioonilahusesse. Tekkinud tumepruun suspensioon tsentrifuugiti, et eraldada sade, ning pesti reageerimata reagentide eemaldamiseks kaks korda vastavalt kahekordselt destilleeritud vee ja etanooliga. Ultraheli mõju uurimiseks toodete omadustele valmistati veel üks võrdlusproov, hoides reaktsiooniparameetrid konstantsena, välja arvatud see, et toode valmistati pideva segamisega 24 h jooksul ilma ultrahelikiirguse abita.
Ultraheli abil toimuvat sünteesi vesipõhises ioonses vedelikus toatemperatuuril pakuti välja PbS nanoosakeste valmistamiseks. See toatemperatuuril toimiv ja keskkonnasõbralik roheline meetod on kiire ja matriitsivaba, mis lühendab sünteesiaega märkimisväärselt ning väldib keerukaid sünteesimenetlusi. Valmistatud nanoklastrid näitavad tohutut sinist nihet 3,86 eV, mida võib seostada osakeste väga väikese suuruse ja kvantpiirangu efektiga.
Seadme soovitus:
UP200S
Viide / uurimistöö:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): PbS nanoosakeste lihtne valmistamine ja iseloomustamine toatemperatuuril vesipõhises [EMIM][EtSO4] ioonses vedelikus ultrahelikiirguse abil. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53-56.

Fenooli lagundamine

Ultraheli rakendus:
Rokhina et al. (2013) kasutasid peräädikhappe (PAA) ja heterogeense katalüsaatori (MnO₂) kombinatsiooni fenooli lagundamiseks vesilahuses ultrahelikiirguse all. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) viidi läbi 400W sondtüüpi ultrahelisonikaatoriga UP400S, mis suudab sonikeerida kas pidevalt või impulssrežiimis (st 4 sek. sees ja 2 sek. väljas) fikseeritud sagedusel 24 kHz. Arvutuslik süsteemi antud koguvõimsus, võimsustihedus ja võimsusintensiivsus olid 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, ja 14,3 W/cm^-2, vastavalt. Fikseeritud võimsust kasutati kõigis katsetes. Reaktori sisetemperatuuri reguleerimiseks kasutati sukeldatavat tsirkulatsiooniseadet. Tegelik sonikeerimisaeg oli 4 h, kuigi pulssrežiimis töötamise tõttu oli tegelik reaktsiooniaeg 6 h. Tüüpilises katses täideti klaasreaktor 100mL fenoolilahusega (1,05 mM) ning sobivate doosidega katalüsaatorit MnO2 ja PAA-d (2%), vahemikus 0–2 g L^-1 ja 0–150 ppm, vastavalt. Kõik reaktsioonid viidi läbi ligikaudu neutraalse pH juures, atmosfäärirõhul ja toatemperatuuril (22 ± 1 °C).
Ultraheli töötlusega suurenes katalüsaatori eripind, mille tulemusena pindala kasvas 4-kordselt ilma struktuuriliste muutusteta. Pöördsagedused (TOF) suurenesid väärtuselt 7 x 10^-3 väärtuseni 12,2 x 10^-3 min^-1, võrreldes vaikse protsessiga. Lisaks ei tuvastatud katalüsaatori olulist leostumist. Fenooli isotermiline oksüdeerimine reagentide suhteliselt madalatel kontsentratsioonidel näitas fenooli kõrget eemaldamismäära (kuni 89%) leebetes tingimustes. Üldiselt kiirendas ultraheli oksüdatsiooniprotsessi esimese 60 min. jooksul (70% fenooli eemaldamist vs. 40% vaikse töötluse korral).
Seadme soovitus:
UP400S
Viide/ uurimistöö:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultraheliga toetatud MnO₂ abil katalüüsitud peräädikhappe homolüüs fenooli lagundamiseks: protsessi keemia ja kineetika hindamine. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenool: fenooli oksüdeerimine, kasutades RuI₃ katalüsaatorina

Ultraheli rakendus:
Fenooli heterogeenne oksüdeerimine vesilahuses RuI₃ pinnal vesinikperoksiidiga (H₂O₂): Fenooli (100 ppm) katalüütilist oksüdeerimist uuriti katalüsaatori RuI₃ kasutamisel 100 mL klaasreaktoris, mis oli varustatud magnetsegaja ja temperatuuriregulaatoriga. Reaktsioonisegu segati kiirusel 800 rpm 1–6 tundi, et tagada täielik segunemine, katalüsaatoriosakeste ühtlane jaotus ja täielik suspendeeritus. Ultraheli töötluse ajal lahust mehaaniliselt ei segatud, kuna kavitatsioonimullide võnkumine ja kollaps põhjustavad häiringuid ning tagavad ise äärmiselt tõhusa segunemise. Lahuse ultraheliga kiiritamine viidi läbi ultrahelimuunduriga UP400S, mis oli varustatud ultraheliseadmestikuga (nn sondtüüpi sonikaator) ning suutis töötada kas pidevalt või pulssrežiimis fikseeritud sagedusel 24 kHz ja maksimaalse väljundvõimsusega 400W.
Katses lisati töötlemata RuI₃ katalüsaatorina (0,5–2 gL^-1) suspensioonina reaktsioonikeskkonda, millele järgnes H2O2 (30%, kontsentratsioon vahemikus 200–1200 ppm) lisamine.
Rokhina et al. leidsid oma uuringus, et ultraheli kiiritamine mängis katalüsaatori tekstuuriomaduste muutmisel silmapaistvat rolli, tekitades katalüsaatoriosakeste killustumise tulemusena mikropoorse struktuuri suurema eripinnaga. Lisaks avaldas see soodustavat toimet, takistades katalüsaatoriosakeste aglomeratsiooni ja parandades fenooli ning vesinikperoksiidi ligipääsu katalüsaatori aktiivsetele tsentritele.
Ultraheliga toetatud protsessi tõhususe kahekordne kasv võrreldes vaikse oksüdatsiooniprotsessiga omistati katalüsaatori paranenud katalüütilisele käitumisele ning oksüdeerivate liikide, nagu •OH, •HO2 ja •I₂ teke vesiniksidemete lõhustumise ja radikaalide rekombinatsiooni kaudu.
Seadme soovitus:
UP400S
Viide/ uurimistöö:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Fenooli ultraheliga toetatud heterogeenne rutheeniumkatalüüsitud märgperoksiidne oksüdeerimine. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

PLA-ga kaetud Ag/ZnO osakesed

Ultraheli rakendus:
Ag/ZnO osakeste PLA-kate: PLA-ga kaetud Ag/ZnO mikro- ja submikroosakesed valmistati õli-vees emulsiooni lahusti aurustamise meetodil. Meetodit rakendati järgmiselt. Esiteks lahustati 400 mg polümeeri 4 ml kloroformis. Polümeeri saadud kontsentratsioon kloroformis oli 100 mg/ml. Teiseks emulgeeriti polümeerilahus erinevate pindaktiivsete ainete süsteemide vesilahuses (emulgaator PVA 8-88) pideva segamise all homogenisaatoriga segamiskiirusel 24 000 rpm. Segu segati 5 min. ja selle aja jooksul jahutati tekkivat emulsiooni jääga. Pindaktiivse aine vesilahuse ja PLA kloroformilahuse suhe oli kõigis katsetes sama (4:1). Seejärel töödeldi saadud emulsiooni ultraheliga sondtüüpi ultraheliseadmega UP400S (400W, 24kHz) 5 min. tsüklil 0,5 ja amplituudil 35%. Lõpuks viidi valmistatud emulsioon Erlenmeyeri kolbi, segati ning orgaaniline lahusti aurustati emulsioonist alandatud rõhul, mis viib lõpuks osakeste suspensiooni tekkeni. Pärast lahusti eemaldamist tsentrifuugiti suspensiooni kolm korda emulgaatori eemaldamiseks.
Seadme soovitus:
UP400S
Viide / uurimistöö:
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.

Polüaniliini komposiit

Ultraheli rakendus:
Vesipõhise isedopeeritud nanopolüaniliini (SPAni) komposiidi (Sc-WB) valmistamine
Vesipõhise SPAni komposiidi valmistamiseks lahjendati 0,3 gr SPAni-t, mis oli sünteesitud in situ polümerisatsiooniga ScCO2 keskkonnas, veega ja töödeldi 2 minutit ultraheli homogenisaatoriga UIP1000hd (1000W). Seejärel homogeniseeriti suspensioonprodukti 15 min jooksul, lisades 125 gr vesipõhist kõvendi maatriksit, ja lõplik ultraheli töötlus viidi läbi ümbritseval temperatuuril 5 min.
Seadme soovitus:
UIP1000hd
Viide / uurimistöö:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): ScCO2 sünteesitud isedopeeritud nanopolüaniliini sisaldava veepõhise epoksükatte kaitsev toime. 2013.

Polütsüklilised aromaatsed süsivesinikud: naftaleeni, atsenaftüleeni ja fenantreeni sonokeemiline lagundamine

Ultraheli rakendus:
Polütsükliliste aromaatsete süsivesinike (PAH) naftaleeni, atsenaftüleeni ja fenantreeni sonokeemiliseks lagundamiseks vees töödeldi proovisegusid ultrahelega temperatuuril 20◦C ja 50 µg/l iga sihtmärk-PAH-i kohta (150 µg/l algse kogukontsentratsioonina). Ultraheli töötlus teostati sarvtüüpi sonikaatoriga UP400S (400W, 24kHz), mis suudab töötada kas pidevrežiimis või impulssrežiimis. Sonikaator UP400S oli varustatud titaanist sondiga H7, mille otsa läbimõõt oli 7 mm. Reaktsioonid viidi läbi 200 mL silindrilises klaasist reaktsiooninõus, mille peale oli paigaldatud titaanist sarv ning mis oli suletud O-rõngaste ja Teflon-klapi abil. Reaktsiooninõu asetati veevanni, et kontrollida protsessi temperatuuri. Fotokeemiliste reaktsioonide vältimiseks kaeti nõu alumiiniumfooliumiga.
Analüüsitulemused näitasid, et PAH-ide konversioon suureneb ultraheli töötluse kestuse pikenedes.
Naftaleeni puhul suurenes ultraheliga toetatud konversioon (ultraheli võimsus seatud 150W-le) 77,6%-st, mis saavutati 30 min. ultraheli töötluse järel, 84,4%-ni 60 min. ultraheli töötluse järel.
Atsenaftüleeni puhul suurenes ultraheliga toetatud konversioon (ultraheli võimsus seatud 150W-le) 77,6%-st, mis saavutati 30 min. ultraheli töötluse järel 150W ultraheli võimsusega, 84,4%-ni 60 min. ultraheli töötluse järel 150W ultraheliga, suurenes 80,7%-st, mis saavutati 30 min. ultraheli töötluse järel 150W ultraheli võimsusega, 96,6%-ni 60 min. ultraheli töötluse järel.
Fenantreeni puhul suurenes ultraheliga toetatud konversioon (ultraheli võimsus seatud 150W-le) 73,8%-st, mis saavutati 30 min. ultraheli töötluse järel, 83,0%-ni 60 min. ultraheli töötluse järel.
Lagundamise tõhususe suurendamiseks saab vesinikperoksiidi kasutada tõhusamalt, kui lisada raud(II)ioone. Raud(II)ioonide lisamisel on näidatud sünergilisi toimeid, mis jäljendavad Fentoni-sarnast reaktsiooni.
Soovitatav seade:
UP400S koos H7-ga
Viide / uurimistöö:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Polütsükliliste aromaatsete süsivesinike lagundamine vesilahustes ultraheliga kiiritamise teel. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Oksiidikihi eemaldamine aluspindadelt

Ultraheli kasutus:
Aluspinna ettevalmistamiseks enne CuO nanojuhtmete kasvatamist Cu aluspindadel eemaldati Cu pinna loomulik oksiidikiht, töödeldes proovi 0,7 M vesinikkloriidhappes 2 min. ultraheliga Hielscheri sonikaatoriga UP200S. Proovi puhastati ultraheliga atsetoonis 5 min., et eemaldada orgaanilised saasteained, loputati põhjalikult deioniseeritud (DI) veega ja kuivatati suruõhus.
Soovitatav seade:
UP200S või UP200St
Viide / uurimistöö:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): CuO nanojuhtmete gaasitundlikkuse omaduste moduleerimine diskreetsete nanomõõtmeliste p−n siirete loomise kaudu nende pindadel. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192−4199.

Voltammeetria katsed

Ultraheli kasutus:
Ultraheliga tõhustatud voltammeetria katsetes kasutati Hielscheri 200-vatist sonikaatorit UP200S, mis oli varustatud klaassarvega (13 mm läbimõõduga ots). Ultraheli rakendati intensiivsusega 8 W/cm^–2.
Nanoosakeste aeglase difusioonikiiruse tõttu vesilahustes ja nanoosakese kohta suure redokstsentrite arvu tõttu domineerivad nanoosakeste otsesel lahusefaasi voltammeetrial adsorptsiooniefektid. Selleks et tuvastada nanoosakesi ilma adsorptsioonist tingitud akumulatsioonita, tuleb valida katsemeetod, milles on (i) piisavalt kõrge nanoosakeste kontsentratsioon, (ii) väikesed elektroodid signaali ja tausta suhte parandamiseks või (iii) väga kiire massiülekanne.
Seetõttu kasutasid McKenzie et al. (2012) võimsat ultraheli, et oluliselt parandada nanoosakeste massiülekande kiirust elektroodi pinna suunas. Nende katseseadistuses on elektrood otseselt kokku puutunud suure intensiivsusega ultrahelile, elektroodi ja sonotroodi vaheline kaugus on 5 mm ning 8 W/cm^–2 sonikeerimise intensiivsus, mis põhjustab segunemist ja kavitatsioonilist puhastust. Nendes tingimustes saavutatud massiülekande kiiruse kalibreerimiseks kasutati testredokssüsteemi, milleks oli Ru(NH3)₆³⁺ ühe-elektrooniline redutseerumine 0,1 M KCl vesilahuses.
Seadme soovitus:
UP200S või UP200St
Viide / uurimistöö:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Nanoosakeste Fe2O3 otsene elektrokeemia vesilahuses ja adsorbeerub tina-dopeeritud indiumoksiidile. Puhas rakenduskeemia, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Sonikaatorid sonokeemilisteks reaktsioonideks laborist tööstusliku mastaabini

Hielscher pakub ultraheli töötlusseadmete täisvalikut käeshoitavast laboratoorsest homogenisaatorist kuni täismahus tööstuslike sonikaatoriteni suure mahuga vooludeks. Kõiki väikeses mastaabis ultraheliprotsessi katsetamise, teadus- ja arendustegevuse ning optimeerimise käigus saavutatud tulemusi saab >lineaarselt suurendada täielikuks kommertstoomiseks. Hielscher sonikaatorid on töökindlad, vastupidavad ja ehitatud 24/7 töötamiseks.
Küsige meilt, kuidas oma protsessi hinnata, optimeerida ja suurendada! Abistame teid hea meelega kõigil etappidel – esimestest katsetest ja protsessi optimeerimisest kuni paigaldamiseni teie tööstuslikku tootmisliini!