Sonokemia: sovellusohjeita

Sonokemia tarkoittaa ultraäänikavitaation vaikutusta kemiallisiin järjestelmiin. Kavitaation ”kuumassa pisteessä” vallitsevien äärimmäisten olosuhteiden ansiosta tehoultraääni on erittäin tehokas menetelmä kemiallisen reaktion tuloksen (suurempi saanto, parempi laatu), konversion ja keston parantamiseen. Jotkin kemialliset muutokset, kuten titaanin tai alumiinin nanokokoinen tinapinnoitus, voidaan saavuttaa vain ultraäänikäsittelyllä.

Alla on valikoima hiukkasia ja nesteitä sekä suosituksia materiaalin käsittelyyn, kun hiukkasia halutaan jauhaa, dispergoida, deagglomeroida tai muokata ultraäänihomogenisaattorilla.

Alla on joitakin ultraäänikäsittelyprotokollia onnistuneisiin sonokemiallisiin reaktioihin!

Aakkosjärjestyksessä:

α-epoksiketonit – renkaanavautumisreaktio

Ultraäänisovellus:
α-epoksiketonien katalyyttinen renkaan avautuminen toteutettiin yhdistämällä ultraääni ja fotokemialliset menetelmät. Fotokatalyyttinä käytettiin 1-bentsyyli-2,4,6-trifenyylipyridiniumtetrafluoroboraattia (NBTPT). Epoksidirengas saatiin avautumaan yhdistämällä näiden yhdisteiden ultraäänikäsittely (sonokemia) ja fotokemia NBTPT:n läsnä ollessa. Ultraäänen käytön osoitettiin nopeuttavan valon indusoimaa reaktiota merkittävästi. Ultraääni voi vaikuttaa huomattavasti α-epoksiketonien fotokatalyyttiseen renkaan avautumiseen pääasiassa lähtöaineiden tehokkaan aineensiirron ja NBTPT:n viritystilan vuoksi. Myös elektroninsiirto aktiivisten lajien välillä tapahtuu tässä homogeenisessa järjestelmässä ultraäänikäsittelyä käytettäessä
nopeammin kuin ilman ultraäänikäsittelyä. Menetelmän etuja ovat suuremmat saannot ja lyhyemmät reaktioajat.

α-epoksiketonien ultraääniavusteinen fotokatalyyttinen renkaan avautuminen (tutkimus ja kuva: ©Memarian et al 2007)

Ultraäänikäsittelyprotokolla:
α-epoksiketonit 1a-f ja 1-bentsyyli-2,4,6-trifenyylipyridiniumtetrafluoroboraatti 2 valmistettiin raportoitujen menetelmien mukaisesti. Metanoli ostettiin Merckiltä ja tislattiin ennen käyttöä. Ultraäänilaitteena käytettiin Hielscher Ultrasonics GmbH:n anturityyppistä ultraäänilaitetta UP400S. Käytössä oli upotettava ultraäänitorvi S3 (tunnetaan myös anturina tai sonotrodina), joka tuottaa 24 kHz:n ultraääntä säädettävillä intensiteeteillä enimmäisäänitehotiheyteen 460 Wcm^-2 asti. Ultraäänikäsittely suoritettiin 100 %:n asetuksella (enimmäisamplitudi 210 μm). S3-sonotrodi (enimmäisupotussyvyys 90 mm) upotettiin suoraan reaktioseokseen. UV-säteilytykset tehtiin Narvan 400 W:n suurpaine-elohopealampulla, ja näytteitä jäähdytettiin Duran-lasissa. Fototuoteseoksen ¹H-NMR-spektrit mitattiin CDCl₃ -liuoksissa, jotka sisälsivät sisäisenä standardina tetrametyylisilaania (TMS), Bruker drx-500 -laitteella (500 MHz). Preparatiivinen kerroskromatografia (PLC) suoritettiin 20 × 20 cm² -levyillä, jotka oli päällystetty 1 mm:n kerroksella Merckin silikageeliä PF₂₅₄ . Levyt valmistettiin levittämällä silikageeli lietteenä ja kuivaamalla ilmassa. Kaikki tuotteet ovat tunnettuja, ja niiden spektritiedot on raportoitu aiemmin.
Laitesuositus:
UP400S S3-ultraäänitorvella
Viite / tutkimusjulkaisu:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): α-epoksiketonien fotosonokemiallinen katalyyttinen renkaan avautuminen. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Alumiini-nikkelikatalyytti: Al/Ni-seoksen nanorakenteistaminen

Ultraäänisovellus:
Al/Ni-hiukkasia voidaan muokata sonokemiallisesti nanorakenteistamalla alkuperäinen Al/Ni-seos. Näin tuotetaan tehokas katalyytti asetofenonin hydraukseen.
Al/Ni-katalyytin valmistus ultraäänellä:
5 g kaupallista Al/Ni-seosta dispergoitiin puhdistettuun veteen (50 mL) ja käsiteltiin ultraäänellä enintään 50 min käyttäen anturityyppistä ultraäänilaitetta UIP1000hd (1 kW, 20 kHz), joka oli varustettu ultraäänitorvella BS2d22 (kärjen pinta-ala 3,8 cm²) ja B2-1.8-vahvistimella. Enimmäisintensiteetiksi laskettiin 140 Wcm⁻² mekaanisen amplitudin ollessa 106 μm. Lämpötilan nousun välttämiseksi ultraäänikäsittelyn aikana koe tehtiin termostoidussa kennossa. Ultraäänikäsittelyn jälkeen näyte kuivattiin tyhjiössä kuumailmapuhaltimella.
Laitesuositus:
UIP1000hd varustettuna sonotrodilla BS2d22 ja vahvistintorvella B2–1,2
Viite / tutkimusjulkaisu:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Al/Ni-hydrauskatalyytin sonokemiallinen aktivointi. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Biodieselin transesteröinti MgO-katalyytillä

Ultraäänisovellus:
Transesteröintireaktiota tutkittiin jatkuvassa ultraäänisekoituksessa ultraäänilaitteella UP200S vaihdellen parametreja, kuten katalyytin määrää, metanolin ja öljyn moolisuhdetta, reaktiolämpötilaa ja reaktion kestoa. Panoskokeet tehtiin kovasta lasista valmistetussa reaktorissa (300 ml, sisähalkaisija 7 cm), jossa oli kaksikaulainen hioksellinen kansi. Yhteen kaulaan liitettiin ultraääniprosessorin UP200S (200 W, 24 kHz) titaaninen sonotrodi S7 (kärjen halkaisija 7 mm). Ultraäänen amplitudiksi asetettiin 50 % ja jaksotukseksi 1 sykli sekunnissa. Reaktioseosta käsiteltiin ultraäänellä koko reaktion ajan. Reaktorikammion toiseen kaulaan asennettiin mittatilaustyönä valmistettu vesijäähdytteinen ruostumattomasta teräksestä tehty lauhdutin höyrystyneen metanolin palautusjäähdytystä varten. Koko laitteisto sijoitettiin vakiolämpöiseen öljyhauteeseen, jota ohjattiin proportionaalisella, integroivalla ja derivoivalla lämpötilansäätimellä. Lämpötila voidaan nostaa 65 °C:seen asti tarkkuudella ±1 °C. Biodieselin transesteröinnin materiaaleina käytettiin jäteöljyä ja puhtaudeltaan 99,9 %:n metanolia. Katalyyttinä käytettiin savusta kerrostettua nanokokoista MgO:ta (magnesiumnauha).
Erinomainen konversiotulos saatiin katalyytin määrällä 1,5 wt%; metanolin ja öljyn moolisuhteella 5:1 ja lämpötilassa 55 °C saavutettiin 98,7 %:n konversio 45 min:n jälkeen.
Laitesuositus:
UP200S S7-ultraäänisonotrodilla
Viite / tutkimusjulkaisu:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Tutkimuksia sonokemiallisesta biodieselin tuotannosta savusta kerrostetulla nano-MgO-katalyytillä. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89–96.

Kadmium(II)-tioasetamidinanokomposiitin synteesi

Ultraäänisovellus:
Kadmium(II)-tioasetamidinanokomposiitteja syntetisoitiin sonokemiallisella menetelmällä sekä polyvinyylialkoholin läsnä ollessa että ilman sitä. Sonokemiallista synteesiä (sonosynteesiä) varten 0,532 g kadmium(II)asetaattidihydraattia (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioasetamidia (TAA, CH3CSNH2) ja 0,664 g kaliumjodidia (KI) liuotettiin 20 mL:aan kahdesti tislattua deionisoitua vettä. Tätä liuosta käsiteltiin suuritehoisella anturityyppisellä ultraäänilaitteella UP400S (24 kHz, 400 W) huoneenlämmössä 1 h. Reaktioseoksen ultraäänikäsittelyn aikana lämpötila nousi arvoon 70–80 degC rauta–constantin-termoparilla mitattuna. Tunnin kuluttua muodostui kirkkaankeltainen saostuma. Se erotettiin sentrifugoimalla (4 000 rpm, 15 min), pestiin kahdesti tislatulla vedellä ja sen jälkeen absoluuttisella etanolilla jäljelle jääneiden epäpuhtauksien poistamiseksi ja lopuksi kuivattiin ilmassa (saanto: 0,915 g, 68 %). Hajoamispiste 200 °C. Polymeerinanokomposiitin valmistamiseksi 1,992 g polyvinyylialkoholia liuotettiin 20 mL:aan kahdesti tislattua deionisoitua vettä ja lisättiin sitten edellä mainittuun liuokseen. Tätä seosta käsiteltiin ultraäänianturilla UP400S 1 h, jolloin muodostui kirkkaanoranssi tuote.
SEM-tulokset osoittivat, että PVA:n läsnä ollessa hiukkasten koko pieneni noin 38 nm:stä 25 nm:iin. Tämän jälkeen syntetisoimme pallomaisia, kiderakenteeltaan heksagonaalisia CdS-nanohiukkasia hajottamalla termisesti polymeerinanokomposiittia, kadmium(II)-tioasetamidi/PVA:ta, esiasteena. CdS-nanohiukkasten koko mitattiin sekä XRD:llä että SEM:llä, ja tulokset vastasivat toisiaan erittäin hyvin.
Ranjbar et al. (2013) havaitsivat myös, että polymeerinen Cd(II)-nanokomposiitti on sopiva esiaste morfologialtaan kiinnostavien kadmiumsulfidinanohiukkasten valmistukseen. Kaikki tulokset osoittivat, että ultraäänisynteesiä voidaan käyttää onnistuneesti yksinkertaisena, tehokkaana, edullisena, ympäristöystävällisenä ja erittäin lupaavana menetelmänä nanomittakaavan materiaalien synteesiin ilman erityisolosuhteita, kuten korkeaa lämpötilaa, pitkiä reaktioaikoja tai korkeaa painetta.
Laitesuositus:
UP400S
Viite / tutkimusjulkaisu:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Kadmium-tioasetamidinanokomposiittien synteesi ja karakterisointi. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – pinnoitus steariinihapolla ultraäänen avulla

Ultraäänisovellus:
Nanosaostetun CaCO₃ -materiaalin (NPCC) ultraäänipinnoitus steariinihapolla sen dispergoitumisen parantamiseksi polymeerissä ja agglomeroitumisen vähentämiseksi. 2 g pinnoittamatonta nanosaostettua CaCO₃ -materiaalia (NPCC) on käsitelty ultraäänilaitteella UP400S 30 ml:ssa etanolia. Etanoliin on liuotettu 9 wt% steariinihappoa. Steariinihappoa sisältävä etanoli sekoitettiin sitten ultraäänikäsiteltyyn suspensioon.
Laitesuositus:
UP400S halkaisijaltaan 22 mm:n sonotrodilla (H22D) ja jäähdytysvaipallisella virtauskennolla
Viite / tutkimusjulkaisu:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Ultraäänen vaikutukset nanosaostetun CaCO3:n pinnoitukseen steariinihapolla. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Ceriumnitraatilla seostettu silaani

Ultraäänisovellus:
Metallisina alustoina käytettiin kylmävalssattuja hiiliteräslevyjä (6,5 cm, 6,5 cm, 0,3 cm; kemiallisesti puhdistettuja ja mekaanisesti kiillotettuja). Ennen pinnoittamista levyt puhdistettiin ultraäänellä asetonissa ja sen jälkeen emäksisellä liuoksella (0,3mol L1 NaOH-liuos) 60 °C:ssa 10 min. Pohjusteena käyttöä varten ennen alustan esikäsittelyä tavanomainen koostumus, joka sisälsi 50 osaa γ-glysidoksipropyylitrimetoksisilaania (γ-GPS), laimennettiin noin 950 osalla metanolia pH:ssa 4,5 (säädetty etikkahapolla), ja silaanin annettiin hydrolysoitua. Ceriumnitraattipigmenteillä seostetun silaanin valmistusmenettely oli sama, mutta metanoliliuokseen lisättiin 1, 2 tai 3 wt% ceriumnitraattia ennen (γ-GPS):n lisäämistä. Tämän jälkeen liuosta sekoitettiin potkurisekoittimella nopeudella 1 600 rpm 30 min huoneenlämmössä. Sitten ceriumnitraattia sisältäviä dispersioita käsiteltiin ultraäänellä 30 min 40 °C:ssa ulkoista jäähdytyshaudetta käyttäen. Ultraäänikäsittely suoritettiin ultraäänilaitteella UIP1000hd (1 000 W, 20 kHz) noin 1 W/mL:n ultraäänitehon syötöllä. Alustan esikäsittely tehtiin huuhtelemalla jokaista levyä 100 sec asianmukaisella silaaniliuoksella. Käsittelyn jälkeen levyjen annettiin kuivua huoneenlämmössä 24 h, minkä jälkeen esikäsitellyt levyt pinnoitettiin kaksikomponenttisella amiinikovetteisella epoksilla (Epon 828, shell Co.) siten, että märkäkalvon paksuudeksi saatiin 90 μm. Epoksipinnoitettujen levyjen annettiin kovettua 1 h 115 °C:ssa; epoksipinnoitteiden kovettumisen jälkeen kuivakalvon paksuus oli noin 60 μm.
Laitesuositus:
UIP1000hd
Viite / tutkimusjulkaisu:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Ceriumnitraattia sisältävien silaaniesikäsittelyjen sähkökemialliset vaikutukset epoksipinnoitetun teräksen katodiseen irtoamiseen. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Kupari-alumiinirungot: huokoisten Cu-Al-runkojen synteesi

Ultraäänisovellus:
Metallioksidilla stabiloitu huokoinen kupari–alumiini on lupaava uusi vaihtoehtoinen katalyytti propaanin dehydraukseen. Se ei sisällä jaloja tai vaarallisia metalleja. Hapettuneen huokoisen Cu–Al-seoksen (metallisienen) rakenne muistuttaa Raney-tyyppisiä metalleja. Suuritehoinen ultraääni on vihreän kemian työkalu metallioksidilla stabiloitujen huokoisten kupari-alumiinirunkojen synteesiin. Ne ovat edullisia (tuotantokustannus noin 3 EUR/litra), ja menetelmä voidaan helposti skaalata suurempaan mittakaavaan. Näiden uusien huokoisten materiaalien (eli ”metallisienten”) sisäosa on metalliseosta ja pinta hapettunut, ja ne voivat katalysoida propaanin dehydrausta alhaisissa lämpötiloissa.
Katalyytin ultraäänivalmistuksen menettely:
Viisi grammaa Al–Cu-seosjauhetta dispergoitiin ultrapuhtaaseen veteen (50 mL) ja käsiteltiin ultraäänellä 60 min Hielscherin anturityyppisellä ultraäänilaitteella UIP1000hd (20 kHz, enimmäislähtöteho 1 000 W). Anturityyppinen ultraäänilaite oli varustettu sonotrodilla BS2d22 (kärjen pinta-ala 3,8 cm²) ja B2–1,2-vahvistintorvella. Enimmäisintensiteetiksi laskettiin 57 W/cm² mekaanisen amplitudin ollessa 81 μm. Käsittelyn aikana näytettä jäähdytettiin jäähauteessa. Käsittelyn jälkeen näytettä kuivattiin 120 °C:ssa 24 h.
Laitesuositus:
UIP1000hd varustettuna sonotrodilla BS2d22 ja vahvistintorvella B2–1,2
Viite / tutkimusjulkaisu:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Uudet ja tehokkaat kupari–alumiinikatalyytit propaanin dehydraukseen. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Kupariftalosyaniinin hajotus

Ultraäänisovellus:
Metalliftalosyaniinien värinpoisto ja hajotus
Kupariftalosyaniinia käsitellään ultraäänellä veden ja orgaanisten liuottimien kanssa ympäristön lämpötilassa ja ilmanpaineessa katalyyttisen hapetinmäärän läsnä ollessa käyttäen 500 W:n UIP500hd-ultraäänilaitetta, jossa on fold-trough-kammio, tehon intensiteetillä 37–59 W/cm²: 5 mL näytettä (100 mg/L), 50 D/D vettä kloroformin ja pyridiinin kanssa ultraäänen amplitudin ollessa 60 %. Reaktiolämpötila: 20 °C.
Laitesuositus:
UIP500hd

Kulta: kultananohiukkasten morfologinen muokkaus

Ultraäänisovellus:
Kultananohiukkasten morfologiaa muokattiin voimakkaalla ultraäänikäsittelyllä. Kultananohiukkasten yhdistämiseen käsipainon kaltaiseksi rakenteeksi todettiin riittävän 20 min:n ultraäänikäsittely puhtaassa vedessä ja pinta-aktiivisten aineiden läsnä ollessa. 60 min:n ultraäänikäsittelyn jälkeen kultananohiukkaset saavat vedessä matomaisen tai rengasmaisen rakenteen. Natriumdodekyylisulfaatti- tai dodekyyliamiiniliuosten läsnä ollessa muodostettiin ultraäänellä yhteen sulautuneita, muodoltaan pallomaisia tai soikeita nanohiukkasia.
Ultraäänikäsittelyn protokolla:
Ultraäänimuokkausta varten kolloidista kultaliuosta, joka koostui ennalta muodostetuista sitraatilla suojatuista kultananohiukkasista, joiden keskimääräinen halkaisija oli 25 nm (± 7 nm), käsiteltiin ultraäänellä suljetussa reaktorikammiossa (tilavuus noin 50 mL). Kolloidista kultaliuosta (0,97 mmol·L^-1) käsiteltiin ultraäänellä suurella intensiteetillä (40 W/cm^-2) käyttäen Hielscherin ultraäänilaitetta UIP1000hdT (20 kHz, 1 000 W), joka oli varustettu titaaniseoksesta valmistetulla sonotrodilla BS2d18 (kärjen halkaisija 0,7 tuumaa). Sonotrodi upotettiin noin 2 cm käsiteltävän liuoksen pinnan alapuolelle. Kolloidiseen kultaan johdettiin argonia (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min ennen ultraäänikäsittelyä ja sen aikana tilavuusvirralla 200 mL·min^-1 liuoksen hapen poistamiseksi. Kustakin pinta-aktiivisen aineen liuoksesta otettu 35 mL:n annos, johon ei ollut lisätty trinatriumsitraattidihydraattia, yhdistettiin 15 mL:aan ennalta muodostettua kolloidista kultaa; argonkaasukuplitusta käytettiin 20 min ennen ultraäänikäsittelyä ja sen aikana.
Laitesuositus:
UIP1000hd varustettuna sonotrodilla BS2d18 ja virtauskennoreaktorilla
Viite / tutkimusjulkaisu:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ennalta muodostettujen kultananohiukkasten ultraääniavusteinen yhteensulautuminen. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Epäorgaaninen lannoite – Cu:n, Cd:n ja Pb:n liuotus analyysiä varten

Ultraäänisovellus:
Cu:n, Cd:n ja Pb:n uutto epäorgaanisista lannoitteista analyysiä varten:
Kuparin, lyijyn ja kadmiumin ultraääniuutossa lannoitteen ja liuottimen seosta sisältävät näytteet käsitellään ultraäänilaitteella, kuten epäsuoraan ultraäänikäsittelyyn tarkoitetulla VialTweeter-ultraäänilaitteella. Lannoitenäytteitä käsiteltiin ultraäänellä lasiputkissa, joihin oli lisätty 2 mL 50 %:n (v/v) HNO₃ -liuosta, 3 minuutin ajan. Cu, Cd ja Pb voidaan määrittää uutteista liekkiatomiabsorptiospektrometrialla (FAAS).
Laitesuositus:
VialTweeter
Viite / tutkimusjulkaisu:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Ultraääniavusteiseen uuttoon perustuva vaihtoehtoinen analyysimenetelmä metallien määritykseen epäorgaanisista lannoitteista. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Lateksin synteesi

Ultraäänisovellus:
P(St-BA)-lateksin valmistus
Poly(styreeni-r-butyyliakrylaatti)- eli P(St-BA)-lateksihiukkasia syntetisoitiin emulsiopolymeroinnilla pinta-aktiivisen aineen DBSA:n läsnä ollessa. Ensin 1 g DBSA:ta liuotettiin 100 mL:aan vettä kolmikaulaisessa pullossa, ja liuoksen pH säädettiin arvoon 2,0. Monomeeriseos, jossa oli 2,80 g St:tä ja 8,40 g BA:ta sekä initiaattori AIBN (0,168 g), kaadettiin DBSA-liuokseen. O/W-emulsio valmistettiin sekoittamalla magneettisekoittimella 1 h ja käsittelemällä sitten ultraäänitorvella (anturilla / sonotrodilla) varustetulla ultraäänilaitteella UIP1000hd vielä 30 min jäähauteessa. Lopuksi polymerointi suoritettiin lämpötilassa 90 degC öljyhauteessa 2 h typpiatmosfäärissä.
Laitesuositus:
UIP1000hd
Viite / tutkimusjulkaisu:
Yhdisteestä poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) johdettujen taipuisien johtavien kalvojen valmistus kuitukangasalustalle. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Lue lisää lateksin sonosynteesistä napsauttamalla tästä!

Lyijyn poisto (ultraääniliuotus)

Ultraäänisovellus:
Lyijyn ultraääniliuotus saastuneesta maaperästä:
Ultraääniliuotuskokeet suoritettiin ultraäänihomogenisaattorilla UP400S, jossa oli titaaninen ultraäänianturi (halkaisija 14 mm) ja joka toimii 20 kHz:n taajuudella. Ultraäänianturi (sonotrodi) kalibroitiin kalorimetrisesti, ja ultraäänen intensiteetiksi asetettiin 51 ± 0,4 W cm^-2 kaikissa ultraääniliuotuskokeissa. Ultraääniliuotuskokeet termostoitiin tasapohjaisessa vaipallisessa lasikennossa lämpötilaan 25 ± 1 °C. Maaperän liuotusliuoksina (0,1 L) ultraäänikäsittelyssä käytettiin kolmea järjestelmää: 6 mL etikkahappoliuosta, jonka pitoisuus oli 0,3 mol L^-2 (pH 3,24), 3 %:n (v/v) typpihappoliuosta (pH 0,17) sekä etikkahappo-asetaattipuskuria (pH 4,79), joka valmistettiin sekoittamalla 60 mL etikkahappoliuosta, jonka pitoisuus oli 0,3 mol L^-1 , ja 19 mL NaOH-liuosta, jonka pitoisuus oli 0,5 mol L^-1 . Ultraääniliuotuksen jälkeen näytteet suodatettiin suodatinpaperilla liuotusliuoksen erottamiseksi maaperästä. Tämän jälkeen lyijy erotettiin liuotusliuoksesta sähkösaostamalla ja maaperä hajotettiin ultraäänikäsittelyn jälkeen.
Ultraäänen on osoitettu olevan arvokas työkalu lyijyn liuotuksen tehostamiseen saastuneesta maaperästä. Ultraääni on myös tehokas menetelmä liuotettavissa olevan lyijyn lähes täydelliseen poistamiseen maaperästä, jolloin maaperä on huomattavasti vähemmän vaarallista.
Laitesuositus:
UP400S H14-sonotrodilla
Viite / tutkimusjulkaisu:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultraääniliuotuksen ja sähkökemiallisen käsittelyn yhdistäminen lyijyn poistamiseen maaperästä. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – lyijysulfidinanohiukkasten synteesi

Ultraäänisovellus:
Huoneenlämmössä 0,151 g lyijyasetaattia (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) ja 0,03 g TAA:ta (CH₃CSNH₂) lisättiin 5 mL:aan ioninestettä [EMIM] [EtSO₄] ja 15 mL:aan kahdesti tislattua vettä 50 mL:n dekantterilasissa, ja seosta käsiteltiin Hielscher UP200S -ultraäänilaitteella 7 min. Ultraäänianturin / S1-sonotrodin kärki upotettiin suoraan reaktioliuokseen. Muodostunut tummanruskea suspensio sentrifugoitiin saostuman erottamiseksi ja pestiin kahdesti kahdesti tislatulla vedellä ja etanolilla reagoimattomien reagenssien poistamiseksi. Ultraäänen vaikutusta tuotteiden ominaisuuksiin tutkittiin valmistamalla vielä yksi vertailunäyte, jonka reaktioparametrit pidettiin samoina lukuun ottamatta sitä, että tuote valmistettiin jatkuvasti sekoittaen 24 h ilman ultraäänikäsittelyä.
PbS-nanohiukkasten valmistukseen ehdotettiin ultraääniavusteista synteesiä vesipitoisessa ioninesteessä huoneenlämmössä. Tämä huoneenlämmössä toimiva, ympäristölle harmiton vihreä menetelmä on nopea eikä tarvitse mallinetta, mikä lyhentää synteesiaikaa huomattavasti ja välttää monimutkaiset synteesimenettelyt. Näin valmistetuissa nanoklustereissa havaitaan valtava 3,86 eV:n sinisiirtymä, joka voidaan selittää hiukkasten erittäin pienellä koolla ja kvanttirajoittumisilmiöllä.
Laitesuositus:
UP200S
Viite / tutkimusjulkaisu:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): PbS-nanohiukkasten helppo valmistus huoneenlämmössä ja karakterisointi vesipitoisessa [EMIM][EtSO4] -ioninesteessä ultraäänikäsittelyn avulla. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Fenolin hajotus

Ultraäänisovellus:
Rokhina et al. (2013) käyttivät peretikkahapon (PAA) ja heterogeenisen katalyytin (MnO₂) yhdistelmää fenolin hajottamiseen vesiliuoksessa ultraäänikäsittelyssä. Ultraäänikäsittely suoritettiin 400 W:n anturityyppisellä UP400S-ultraäänilaitteella, joka voi toimia joko jatkuvasti tai pulssitilassa (eli 4 s päällä ja 2 s pois päältä) kiinteällä 24 kHz:n taajuudella. Järjestelmään siirtyväksi kokonaistehoksi, tehotiheydeksi ja tehon intensiteetiksi laskettiin vastaavasti 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3 ja 14,3 W/cm^-2. Sama teho pidettiin käytössä kaikissa kokeissa. Reaktorin sisäistä lämpötilaa säädettiin upotettavalla kiertotermostaatilla. Varsinainen ultraäänikäsittelyaika oli 4 h, vaikka todellinen reaktioaika oli 6 h pulssitilassa toimimisen vuoksi. Tyypillisessä kokeessa lasireaktoriin lisättiin 100 mL fenoliliuosta (1,05 mM) sekä sopivat annokset MnO2-katalyyttiä ja PAA:ta (2 %), joiden pitoisuudet vaihtelivat vastaavasti välillä 0–2 g L^-1 ja 0–150 ppm. Kaikki reaktiot tehtiin lähellä neutraalia olevassa pH:ssa, ilmanpaineessa ja huoneenlämmössä (22 ± 1 °C).
Ultraäänikäsittely kasvatti katalyytin pinta-alan 4-kertaiseksi ilman muutoksia rakenteellisissa piirteissä. Vaihtoluvut (TOF) kasvoivat arvosta 7 x 10^-3 arvoon 12,2 x 10^-3 min^-1 verrattuna prosessiin ilman ultraääntä. Lisäksi katalyytin merkittävää liukenemista ei havaittu. Fenolin isoterminen hapetus suhteellisen pienillä reagenssipitoisuuksilla osoitti suuria fenolin poistumaosuuksia (jopa 89 %) miedoissa olosuhteissa. Yleisesti ultraääni nopeutti hapetusprosessia ensimmäisten 60 minuutin aikana (fenolin poistuma 70 % verrattuna 40 %:iin käsittelyssä ilman ultraääntä).
Laitesuositus:
UP400S
Viite / tutkimusjulkaisu:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultraääniavusteinen MnO₂ -katalysoitu peretikkahapon homolyysi fenolin hajottamiseksi: prosessikemian ja kinetiikan arviointi. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenoli: fenolin hapetus RuI₃ -katalyytillä

Ultraäänisovellus:
Fenolin heterogeeninen hapetus vesiliuoksessa RuI₃ -katalyytillä vetyperoksidin (H₂O₂) avulla: fenolin (100 ppm) katalyyttistä hapetusta RuI₃ -katalyytillä tutkittiin 100 mL:n lasireaktorissa, jossa oli magneettisekoitin ja lämpötilansäädin. Reaktioseosta sekoitettiin nopeudella 800 rpm 1–6 tuntia täydellisen sekoittumisen sekä katalyyttihiukkasten tasaisen jakautumisen ja täydellisen suspendoitumisen varmistamiseksi. Liuosta ei sekoitettu mekaanisesti ultraäänikäsittelyn aikana, koska kavitaatiokuplien värähtely ja luhistuminen aiheuttavat häiriöliikettä, joka itsessään sekoittaa erittäin tehokkaasti. Liuoksen ultraäänikäsittely suoritettiin ultraäänivarustuksella varustetulla ultraäänimuuntimella UP400S (niin sanottu anturityyppinen ultraäänilaite), joka voi toimia joko jatkuvasti tai pulssitilassa kiinteällä 24 kHz:n taajuudella ja 400 W:n enimmäislähtöteholla.
Koetta varten käsittelemätöntä RuI₃ -katalyyttiä (0,5–2 gL^-1) lisättiin suspensiona reaktioväliaineeseen, minkä jälkeen lisättiin H2O2:ta (30 %, pitoisuusalue 200–1 200 ppm).
Rokhina et al. havaitsivat tutkimuksessaan, että ultraäänikäsittelyllä oli merkittävä rooli katalyytin tekstuuriominaisuuksien muokkaamisessa: katalyyttihiukkasten fragmentoituminen tuotti mikrohuokoisen rakenteen, jonka pinta-ala oli suurempi. Lisäksi käsittely edisti prosessia estämällä katalyyttihiukkasten agglomeroitumista ja parantamalla fenolin ja vetyperoksidin pääsyä katalyytin aktiivisille kohdille.
Ultraääniavusteisen prosessin kaksinkertainen tehokkuus verrattuna hapetusprosessiin ilman ultraääntä selitettiin katalyytin parantuneella katalyyttisellä toiminnalla sekä sellaisten hapettavien lajien kuin •OH, •HO2 ja •I₂ muodostumisella vetysidosten katkeamisen ja radikaalien rekombinaation kautta.
Laitesuositus:
UP400S
Viite / tutkimusjulkaisu:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ultraääniavusteinen heterogeeninen ruteniumkatalysoitu fenolin märkäperoksidihapetus. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162–170.

PLA:lla pinnoitetut Ag/ZnO-hiukkaset

Ultraäänisovellus:
Ag/ZnO-hiukkasten PLA-pinnoitus: PLA:lla pinnoitettuja Ag/ZnO-mikrohiukkasia ja submikronisia hiukkasia valmistettiin öljy-vedessä-emulsion liuotinhaihdutusmenetelmällä. Menetelmä toteutettiin seuraavasti. Ensin 400 mg polymeeriä liuotettiin 4 ml:aan kloroformia. Polymeerin pitoisuudeksi kloroformissa saatiin 100 mg/ml. Toiseksi polymeeriliuos emulgoitiin erilaisia pinta-aktiivisia ainejärjestelmiä sisältävään vesiliuokseen (emulgointiaine, PVA 8-88) sekoittamalla jatkuvasti homogenisaattorilla nopeudella 24 000 rpm. Seosta sekoitettiin 5 min, ja tänä aikana muodostuvaa emulsiota jäähdytettiin jäällä. Pinta-aktiivisen aineen vesiliuoksen ja PLA:n kloroformiliuoksen suhde oli sama kaikissa kokeissa (4:1). Tämän jälkeen saatua emulsiota käsiteltiin anturityyppisellä UP400S-ultraäänilaitteella (400 W, 24 kHz) 5 min jaksotusasetuksella 0,5 ja amplitudilla 35 %. Lopuksi valmistettu emulsio siirrettiin Erlenmeyer-pulloon ja sitä sekoitettiin. Orgaaninen liuotin haihdutettiin emulsiosta alennetussa paineessa, mikä lopulta johti hiukkassuspension muodostumiseen. Liuottimen poiston jälkeen suspensio sentrifugoitiin kolme kertaa emulgointiaineen poistamiseksi.
Laitesuositus:
UP400S
Viite / tutkimusjulkaisu:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Poly(L-maitohapolla) pinnoitetut mikroaaltosynteesillä valmistetut antibakteeriset hybridihiukkaset. Nanocon 2011.

Polyaniliinikomposiitti

Ultraäänisovellus:
Vesipohjaisen itsedoupatun nanopolyaniliinikomposiitin (SPAni) valmistus (Sc-WB)
Vesipohjaisen SPAni-komposiitin valmistamiseksi 0,3 gr materiaalia SPAni, joka oli syntetisoitu in situ -polymeroinnilla ScCO2-väliaineessa, laimennettiin vedellä ja käsiteltiin ultraäänellä 2 minuuttia 1 000 W:n ultraäänihomogenisaattorilla UIP1000hd. Tämän jälkeen suspensiotuotetta homogenoitiin 15 min lisäämällä 125 gr vesipohjaista kovetematriisia, ja lopullinen ultraäänikäsittely suoritettiin ympäristön lämpötilassa 5 min.
Laitesuositus:
UIP1000hd
Viite / tutkimusjulkaisu:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): ScCO2:ssa syntetisoitua itsedoupattua nanopolyaniliinia sisältävän vesipohjaisen epoksipinnoitteen suojauskyky. 2013.

Polysykliset aromaattiset hiilivedyt: naftaleenin, asenaftyleenin ja fenantreenin sonokemiallinen hajotus

Ultraäänisovellus:
Polysyklisten aromaattisten hiilivetyjen (PAH) naftaleenin, asenaftyleenin ja fenantreenin sonokemiallista hajotusta vedessä tutkittiin käsittelemällä näyteseoksia ultraäänellä 20 ◦C:ssa. Kunkin kohde-PAH-yhdisteen pitoisuus oli 50 µg/l (alkukokonaispitoisuus 150 µg/l). Ultraäänikäsittely tehtiin torvityyppisellä ultraäänilaitteella UP400S (400 W, 24 kHz), joka voi toimia joko jatkuvasti tai pulssitilassa. Ultraäänilaite UP400S oli varustettu titaanisella anturilla H7, jonka kärjen halkaisija oli 7 mm. Reaktiot tehtiin 200 mL:n lieriömäisessä lasisessa reaktioastiassa, jonka yläosaan asennettiin titaanitorvi. Astia tiivistettiin O-renkailla ja Teflon-venttiilillä. Reaktioastia sijoitettiin vesihauteeseen prosessilämpötilan säätämiseksi. Fotokemiallisten reaktioiden välttämiseksi astia peitettiin alumiinifoliolla.
Analyysitulokset osoittivat, että PAH-yhdisteiden konversio kasvaa ultraäänikäsittelyn keston pidentyessä.
Naftaleenin ultraääniavusteinen konversio (ultraäänitehoksi asetettu 150 W) kasvoi 30 min:n ultraäänikäsittelyllä saavutetusta 77,6 %:sta 84,4 %:iin 60 min:n ultraäänikäsittelyn jälkeen.
Asenaftyleenin ultraääniavusteinen konversio (ultraäänitehoksi asetettu 150 W) kasvoi 30 min:n ultraäänikäsittelyllä 150 W:n ultraääniteholla saavutetusta 77,6 %:sta 84,4 %:iin 60 min:n ultraäänikäsittelyn jälkeen 150 W:n ultraäänellä ja kasvoi 30 min:n ultraäänikäsittelyllä 150 W:n ultraääniteholla saavutetusta 80,7 %:sta 96,6 %:iin 60 min:n ultraäänikäsittelyn jälkeen.
Fenantreenin ultraääniavusteinen konversio (ultraäänitehoksi asetettu 150 W) kasvoi 30 min:n ultraäänikäsittelyllä saavutetusta 73,8 %:sta 83,0 %:iin 60 min:n ultraäänikäsittelyn jälkeen.
Hajotustehokkuuden parantamiseksi vetyperoksidia voidaan hyödyntää tehokkaammin lisäämällä rauta(II)-ioneja. Rauta(II)-ionien lisäämisellä on osoitettu olevan synergisiä vaikutuksia, jotka jäljittelevät Fenton-tyyppistä reaktiota.
Laitesuositus:
UP400S H7:llä
Viite / tutkimusjulkaisu:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Polysyklisten aromaattisten hiilivetyjen hajotus vesiliuoksissa ultraäänikäsittelyllä. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Oksidikerroksen poistaminen alustoilta

Ultraäänisovellus:
Alustan valmistamiseksi ennen CuO-nanolankojen kasvattamista Cu-alustoille kuparipinnan luontainen oksidikerros poistettiin käsittelemällä näytettä ultraäänellä 0,7 M:n suolahapossa 2 min Hielscher UP200S -laitteella. Näyte puhdistettiin ultraäänellä asetonissa 5 min orgaanisten epäpuhtauksien poistamiseksi, huuhdeltiin perusteellisesti deionisoidulla (DI) vedellä ja kuivattiin paineilmalla.
Laitesuositus:
UP200S tai UP200St
Viite / tutkimusjulkaisu:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): CuO-nanolankojen kaasuntunnistusominaisuuksien muokkaaminen luomalla niiden pinnoille erillisiä nanokokoisia p−n-liitoksia. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Voltammetriakokeet

Ultraäänisovellus:
Ultraäänellä tehostetuissa voltammetriakokeissa käytettiin Hielscherin 200 watin UP200S-ultraäänilaitetta, joka oli varustettu lasitorvella (kärjen halkaisija 13 mm). Ultraääntä käytettiin intensiteetillä 8 W/cm^–2.
Nanohiukkasten hitaan diffuusion vuoksi vesiliuoksissa sekä kunkin nanohiukkasen redox-keskusten suuren määrän vuoksi nanohiukkasten suorassa liuosfaasivoltammetriassa hallitsevat adsorptiovaikutukset. Nanohiukkasten havaitsemiseksi ilman adsorptiosta johtuvaa kertymistä on valittava koejärjestely, jossa käytetään (i) riittävän suurta nanohiukkaspitoisuutta, (ii) pieniä elektrodeja signaali-taustasuhteen parantamiseksi tai (iii) erittäin nopeaa aineensiirtoa.
Siksi McKenzie et al. (2012) käyttivät tehoultraääntä nopeuttaakseen huomattavasti nanohiukkasten aineensiirtoa kohti elektrodin pintaa. Heidän koejärjestelyssään elektrodi altistetaan suoraan suuritehoiselle ultraäänelle siten, että elektrodin ja torven välinen etäisyys on 5 mm ja ultraäänikäsittelyn intensiteetti on 8 W/cm^–2 , mikä saa aikaan sekoittumista ja kavitaatiopuhdistusta. Näissä olosuhteissa saavutetun aineensiirtonopeuden kalibrointiin käytettiin redox-testijärjestelmää, jossa Ru(NH3)₆³⁺ pelkistyy yhdellä elektronilla 0,1 M:n KCl-vesiliuoksessa.
Laitesuositus:
UP200S tai UP200St
Viite / tutkimusjulkaisu:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Nanohiukkasmaisen Fe2O3:n suora sähkökemia vesiliuoksessa ja tinalla seostettuun indiumoksidiin adsorboituneena. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Ultraäänilaitteet sonokemiallisiin reaktioihin laboratoriosta teollisuusmittakaavaan

Hielscher tarjoaa kattavan valikoiman ultraäänilaitteita kädessä pidettävästä laboratoriohomogenisaattorista aina suuriin tilavuusvirtoihin tarkoitettuihin täyden teollisuusmittakaavan ultraäänilaitteisiin. Kaikki pienessä mittakaavassa testauksen, tutkimuksen ja kehityksen sekä ultraääniprosessin optimoinnin aikana saavutetut tulokset voidaan >skaalata lineaarisesti täyteen kaupalliseen tuotantoon. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat luotettavia, kestäviä ja ne on rakennettu ympärivuorokautiseen käyttöön kaikkina viikonpäivinä (24/7).
Kysy meiltä, miten prosessiasi voidaan arvioida, optimoida ja skaalata! Autamme mielellämme kaikissa vaiheissa – ensimmäisistä testeistä ja prosessin optimoinnista aina asennukseen teolliselle tuotantolinjallesi!