סונוכימיה: הערות יישום

סונוכימיה היא השפעתה של קוויטציה אולטרסונית על מערכות כימיות. בשל התנאים הקיצוניים השוררים ב"נקודה החמה" של הקוויטציה, אולטרסאונד רב־עוצמה הוא שיטה יעילה מאוד לשיפור תוצאות התגובה (תפוקה גבוהה יותר, איכות טובה יותר), שיעור ההמרה ומשך התגובה הכימית. שינויים כימיים מסוימים ניתנים להשגה רק באמצעות סוניקציה, כגון ציפוי טיטניום או אלומיניום בבדיל בקנה מידה ננומטרי.

להלן מבחר חלקיקים ונוזלים, בצירוף המלצות לטיפול בחומר לצורך טחינה, פיזור, פירוק אגלומרטים או שינוי החלקיקים באמצעות הומוגנייזר אולטרסוני.

להלן כמה פרוטוקולי סוניקציה לתגובות סונוכימיות מוצלחות!

לפי סדר האלפבית באנגלית:

α-אפוקסיקטונים – תגובת פתיחת טבעת

יישום אולטרסוני:
פתיחת הטבעת הקטליטית של α-אפוקסיקטונים בוצעה באמצעות שילוב של אולטרסאונד ושיטות פוטוכימיות. 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate (NBTPT) שימש כפוטוקטליזטור. שילוב של סוניקציה (סונוכימיה) ופוטוכימיה של תרכובות אלה בנוכחות NBTPT הביא לפתיחת טבעת האפוקסיד. הודגם כי השימוש באולטרסאונד הגדיל משמעותית את קצב התגובה המושרית באור. אולטרסאונד יכול להשפיע במידה ניכרת על פתיחת הטבעת הפוטוקטליטית של α-אפוקסיקטונים, בעיקר בשל מעבר המסה היעיל של המגיבים והמצב המעורר של NBTPT. גם מעבר האלקטרונים בין הצורונים הפעילים במערכת הומוגנית זו בעת שימוש בסוניקציה מתרחש
מהר יותר מאשר במערכת ללא סוניקציה. תפוקות גבוהות יותר וזמני תגובה קצרים יותר הם יתרונותיה של שיטה זו.

פתיחת טבעת פוטוקטליטית של α-אפוקסיקטונים בסיוע אולטרסאונד (מחקר ותרשים: ©Memarian ועמיתיו 2007)

פרוטוקול סוניקציה:
α-אפוקסיקטונים 1a-f ו־1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate 2 הוכנו לפי ההליכים שדווחו. מתנול נרכש מ-Merck וזוקק לפני השימוש. המכשיר האולטרסוני ששימש בניסוי היה מכשיר אולטרסוני מסוג גשוש UP400S מתוצרת Hielscher Ultrasonics GmbH. נעשה שימוש בקרן טבילה אולטרסונית S3 (המוכרת גם כגשוש או כסונוטרודה), הפולטת אולטרסאונד בתדר 24 kHz ברמות עוצמה הניתנות לכוונון עד לצפיפות הספק אקוסטי מרבית של 460Wcm^-2 . הסוניקציה בוצעה ב-100% (אמפליטודה מרבית 210μm). הסונוטרודה S3 (עומק טבילה מרבי של 90mm) הוטבלה ישירות בתערובת התגובה. הקרנות UV בוצעו באמצעות מנורת כספית בלחץ גבוה בהספק 400W מתוצרת Narva, תוך קירור הדגימות בכלי זכוכית Duran. ספקטרומי ¹H NMR של תערובת התוצרים הפוטוכימיים נמדדו בתמיסות CDCl₃ המכילות טטראמתילסילאן (TMS) כתקן פנימי, במכשיר Bruker drx-500 (500 MHz). כרומטוגרפיית שכבה פרפרטיבית (PLC) בוצעה על לוחות בגודל 20 × 20cm² המצופים בשכבה בעובי 1mm של סיליקה ג'ל PF מתוצרת Merck, המסומן ₂₅₄ , שהוכנה באמצעות מריחת הסיליקה כתרחיף וייבוש באוויר. כל התוצרים מוכרים והנתונים הספקטרליים שלהם דווחו בעבר.
המלצה למכשיר:
UP400S עם קרן אולטרסונית S3
מקור/מאמר מחקר:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): פתיחת טבעת קטליטית פוטוסונוכימית של α-אפוקסיקטונים. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

זרז אלומיניום/ניקל: יצירת מבנה ננומטרי בסגסוגת Al/Ni

יישום אולטרסוני:
ניתן לשנות חלקיקי Al/Ni באופן סונוכימי באמצעות יצירת מבנה ננומטרי בסגסוגת Al/Ni ההתחלתית. כך נוצר זרז יעיל להידרוגנציה של אצטופנון.
הכנה אולטרסונית של זרז Al/Ni:
5g של סגסוגת Al/Ni המסחרית פוזרו במים מטוהרים (50mL) ועברו סוניקציה במשך עד 50 דקות באמצעות הסוניקטור מסוג גשוש UIP1000hd (1kW, 20kHz), המצויד בקרן האולטרסונית BS2d22 (שטח ראש של 3.8 cm²) ובמגבר B2-1.8. העוצמה המרבית חושבה כ-140 Wcm⁻² במשרעת מכנית של 106μm. כדי למנוע את עליית הטמפרטורה במהלך הסוניקציה, הניסוי בוצע בתא תרמוסטטי. לאחר הסוניקציה, הדגימה יובשה בוואקום באמצעות אקדח חום.
המלצה על מכשיר:
UIP1000hd עם סונוטרודה BS2d22 וקרן הגברה B2–1.2
מקור/מאמר מחקר:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): שפעול סונוכימי של זרז הידרוגנציה מסוג Al/Ni. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

טרנסאסטריפיקציה לייצור ביודיזל באמצעות זרז MgO

יישום אולטרסוני:
תגובת הטרנסאסטריפיקציה נחקרה תוך ערבוב אולטרסוני רציף באמצעות מכשיר הסוניקציה UP200S, עבור פרמטרים שונים כגון כמות הזרז, היחס המולרי בין מתנול לשמן, טמפרטורת התגובה ומשך התגובה. הניסויים המנתיים בוצעו בכור מזכוכית קשה (300 ml, קוטר פנימי של 7 cm) עם מכסה בעל שני צווארים וחיבורי זכוכית מושחזים. צוואר אחד חובר לסונוטרודה S7 מטיטניום (קוטר קצה של 7 mm) של המעבד האולטרסוני UP200S (200W, 24kHz). משרעת האולטרסאונד הוגדרה ל־50% עם מחזור 1 בשנייה. תערובת התגובה עברה סוניקציה לאורך כל זמן התגובה. בצוואר השני של תא הכור הותקן מעבה מותאם אישית מפלדת אל־חלד, מקורר במים, להחזרת המתנול שהתאדה ברפלוקס. המערכת כולה הוצבה באמבט שמן בטמפרטורה קבועה, שנשלט באמצעות בקר טמפרטורה יחסי־אינטגרלי־נגזרי. ניתן להעלות את הטמפרטורה עד 65°C בדיוק של ±1°C. שמן משומש ומתנול בדרגת טוהר של 99.9% שימשו כחומרי גלם לטרנסאסטריפיקציה לייצור ביודיזל. MgO בגודל ננומטרי שהושקע מעשן (סרט מגנזיום) שימש כזרז.
תוצאת המרה מצוינת התקבלה בכמות זרז של 1.5 wt%; ביחס מולרי של מתנול לשמן של 5:1 ובטמפרטורה של 55°C, הושגה המרה של 98.7% לאחר 45 min.
המלצה על מכשיר:
UP200S עם סונוטרודה אולטרסונית S7
מקור/מאמר מחקר:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): מחקרים על ייצור סונוכימי של ביודיזל באמצעות זרז MgO ננומטרי שהושקע מעשן. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

סינתזה של ננו־מרוכב קדמיום(II)–תיאואצטאמיד

יישום אולטרסוני:
חומרים ננו מרוכבים של קדמיום(II)–תיואצטאמיד סונתזו בנוכחות ובהיעדר פוליוויניל אלכוהול בשיטה סונוכימית. לצורך הסינתזה הסונוכימית (סונו סינתזה), הומסו 0.532 g של קדמיום(II) אצטט דיהידרט (Cd(CH3COO)2.2H2O),‏ 0.148 g של תיואצטאמיד (TAA, CH3CSNH2) ו-0.664 g של אשלגן יודי (KI) ב-20mL מים נטולי יונים שעברו זיקוק כפול. תמיסה זו עברה סוניקציה באמצעות מכשיר אולטרסוני רב עוצמה מסוג גשוש UP400S (24 kHz, 400W) בטמפרטורת החדר במשך 1 h. במהלך הסוניקציה של תערובת התגובה עלתה הטמפרטורה ל-70–80degC, כפי שנמדד באמצעות צמד תרמי ברזל–constantin. לאחר שעה נוצר משקע צהוב עז. הוא הופרד בצנטריפוגה (4,000 rpm, 15 min), נשטף במים שעברו זיקוק כפול ולאחר מכן באתנול מוחלט כדי להסיר שאריות זיהומים, ולבסוף יובש באוויר (ניצולת: 0.915 g, 68%). נקודת פירוק: 200°C. להכנת חומר ננו מרוכב פולימרי, הומסו 1.992 g של פוליוויניל אלכוהול ב-20 mL מים נטולי יונים שעברו זיקוק כפול, ולאחר מכן נוספו לתמיסה שלעיל. תערובת זו נחשפה לקרינה אולטרסונית באמצעות הגשוש האולטרסוני UP400S במשך 1 h, ובמהלכה נוצר תוצר כתום עז.
תוצאות SEM הראו שבנוכחות PVA קטנו גדלי החלקיקים מכ-38 nm ל-25 nm. לאחר מכן סינתזנו ננו חלקיקי CdS בעלי מבנה גבישי משושה ומורפולוגיה כדורית באמצעות פירוק תרמי של החומר הננו מרוכב הפולימרי קדמיום(II)–תיואצטאמיד/PVA, ששימש כחומר מוצא. גודל ננו חלקיקי CdS נמדד הן באמצעות XRD והן באמצעות SEM, והתוצאות היו בהתאמה טובה מאוד זו לזו.
Ranjbar ועמיתיו (2013) מצאו גם שהחומר הננו מרוכב הפולימרי של Cd(II) הוא חומר מוצא מתאים להכנת ננו חלקיקי קדמיום גופרתי בעלי מורפולוגיות מעניינות. כל התוצאות הראו שניתן להשתמש בהצלחה בסינתזה אולטרסונית כשיטה פשוטה, יעילה, זולה, ידידותית לסביבה ומבטיחה מאוד לסינתזה של חומרים בקנה מידה ננומטרי, ללא צורך בתנאים מיוחדים כגון טמפרטורה גבוהה, זמני תגובה ארוכים ולחץ גבוה.
המלצה על מכשיר:
UP400S
מקור/מאמר מחקר:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): סינתזה ואפיון של חומרים ננו מרוכבים של קדמיום–תיואצטאמיד. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – ציפוי אולטרסוני בחומצה סטארית

יישום אולטרסוני:
ציפוי אולטרסוני של חלקיקי CaCO₃ (NPCC) ששוקעו בגודל ננומטרי בחומצה סטארית, לשיפור פיזורם בפולימר ולהפחתת אגלומרציה. 2g של חלקיקי CaCO₃ (NPCC) ששוקעו בגודל ננומטרי, ללא ציפוי, עברו סוניקציה באמצעות מכשיר הסוניקציה UP400S ב-30ml אתנול. חומצה סטארית בכמות של 9 wt% הומסה באתנול. לאחר מכן עורבב האתנול המכיל חומצה סטארית עם התרחיף שעבר סוניקציה.
המלצה על מכשיר:
UP400S עם סונוטרודה בקוטר 22mm (H22D), ותא זרימה עם מעטפת קירור
מקור/מאמר מחקר:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): השפעות אולטרסאונד על ציפוי חלקיקי CaCO3 ששוקעו בגודל ננומטרי בחומצה סטארית. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

סילאן מסומם בצריום חנקתי

יישום אולטרסוני:
לוחות פלדת פחמן שעברו ערגול קר (6.5cm, 6.5cm, 0.3cm; נוקו כימית ולוטשו מכנית) שימשו כמצעים מתכתיים. לפני יישום הציפוי, הלוחות נוקו באולטרסאונד עם אצטון ולאחר מכן נוקו בתמיסה בסיסית (תמיסת NaOH בריכוז 0.3mol L1) בטמפרטורה של 60°C במשך 10 min. לשימוש כשכבת יסוד, לפני הטיפול המקדים במצע, תערובת טיפוסית שכללה 50 חלקים של γ-גליצידוקסיפרופילטרימתוקסיסילאן (γ-GPS) דוללה בכ־950 חלקים של מתנול, ב־pH 4.5 (שהותאם באמצעות חומצה אצטית), והושארה כדי לאפשר הידרוליזה של הסילאן. הליך ההכנה של סילאן מסומם בפיגמנטים של צריום חנקתי היה זהה, אלא שצריום חנקתי בכמויות של 1, 2, 3 wt% נוסף לתמיסת המתנול לפני הוספת (γ-GPS), ולאחר מכן התמיסה עורבבה במערבל מדחף במהירות של 1600 rpm במשך 30 min. בטמפרטורת החדר. לאחר מכן, הדיספרסיות שהכילו צריום חנקתי עברו סוניקציה במשך 30 min בטמפרטורה של 40°C עם אמבט קירור חיצוני. תהליך הסוניקציה בוצע באמצעות מכשיר הסוניקציה UIP1000hd (1000W, 20 kHz), עם הספק אולטרסוני נכנס של כ־1 W/mL. הטיפול המקדים במצע בוצע באמצעות שטיפת כל לוח במשך 100 sec. בתמיסת הסילאן המתאימה. לאחר הטיפול, הלוחות הושארו לייבוש בטמפרטורת החדר במשך 24 h, ולאחר מכן הלוחות שעברו טיפול מקדים צופו באפוקסי דו־רכיבי המוקשה באמצעות אמין (Epon 828, shell Co.), לקבלת שכבה רטובה בעובי 90μm. הלוחות המצופים באפוקסי הושארו להתקשות במשך 1h בטמפרטורה של 115°C; לאחר התקשות ציפויי האפוקסי, עובי השכבה היבשה היה כ־60μm.
המלצה על מכשיר:
UIP1000hd
מקור/מאמר מחקר:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): השפעות אלקטרוכימיות של טיפולים מקדימים בסילאן המכיל צריום חנקתי על תכונות ההיפרדות הקתודית של פלדה מצופה באפוקסי. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

שלדי נחושת–אלומיניום: סינתזה של שלדי Cu-Al נקבוביים

יישום אולטרסוני:
נחושת–אלומיניום נקבובית המיוצבת באמצעות תחמוצת מתכת היא זרז חלופי חדש ומבטיח לדהידרוגנציה של פרופאן, שאינו מכיל מתכות אצילות או מסוכנות. מבנה סגסוגת ה־Cu–Al הנקבובית המחומצנת (ספוג מתכתי) דומה לזה של מתכות מסוג Raney. אולטרסאונד בהספק גבוה הוא כלי של כימיה ירוקה לסינתזה של שלדי נחושת–אלומיניום נקבוביים המיוצבים באמצעות תחמוצת מתכת. הם זולים (עלות ייצור של כ־3 EUR/liter), וניתן להגדיל בקלות את קנה המידה של השיטה. לחומרים נקבוביים חדשים אלה (או ״ספוגים מתכתיים״) יש גוף מסגסוגת ופני שטח מחומצנים, והם יכולים לזרז דהידרוגנציה של פרופאן בטמפרטורות נמוכות.
הליך להכנת הזרז באולטרסאונד:
חמישה גרמים של אבקת סגסוגת Al–Cu פוזרו במים בדרגת טוהר גבוהה במיוחד (50mL) ועברו סוניקציה במשך 60 min באמצעות מכשיר הסוניקציה מסוג גשוש UIP1000hd של Hielscher (20kHz, הספק מוצא מרבי 1000W). המכשיר האולטרסוני מסוג גשוש צויד בסונוטרודה BS2d22 (שטח קצה 3.8cm²) ובקרן מגבירת משרעת B2–1.2. העוצמה המרבית חושבה כ־57 W/cm² במשרעת מכנית של 81μm. במהלך הטיפול הדגימה קוררה באמבט קרח. לאחר הטיפול, הדגימה יובשה בטמפרטורה של 120°C במשך 24 h.
המלצה על מכשיר:
UIP1000hd עם סונוטרודה BS2d22 וקרן מגבירת משרעת B2–1.2
מקור/מאמר מחקר:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): זרזי נחושת–אלומיניום חדשניים ויעילים לדהידרוגנציה של פרופאן. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

פירוק פתלוציאנין נחושת

יישום אולטרסוני:
הסרת צבע והרס של מתלופתלוציאנינים
פתלוציאנין נחושת עובר סוניקציה עם מים וממסים אורגניים בטמפרטורת הסביבה ובלחץ אטמוספרי, בנוכחות כמות קטליטית של מחמצן, באמצעות מכשיר הסוניקציה UIP500hd בהספק 500W עם תא fold-trough, ברמת הספק של 37–59 W/cm²: דגימה בנפח 5 mL (100 mg/L), 50 מים מסוג D/D עם כלורופורם ופירידין, ב־60% מהמשרעת האולטרסונית. טמפרטורת התגובה: 20°C.
המלצה למכשיר:
UIP500hd

זהב: שינוי מורפולוגי של ננו־חלקיקי זהב

יישום אולטרסוני:
המורפולוגיה של ננו־חלקיקי זהב שונתה באמצעות הקרנה אולטרסונית עזה. נמצא כי טיפול אולטרסוני במשך 20 min. במים טהורים ובנוכחות חומרים פעילי שטח מספיק לאיחוי ננו־חלקיקי זהב למבנה דמוי משקולת יד. לאחר 60 min. של סוניקציה, ננו־חלקיקי הזהב מקבלים במים מבנה דמוי תולעת או טבעת. ננו־חלקיקים מאוחים בעלי צורות כדוריות או סגלגלות נוצרו באמצעות אולטרסאונד בנוכחות תמיסות של נתרן דודציל סולפט או דודציל אמין.
פרוטוקול הטיפול האולטרסוני:
לצורך השינוי האולטרסוני, תמיסת הזהב הקולואידי, המכילה ננו־חלקיקי זהב שהוכנו מראש ומוגנים בציטראט, בקוטר ממוצע של 25nm (± 7nm), עברה סוניקציה בתא כור סגור (בנפח של כ־50mL). תמיסת הזהב הקולואידי (0.97 mmol·L^-1) הוקרנה באולטרסאונד בעוצמה גבוהה (40 W/cm^-2) באמצעות מכשיר אולטרסוני Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W) המצויד בסונוטרודה BS2d18 מסגסוגת טיטניום (קוטר קצה 0.7 inch), שהוטבלה כ־2 cm מתחת לפני התמיסה שעברה סוניקציה. ארגון הוזרם דרך הזהב הקולואידי (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) במשך 20 min. לפני הסוניקציה ובמהלכה, בספיקת זרימה של 200 mL·min^-1 כדי לסלק את החמצן מהתמיסה. מנה של 35-mL מכל תמיסת חומר פעיל שטח, ללא תוספת של טרינתּרן ציטראט דיהידראט, שולבה עם 15 mL של זהב קולואידי שהוכן מראש, תוך בעבוע גז ארגון במשך 20 min. לפני הטיפול האולטרסוני ובמהלכו.
המלצה למכשיר:
UIP1000hd עם סונוטרודה BS2d18 וכור תא זרימה
מקור/ מאמר מחקר:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): איחוי בסיוע אולטרסאונד של ננו־חלקיקי זהב שהוכנו מראש. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

דשן אי־אורגני – מיצוי בהמסה של Cu, Cd ו־Pb לצורך אנליזה

יישום אולטרסוני:
מיצוי Cu, Cd ו־Pb מדשנים אי־אורגניים לצורך אנליזה:
לצורך מיצוי אולטרסוני של נחושת, עופרת וקדמיום, דגימות המכילות תערובת של דשן וממס עוברות סוניקציה באמצעות מכשיר אולטרסוני כגון מכשיר הסוניקציה VialTweeter לסוניקציה עקיפה. דגימות הדשן עברו סוניקציה בנוכחות 2mL של תמיסת 50% (v/v) של HNO₃ במבחנות זכוכית במשך 3 דקות. ניתן לקבוע את תכולת ה־Cu, Cd ו־Pb במיצויים באמצעות ספקטרומטריית בליעה אטומית בלהבה (FAAS).
המלצה למכשיר:
VialTweeter
מקור/ מאמר מחקר:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): שיטה אנליטית חלופית לקביעת מתכות בדשנים אי־אורגניים המבוססת על מיצוי בסיוע אולטרסאונד. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

סינתזה של לטקס

יישום אולטרסוני:
הכנת לטקס P(St-BA)
חלקיקי לטקס של Poly(styrene-r-butyl acrylate), המסומן P(St-BA), סונתזו באמצעות פילמור באמולסיה בנוכחות חומר פעיל השטח DBSA. תחילה הומס 1 g של DBSA ב־100mL מים בבקבוק בעל שלושה צווארים, וערך ה־pH של התמיסה הותאם ל־2.0. תערובת מונומרים של 2.80g St ו־8.40g BA עם היוזם AIBN (0.168g) נמזגה לתמיסת ה־DBSA. אמולסיית השמן במים (O/W) הוכנה באמצעות ערבוב מגנטי במשך 1 h, ולאחריו סוניקציה במשך 30 min. נוספות באמבט קרח באמצעות מכשיר הסוניקציה UIP1000hd המצויד בקרן אולטרסונית (גשוש/ סונוטרודה). לבסוף בוצע הפילמור ב־90degC באמבט שמן במשך 2h באטמוספרת חנקן.
המלצה למכשיר:
UIP1000hd
מקור/ מאמר מחקר:
ייצור שכבות דקות גמישות ומוליכות שמקורן ב־poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) על מצע בד לא ארוג. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
לחצו כאן לקריאה נוספת על הסינתזה הסונוכימית של לטקס!

סילוק עופרת (מיצוי בסוניקציה)

יישום אולטרסוני:
מיצוי אולטרסוני של עופרת מקרקע מזוהמת:
ניסויי המיצוי האולטרסוני בוצעו באמצעות הומוגנייזר אולטרסוני UP400S עם גשוש אולטרסוני מטיטניום (בקוטר 14mm), הפועל בתדר של 20kHz. הגשוש האולטרסוני (סונוטרודה) כויל קלורימטרית, והעוצמה האולטרסונית נקבעה על 51 ± 0.4 W cm^-2 בכל ניסויי המיצוי בסוניקציה. הטמפרטורה בניסויי המיצוי בסוניקציה נשמרה על 25 ± 1°C באמצעות תא זכוכית בעל תחתית שטוחה ומעטפת לבקרת טמפרטורה. שלוש מערכות שימשו כתמיסות למיצוי הקרקע (0.1L) תחת סוניקציה: 6 mL של תמיסת חומצה אצטית בריכוז 0.3 mol L^-2 (pH 3.24), תמיסת חומצה חנקתית בריכוז 3% (v/v) ‏(pH 0.17) ובופר חומצה אצטית/אצטט (pH 4.79) שהוכן מערבוב 60mL 0f של חומצה אצטית בריכוז 0.3 mol L^-1 עם 19 mL של תמיסת NaOH בריכוז 0.5 mol L^-1 . לאחר תהליך המיצוי בסוניקציה סוננו הדגימות בנייר סינון כדי להפריד את תמיסת התשטיף מהקרקע, ולאחר מכן בוצעו שיקוע אלקטרוכימי של עופרת מתמיסת התשטיף ועיכול של הקרקע לאחר הפעלת האולטרסאונד.
אולטרסאונד הוכח ככלי רב ערך להגברת מיצוי העופרת מקרקע מזוהמת. אולטרסאונד הוא גם שיטה יעילה לסילוק כמעט מלא של העופרת הניתנת למיצוי מהקרקע, וכתוצאה מכך מתקבלת קרקע מסוכנת הרבה פחות.
מכשיר מומלץ:
UP400S עם סונוטרודה H14
מקור/מאמר מחקר:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): שילוב מיצוי אולטרסוני וטיפול אלקטרוכימי לסילוק עופרת מקרקע. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – סינתזה של ננו־חלקיקי עופרת גופרית

יישום אולטרסוני:
בטמפרטורת החדר נוספו 0.151 g של עופרת אצטט (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) ו־0.03 g של TAA (CH₃CSNH₂) ל־5mL של הנוזל היוני, [EMIM] [EtSO₄], ול־15mL של מים מזוקקים פעמיים בכוס כימית בנפח 50mL, שנחשפה לקרינה אולטרסונית באמצעות מכשיר הסוניקציה UP200S של Hielscher במשך 7 min. קצה הגשוש האולטרסוני/הסונוטרודה S1 הוטבל ישירות בתמיסת התגובה. התרחיף החום הכהה שנוצר עבר צנטריפוגה להפרדת המשקע, ונשטף פעמיים במים מזוקקים פעמיים ובאתנול, בהתאמה, כדי להסיר את המגיבים שלא הגיבו. כדי לחקור את השפעת האולטרסאונד על תכונות התוצרים הוכנה דגימת השוואה נוספת, תוך שמירה על פרמטרי התגובה קבועים, פרט לכך שהתוצר הוכן בערבוב רציף במשך 24 h ללא סיוע של קרינה אולטרסונית.
סינתזה בסיוע אולטרסאונד בנוזל יוני מימי בטמפרטורת החדר הוצעה להכנת ננו־חלקיקי PbS. שיטה ירוקה זו, המתבצעת בטמפרטורת החדר ואינה מזיקה לסביבה, היא מהירה ואינה מצריכה תבנית, דבר המקצר במידה ניכרת את זמן הסינתזה ומונע את הצורך בהליכי סינתזה מסובכים. צברי הננו כפי שהוכנו מציגים היסט עצום לכחול של 3.86 eV, שניתן לייחס לגודלם הקטן מאוד של החלקיקים ולאפקט הכליאה הקוונטית.
מכשיר מומלץ:
UP200S
מקור/מאמר מחקר:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): הכנה פשוטה ואפיון של ננו־חלקיקי PbS בטמפרטורת החדר בנוזל יוני מימי [EMIM][EtSO4] באמצעות קרינה אולטרסונית. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

פירוק פנול

יישום אולטרסוני:
Rokhina ועמיתיה (2013) השתמשו בשילוב של חומצה פראצטית (PAA) וזרז הטרוגני (MnO₂) לפירוק פנול בתמיסה מימית תחת קרינה אולטרסונית. הסוניקציה בוצעה באמצעות מכשיר אולטרסוני מסוג גשוש UP400S בהספק 400W, המסוגל לבצע סוניקציה ברציפות או במצב פעימות (כלומר, 4 שניות פעולה ו־2 שניות הפסקה) בתדר קבוע של 24 kHz. ההספק הכולל שהוזן, צפיפות ההספק ועוצמת ההספק שהתפזרו במערכת חושבו ונמצאו כ־20 W, ‏9.5×10^-2 W/cm^-3, ו־14.3 W/cm^-2, בהתאמה. ההספק הקבוע שימש לאורך כל הניסויים. יחידת סחרור טבולה שימשה לבקרת הטמפרטורה בתוך הכור. זמן הסוניקציה בפועל היה 4 h, אף שזמן התגובה הכולל היה 6 h בשל ההפעלה במצב פעימות. בניסוי טיפוסי, כור הזכוכית מולא ב־100mL של תמיסת פנול (1.05 mM) ובמינונים מתאימים של הזרז MnO2 ושל PAA (2%), בטווחים של 0–2 g L^-1 ו־0–150 ppm, בהתאמה. כל התגובות בוצעו ב־pH קרוב לניטרלי, בלחץ אטמוספרי ובטמפרטורת החדר (22 ± 1 °C).
הסוניקציה הגדילה את שטח הפנים של הזרז, כך שהתקבל שטח פנים גדול פי 4 ללא שינוי בהיבט המבני. תדירויות המחזור הקטליטי (TOF) עלו מ־7 x 10^-3 ל־12.2 x 10^-3 min^-1, בהשוואה לתהליך ללא סוניקציה. בנוסף, לא זוהתה שטיפה משמעותית של הזרז. החמצון האיזותרמי של פנול בריכוזים נמוכים יחסית של מגיבים הדגים שיעורי סילוק גבוהים של פנול (עד 89%) בתנאים מתונים. באופן כללי, האולטרסאונד האיץ את תהליך החמצון במהלך 60 min הראשונות (סילוק של 70% מהפנול לעומת 40% במהלך הטיפול ללא סוניקציה).
המלצה על מכשיר:
UP400S
מקור/מאמר מחקר:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): הומוליזה של חומצה פראצטית המזורזת באמצעות MnO₂ בסיוע אולטרסאונד לפירוק פנול: הערכת הכימיה והקינטיקה של התהליך. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

פנול: חמצון פנול באמצעות RuI₃ כזרז

יישום אולטרסוני:
חמצון הטרוגני של פנול בתווך מימי על גבי RuI₃ עם מי חמצן (H₂O₂): החמצון הקטליטי של פנול (100 ppm) על גבי RuI₃ כזרז נחקר בכור זכוכית בנפח 100 mL המצויד בבוחש מגנטי ובבקר טמפרטורה. תערובת התגובה עורבלה במהירות של 800 rpm במשך 1–6 שעות כדי להבטיח ערבוב מלא לפיזור אחיד ולהרחפה מלאה של חלקיקי הזרז. במהלך הסוניקציה לא בוצע ערבול מכני של התמיסה, בשל ההפרעה הנגרמת מתנודות ומקריסה של בועות קוויטציה, המספקת כשלעצמה ערבוב יעיל ביותר. הקרנת התמיסה באולטרסאונד בוצעה באמצעות מתמר אולטרסוני UP400S המצויד בציוד אולטרסוני (המכונה סוניקטור מסוג גשוש), המסוגל לפעול ברציפות או במצב פעימות בתדירות קבועה של 24 kHz ובהספק מוצא מרבי של 400W.
לצורך הניסוי, RuI₃ ללא טיפול מקדים, ששימש כזרז (0.5–2 gL^-1), הוכנס כתרחיף לתווך התגובה, ולאחר מכן נוסף H2O2 (30%, בריכוז בטווח של 200–1200 ppm).
Rokhina ועמיתיה מצאו במחקרם שהקרנה באולטרסאונד מילאה תפקיד בולט בשינוי תכונות המרקם של הזרז, תוך יצירת מבנה מיקרונקבובי בעל שטח פנים גדול יותר כתוצאה מקיטוע חלקיקי הזרז. יתרה מזו, הייתה לה השפעה משפרת: היא מנעה אגלומרציה של חלקיקי הזרז ושיפרה את הנגישות של פנול ומי חמצן לאתרים הפעילים של הזרז.
העלייה פי שניים ביעילות התהליך בסיוע אולטרסאונד בהשוואה לתהליך החמצון ללא סוניקציה יוחסה להתנהגות הקטליטית המשופרת של הזרז ולהיווצרות צורונים מחמצנים כגון •OH, •HO2 ו־•I₂ באמצעות ביקוע קשרי מימן ורקומבינציה של רדיקלים.
המלצה על מכשיר:
UP400S
מקור/מאמר מחקר:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): חמצון רטוב של פנול באמצעות מי חמצן בקטליזה הטרוגנית של רותניום ובסיוע אולטרסאונד. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

חלקיקי Ag/ZnO מצופים ב־PLA

יישום אולטרסוני:
ציפוי חלקיקי Ag/ZnO ב־PLA: חלקיקי Ag/ZnO מיקרומטריים ותת־מיקרומטריים המצופים ב־PLA הוכנו בטכניקת אידוי ממס מתחליב שמן במים. השיטה בוצעה באופן הבא. תחילה הומסו 400 mg של פולימר ב־4 ml של כלורופורם. ריכוז הפולימר שהתקבל בכלורופורם היה 100 mg/ml. לאחר מכן הוכנה אמולסיה של תמיסת הפולימר בתמיסה מימית של מערכות שונות של חומרים פעילי שטח (חומר מתחלב, PVA 8-88), תוך ערבול רציף בהומוגנייזר במהירות ערבול של 24,000 rpm. התערובת עורבלה במשך 5 min. ובמהלך פרק זמן זה קורר התחליב שנוצר באמצעות קרח. היחס בין התמיסה המימית של החומר פעיל השטח לתמיסת ה־PLA בכלורופורם היה זהה בכל הניסויים (4:1). בהמשך עבר התחליב שהתקבל סוניקציה באמצעות מכשיר אולטרסוני מסוג גשוש UP400S (400W, 24kHz) במשך 5 min. במחזור 0.5 ובאמפליטודה של 35%. לבסוף הועבר התחליב שהוכן לבקבוק ארלנמייר ועורבל, והממס האורגני אודה מהתחליב בלחץ מופחת, דבר שהוביל בסופו של דבר להיווצרות תרחיף חלקיקים. לאחר סילוק הממס עבר התרחיף צנטריפוגה שלוש פעמים כדי להסיר את החומר המתחלב.
מכשיר מומלץ:
UP400S
מקור/מאמר מחקר:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): חלקיקים היברידיים אנטיבקטריאליים שסונתזו באמצעות גלי מיקרו וצופו בפולי(חומצה L-לקטית). Nanocon 2011.

חומר מרוכב של פוליאנילין

יישום אולטרסוני:
הכנת חומר מרוכב על בסיס מים של ננו־פוליאנילין באילוח עצמי (SPAni) ‏(Sc-WB)
להכנת החומר המרוכב של SPAni על בסיס מים, דוללו במים 0.3 gr של SPAni, שסונתז באמצעות פילמור באתרו במדיום ScCO2, ועברו סוניקציה במשך 2 דקות באמצעות הומוגנייזר אולטרסוני UIP1000hd בהספק 1000W. לאחר מכן עבר התוצר שבתרחיף הומוגניזציה במשך 15 min. תוך הוספת 125 gr של מטריצת מקשה על בסיס מים, והסוניקציה הסופית בוצעה בטמפרטורת הסביבה במשך 5 min.
מכשיר מומלץ:
UIP1000hd
מקור/מאמר מחקר:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): ביצועי ההגנה של ציפוי אפוקסי על בסיס מים המכיל ננו־פוליאנילין באילוח עצמי שסונתז ב־ScCO2. 2013.

פחמימנים ארומטיים רב־טבעתיים: פירוק סונוכימי של נפתלן, אצנפתילן ופננתרן

יישום אולטרסוני:
לצורך הפירוק הסונוכימי של הפחמימנים הארומטיים הרב־טבעתיים (PAHs) נפתלן, אצנפתילן ופננתרן במים, תערובות הדגימות עברו סוניקציה בטמפרטורה של 20◦C ובריכוז של 50 µg/l מכל פחמימן ארומטי רב־טבעתי נבדק (ריכוז התחלתי כולל של 150 µg/l). הסוניקציה בוצעה באמצעות מכשיר אולטרסוני מסוג קרן UP400S ‏(400W, 24kHz), המסוגל לפעול במצב רציף או במצב פולסים. מכשיר הסוניקציה UP400S צויד בגשוש טיטניום H7 בעל קצה בקוטר 7 mm. התגובות בוצעו בכלי תגובה גלילי מזכוכית בנפח 200 mL, כאשר קרן הטיטניום הותקנה בחלקו העליון של כלי התגובה ונאטמה באמצעות טבעות O ושסתום טפלון. כלי התגובה הוצב באמבט מים לבקרת טמפרטורת התהליך. כדי למנוע תגובות פוטוכימיות כלשהן, הכלי כוסה ברדיד אלומיניום.
תוצאות האנליזה הראו ששיעור ההמרה של PAHs עולה ככל שמשך הסוניקציה מתארך.
עבור נפתלן, שיעור ההמרה בסיוע אולטרסאונד (הספק האולטרסאונד הוגדר ל־150W) עלה מ־77.6%, שהושגו לאחר 30 min. של סוניקציה, ל־84.4% לאחר 60 min. של סוניקציה.
עבור אצנפתילן, שיעור ההמרה בסיוע אולטרסאונד (הספק האולטרסאונד הוגדר ל־150W) עלה מ־77.6%, שהושגו לאחר 30 min. של סוניקציה בהספק אולטרסאונד של 150W, ל־84.4% לאחר 60 min. של סוניקציה באולטרסאונד בהספק 150W; עלה מ־80.7%, שהושגו לאחר 30 min. של סוניקציה בהספק אולטרסאונד של 150W, ל־96.6% לאחר 60 min. של סוניקציה.
עבור פננתרן, שיעור ההמרה בסיוע אולטרסאונד (הספק האולטרסאונד הוגדר ל־150W) עלה מ־73.8%, שהושגו לאחר 30 min. של סוניקציה, ל־83.0% לאחר 60 min. של סוניקציה.
כדי לשפר את יעילות הפירוק, ניתן לנצל מי חמצן ביעילות רבה יותר כאשר מוסיפים יון ברזל דו־ערכי. הוכח כי להוספת יון ברזל דו־ערכי יש השפעות סינרגטיות המדמות תגובה דמוית פנטון.
המלצה על מכשיר:
UP400S עם H7
מקור/מאמר מחקר:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): פירוק פחמימנים ארומטיים רב־טבעתיים בתמיסות מימיות באמצעות הקרנה אולטרסונית. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

הסרת שכבת תחמוצת ממצעים

יישום אולטרסוני:
להכנת המצע לפני גידול ננו־חוטי CuO על מצעי Cu, שכבת התחמוצת הטבעית שעל פני ה־Cu הוסרה באמצעות סוניקציה של הדגימה בחומצה הידרוכלורית בריכוז 0.7 M למשך 2 min. באמצעות מכשיר UP200S של Hielscher. הדגימה נוקתה באולטרסאונד באצטון למשך 5 min. להסרת מזהמים אורגניים, נשטפה היטב במים נטולי יונים (DI) ויובשה באוויר דחוס.
המלצה על מכשיר:
UP200S או UP200St
מקור/מאמר מחקר:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): שינוי תכונות חישת הגז של ננו־חוטי CuO באמצעות יצירת צומתי p−n נפרדים בגודל ננומטרי על פניהם. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192−4199.

ניסויי וולטמטריה

יישום אולטרסוני:
לניסויי וולטמטריה משופרים באמצעות אולטרסאונד, נעשה שימוש במכשיר אולטרסוני UP200S של Hielscher בהספק 200 ואט, המצויד בקרן זכוכית (קצה בקוטר 13-mm). האולטרסאונד הופעל בעוצמה של 8 W/cm^–2.
בשל קצב הדיפוזיה האיטי של ננו־חלקיקים בתמיסות מימיות והמספר הרב של מרכזי חמצון־חיזור בכל ננו־חלקיק, השפעות ספיחה שולטות בוולטמטריה הישירה של ננו־חלקיקים בפאזת התמיסה. כדי לזהות ננו־חלקיקים ללא הצטברות עקב ספיחה, יש לבחור גישה ניסויית הכוללת (i) ריכוז גבוה דיו של ננו־חלקיקים, (ii) אלקטרודות קטנות לשיפור יחס האות לרקע, או (iii) מעבר מסה מהיר מאוד.
לכן, McKenzie ועמיתיו (2012) השתמשו באולטרסאונד רב־עוצמה כדי לשפר באופן דרסטי את קצב מעבר המסה של ננו־חלקיקים אל פני האלקטרודה. במערך הניסוי שלהם, האלקטרודה נחשפת ישירות לאולטרסאונד בעוצמה גבוהה, במרחק של 5 mm בין האלקטרודה לקרן ובעוצמת סוניקציה של 8 W/cm^–2 הגורמת לערבול ולניקוי באמצעות קוויטציה. מערכת חמצון־חיזור לבדיקה, המבוססת על חיזור באלקטרון אחד של Ru(NH3)₆³⁺ בתמיסת KCl מימית בריכוז 0.1 M, שימשה לכיול קצב מעבר המסה שהושג בתנאים אלה.
המלצה על מכשיר:
UP200S או UP200St
מקור / מאמר מחקר:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): אלקטרוכימיה ישירה של Fe2O3 ננו־חלקיקי בתמיסה מימית ובמצב ספוח על תחמוצת אינדיום מסוממת בבדיל. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

מכשירי סוניקציה לתגובות סונוכימיות מקנה מידה מעבדתי ועד קנה מידה תעשייתי

Hielscher מציעה את מלוא מגוון מכשירי האולטרסאונד, מהומוגנייזר מעבדתי ידני ועד מכשירי סוניקציה תעשייתיים מלאים לזרמים בנפחים גדולים. את כל התוצאות שהושגו בקנה מידה קטן במהלך בדיקות, מחקר ופיתוח ואופטימיזציה של תהליך אולטרסוני, ניתן להגדיל >באופן ליניארי לקנה מידה של ייצור מסחרי מלא. מכשירי הסוניקציה של Hielscher אמינים, עמידים ומיועדים לפעולה 24/7.
שאלו אותנו כיצד להעריך את התהליך שלכם, לבצע בו אופטימיזציה ולהגדיל את קנה המידה שלו! נשמח לסייע לכם בכל השלבים – מהבדיקות הראשונות ואופטימיזציית התהליך ועד להתקנה בקו הייצור התעשייתי שלכם!