Sonokemija: Bilješke o primjeni
Sonokemija je učinak ultrazvučne kavitacije na kemijske sustave. Zbog ekstremnih uvjeta koji se javljaju u kavitacijskom “vruća točka”, ultrazvuk je vrlo učinkovita metoda za poboljšanje ishoda reakcije (veći prinos, bolja kvaliteta), pretvorbu i trajanje kemijske reakcije. Neke kemijske promjene mogu se postići samo sonikacijom, kao što je nano-veličina kositrenog premaza titana ili aluminija.
U nastavku pronađite izbor čestica i tekućina s odgovarajućim preporukama, kako tretirati materijal kako biste mljeli, raspršili, deaglomerirali ili modificirali čestice pomoću ultrazvučnog homogenizatora.
U nastavku pronađite neke protokole sonikacije za uspješne sonokemijske reakcije!
Abecednim redom:
α-epoksiketoni – Reakcija otvaranja prstena
Ultrazvučna primjena:
Katalitičko otvaranje prstena α-epoksiketona provedeno je kombinacijom ultrazvučnih i fotokemijskih metoda. Kao fotokatalizator korišten je 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridinijev tetrafluoroborat (NBTPT). Kombinacijom sonikacije (sonokemija) i fotokemije ovih spojeva u prisutnosti NBTPT postignuto je otvaranje epoksidnog prstena. Pokazalo se da je korištenje ultrazvuka značajno povećalo brzinu foto-inducirane reakcije. Ultrazvuk može ozbiljno utjecati na otvaranje fotokatalitičkog prstena α-epoksiketona prvenstveno zbog učinkovitog prijenosa mase reaktanata i pobuđenog stanja NBTPT. Također dolazi do prijenosa elektrona između aktivnih vrsta u ovom homogenom sustavu pomoću sonikacije
brži od sustava bez sonikacije. Veći prinosi i kraća vremena reakcije su prednosti ove metode.
Protokol sonikacije:
α-Epoksiketoni 1a-f i 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridinijev tetrafluoroborat 2 pripravljeni su prema navedenim postupcima. Metanol je kupljen od Mercka i destiliran prije upotrebe. Korišteni ultrazvučni uređaj bio je ultrazvučni uređaj UP400S tvrtke Hielscher Ultrasonics GmbH. S3 ultrazvučna uronjena sirena (također poznata kao sonda ili sonotroda) koja emitira ultrazvuk od 24 kHz na razinama intenziteta koje se mogu podešavati do maksimalne gustoće zvučne snage od 460 Wcm-2 korišten je. Sonikacija je provedena na 100% (maksimalna amplituda 210 μm). Sonotroda S3 (maksimalna dubina uranjanja od 90 mm) uronjena je izravno u reakcijsku smjesu. UV zračenje je provedeno pomoću živine visokotlačne lampe od 400 W iz Narve uz hlađenje uzoraka u Duran staklu. The 1'H NMR spektri smjese fotoprodukata mjereni su u CDC13 otopine koje sadrže tetrametilsilan (TMS) kao interni standard na Bruker drx-500 (500 MHz). Preparativna slojna kromatografija (PLC) provedena je na 20 × 20 cm2 ploče obložene 1 mm slojem Merck silika gela PF254 pripremljen nanošenjem silicijevog dioksida kao kaše i sušenjem na zraku. Svi proizvodi su poznati i njihovi spektralni podaci su ranije objavljeni.
Preporuka za uređaj:
UP400S s ultrazvučnom rogom S3
Referentni/istraživački rad:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007.): Fotosonokemijsko katalitičko otvaranje prstena α-epoksiketona. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.
Aluminij/Nikal katalizator: Nano-strukturiranje Al/Ni legure
Ultrazvučna primjena:
Al/Ni čestice mogu se sonokemijski modificirati nano-strukturiranjem početne Al/Ni legure. Dobiven je Therbey, učinkovit katalizator za hidrogenaciju acetofenona.
Ultrazvučna priprema Al/Ni katalizatora:
5 g komercijalne Al/Ni legure dispergirano je u pročišćenoj vodi (50 mL) i sonicirano do 50 min. s sonikatorom tipa ultrazvučne sonde UIP1000hd (1kW, 20kHz) opremljen ultrazvučnom rogom BS2d22 (površina glave od 3,8 cm2) i pojačivač B2-1.8. Izračunato je da maksimalni intenzitet iznosi 140 Wcm−2 pri mehaničkoj amplitudi od 106μm. Kako bi se izbjeglo povećanje temperature tijekom sonikacije, eksperiment je izveden u termostatskoj ćeliji. Nakon ultrazvuka, uzorak je osušen pod vakuumom toplinskim pištoljem.
Preporuka za uređaj:
UIP1000hd sa sonotrodom BS2d22 i pojačalom B2–1.2
Referentni/istraživački rad:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonokemijska aktivacija Al/Ni katalizatora hidrogenacije. Napredni funkcionalni materijali 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437
Transesterifikacija biodizela korištenjem MgO katalizatora
Ultrazvučna primjena:
Reakcija transesterifikacije proučavana je pod stalnim ultrazvučnim miješanjem s sonikatorom UP200S za različite parametre kao što su količina katalizatora, molarni omjer metanola i ulja, temperatura reakcije i trajanje reakcije. Šaržni pokusi izvedeni su u reaktoru od tvrdog stakla (300 ml, unutarnji promjer 7 cm) s uzemljenim poklopcem s dva grla. Jedan vrat bio je povezan s titanskom sonotrodom S7 (vrh promjera 7 mm) ultrazvučnog procesora UP200S (200W, 24kHz). Ultrazvučna amplituda postavljena je na 50% s 1 ciklusom u sekundi. Reakcijska smjesa je sonicirana tijekom vremena reakcije. Drugi vrat reaktorske komore bio je opremljen prilagođenim, vodom hlađenim kondenzatorom od nehrđajućeg čelika za refluksiranje isparenog metanola. Cijeli aparat je postavljen u uljnu kupelj s konstantnom temperaturom koju kontrolira proporcionalni integralni regulator temperature. Temperatura se može podići do 65°C s točnošću od ±1°C. Kao materijal za transesterifikaciju biodizela korišteno je otpadno ulje, 99,9% čisti metanol. MgO nano veličine (magnezijeva vrpca) nataložen dimom korišten je kao katalizator.
Izvrstan rezultat pretvorbe dobiven je pri 1,5 tež.% katalizatora; Molarni omjer metanolnog ulja 5:1 na 55°C, konverzija od 98,7% postignuta je nakon 45 minuta.
Preporuka za uređaj:
UP200S s ultrazvučnom sonotrodom S7
Referentni/istraživački rad:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P. (): Studije o sono-kemijskoj proizvodnji biodizela korištenjem nano MgO katalizatora taloženog dimom. Bilten kemijskog reakcijskog inženjerstva & Kataliza 8/ 2, 2013. 89 – 96.
Sinteza nanokompozita kadmij(II)-tioacetamid
Ultrazvučna primjena:
Nanokompoziti kadmij(II)-tioacetamid sintetizirani su u prisutnosti i odsutnosti polivinil alkohola sonokemijskim putem. Za sonokemijsku sintezu (sono-sinteza) 0,532 g kadmij (II) acetat dihidrata (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioacetamida (TAA, CH3CSNH2) i 0,664 g kalijevog jodida (KI) otopljeno je u 20 ml dvostruko destilirana deionizirana voda. Ova je otopina sonicirana ultrazvučnim aparatom visoke snage UP400S (24 kHz, 400 W) na sobnoj temperaturi 1 h. Tijekom sonikacije reakcijske smjese temperatura je porasla na 70-80°C, kako je izmjereno termoelementom željezo-konstantin. Nakon jednog sata stvorio se svijetložuti talog. Izoliran je centrifugiranjem (4000 okretaja u minuti, 15 min), ispran dvostruko destiliranom vodom i zatim apsolutnim etanolom kako bi se uklonile zaostale nečistoće i na kraju osušen na zraku (prinos: 0,915 g, 68%). prosinca p. 200°C. Za pripremu polimernog nanokompozita, 1,992 g polivinil alkohola otopljeno je u 20 mL dvostruko destilirane deionizirane vode i zatim dodano u gornju otopinu. Ova smjesa je ozračena ultrazvučno s ultrazvučnom sondom UP400S tijekom 1 sata kada je nastao svijetlonarančasti produkt.
Rezultati SEM-a pokazali su da su se u prisutnosti PVA veličine čestica smanjile s oko 38 nm na 25 nm. Zatim smo sintetizirali heksagonalne nanočestice CdS sa sfernom morfologijom iz toplinske razgradnje polimernog nanokompozita, kadmij(II)-tioacetamid/PVA kao prekursora. Veličina nanočestica CdS izmjerena je XRD i SEM i rezultati su se međusobno vrlo dobro slagali.
Ranjbar i sur. (2013.) također su otkrili da je polimerni Cd(II) nanokompozit prikladan prekursor za pripremu nanočestica kadmijeva sulfida sa zanimljivom morfologijom. Svi rezultati su otkrili da se ultrazvučna sinteza može uspješno primijeniti kao jednostavna, učinkovita, jeftina, ekološki prihvatljiva i vrlo obećavajuća metoda za sintezu materijala u nanorazmjeru bez potrebe za posebnim uvjetima, kao što su visoka temperatura, dugo vrijeme reakcije i visoki tlak .
Preporuka za uređaj:
UP400S
Referentni/istraživački rad:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013.): Sinteza i karakterizacija nanokompozita kadmij-tioacetamid. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203-212.
CaCO3 – Ultrazvučno obložen stearinskom kiselinom
Ultrazvučna primjena:
Ultrazvučno premazivanje nano-precipitiranog CaCO3 (NPCC) sa stearinskom kiselinom za poboljšanje njezine disperzije u polimeru i smanjenje aglomeracije. 2 g neobloženog nano-istaloženog CaCO3 (NPCC) je sonikiran sonikatorom UP400S u 30 ml etanola. 9 tež.% stearinske kiseline otopljeno je u etanolu. Etanol sa stearinskom kiselinom je zatim pomiješan sa sonificiranom suspenzijom.
Preporuka za uređaj:
UP400S sa sonotrodom promjera 22 mm (H22D) i protočnom ćelijom s rashladnim plaštom
Referentni/istraživački rad:
Kow, KW; Abdullah, EC; Aziz, AR (2009): Učinci ultrazvuka u presvlačenju nano-precipitiranog CaCO3 stearinskom kiselinom. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807-813.
Silan dopiran cerijevim nitratom
Ultrazvučna primjena:
Kao metalne podloge korištene su hladno valjane ploče od ugljičnog čelika (6,5 cm, 6,5 cm, 0,3 cm; kemijski očišćene i mehanički polirane). Prije nanošenja premaza, ploče su ultrazvučno očišćene acetonom, zatim očišćene alkalnom otopinom (0,3 mol L1 otopina NaOH) na 60°C tijekom 10 minuta. Za korištenje kao temeljnog premaza, prije predtretmana supstrata, tipična formulacija koja uključuje 50 dijelova γ-glicidoksipropiltrimetoksisilana (γ-GPS) razrijeđena je s oko 950 dijelova metanola, u pH 4,5 (podešen octenom kiselinom) i ostavljena za hidrolizu silan. Postupak pripreme dopiranog silana s cerijevim nitratnim pigmentima bio je isti, osim što je 1, 2, 3 wt% cerijevog nitrata dodano u otopinu metanola prije dodavanja (γ-GPS), zatim je ta otopina miješana propelerskom miješalicom na 1600 o/min 30 min. na sobnoj temperaturi. Zatim su disperzije koje sadrže cerijev nitrat sonikirane 30 minuta na 40°C s vanjskom kupkom za hlađenje. Proces ultrazvuka izveden je s ultrasonicatorom UIP1000hd (1000W, 20 kHz) s ulaznom snagom ultrazvuka od oko 1 W/mL. Predtretman supstrata je proveden ispiranjem svake ploče 100 sekundi. odgovarajućom otopinom silana. Nakon obrade, ploče su ostavljene da se suše na sobnoj temperaturi 24 sata, a zatim su prethodno obrađene ploče obložene dvokomponentnim epoksidom očvrslim aminom. (Epon 828, shell Co.) za izradu mokrog filma debljine 90 μm. Ploče obložene epoksidom ostavljene su da se stvrdnjavaju 1 sat na 115°C, nakon stvrdnjavanja epoksidnih premaza; debljina suhog filma bila je oko 60 μm.
Preporuka za uređaj:
UIP1000hd
Referentni/istraživački rad:
Zaferani, SH; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013.): Elektrokemijski učinci predtretmana silanom koji sadrže cerijev nitrat na svojstva katodnog odvajanja čelika presvučenog epoksidom. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.
Bakar-aluminijski okviri: Sinteza poroznih Cu-Al okvira
Ultrazvučna primjena:
Porozni bakar-aluminij stabiliziran metalnim oksidom obećavajući je novi alternativni katalizator za dehidrogenaciju propana koji ne sadrži plemenite ili opasne metale. Struktura oksidirane porozne Cu–Al legure (metalna spužva) slična je metalima Raneyevog tipa. Ultrazvuk velike snage zeleni je kemijski alat za sintezu poroznih bakar-aluminijskih okvira stabiliziranih metalnim oksidom. Oni su jeftini (trošak proizvodnje od približno 3 EUR/litri) i metoda se može lako proširiti. Ovi novi porozni materijali (ili "metalne spužve") imaju masu od legure i oksidiranu površinu te mogu katalizirati dehidrogenaciju propana na niskim temperaturama.
Postupak za pripremu ultrazvučnog katalizatora:
Pet grama praha legure Al–Cu raspršeno je u ultra čistoj vodi (50 mL) i sonikirano 60 minuta s Hielscher sonikatorom UIP1000hd (20 kHz, maks. izlazna snaga 1000 W). Uređaj tipa ultrazvučne sonde bio je opremljen sonotrodom BS2d22 (vršna površina 3,8 cm2) i sirena za pojačanje B2–1.2. Izračunato je da maksimalni intenzitet iznosi 57 W/cm2 pri mehaničkoj amplitudi od 81μm. Tijekom obrade uzorak je hlađen u ledenoj kupelji. Nakon obrade uzorak je sušen na 120°C 24 sata.
Preporuka za uređaj:
UIP1000hd sa sonotrodom BS2d22 i pojačalom B2–1.2
Referentni/istraživački rad:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011.): Novi i učinkoviti katalizatori bakar-aluminij propan dehidrogenacije. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254-12256.
Razgradnja bakrenog fatocijanina
Ultrazvučna primjena:
Dekolorizacija i destrukcija metaloftalocijanina
Bakreni fatocijanin sonikiran je vodom i organskim otapalima na sobnoj temperaturi i atmosferskom tlaku u prisutnosti katalitičke količine oksidansa pomoću ultrazvučnog uređaja UIP500hd od 500 W s preklopnom komorom na razini snage od 37–59 W/cm2: 5 mL uzorka (100 mg/L), 50 D/D vode s koloformom i piridinom na 60% ultrazvučne amplitude. Temperatura reakcije: 20°C.
Preporuka za uređaj:
UIP500hd
Zlato: Morfološka modifikacija nanočestica zlata
Ultrazvučna primjena:
Nano čestice zlata morfološki su modificirane pod intenzivnim ultrazvučnim zračenjem. Za spajanje nanočestica zlata u strukturu sličnu bućici, ultrazvučni tretman od 20 min. u čistoj vodi iu prisutnosti surfaktanata pokazalo se dovoljnim. Nakon 60 min. ultrazvukom, nanočestice zlata u vodi dobivaju crvoliku ili prstenastu strukturu. Stopljene nanočestice sferičnog ili ovalnog oblika ultrazvučno su oblikovane u prisutnosti otopina natrijevog dodecil sulfata ili dodecil amina.
Protokol ultrazvučnog tretmana:
Za ultrazvučnu modifikaciju, otopina koloidnog zlata, koja se sastoji od prethodno oblikovanih nanočestica zlata zaštićenih citratom s prosječnim promjerom od 25 nm (± 7 nm), sonicirana je u zatvorenoj reaktorskoj komori (približno 50 ml volumena). Otopina koloidnog zlata (0,97 mmol·L-1) bio je ultrazvučno ozračen visokim intenzitetom (40 W/cm-2) koristeći Hielscher UIP1000hdT ultrasonicator (20kHz, 1000W) opremljen sonotrodom od legure titana BS2d18 (0,7 inča promjer vrha), koji je bio uronjen oko 2 cm ispod površine sonicirane otopine. Koloidno zlato je oplinjeno argonom (O2 < 2 ppmv, zrak tekućina) 20 min. prije i tijekom sonikacije brzinom od 200 mL·min-1 kako bi se uklonio kisik iz otopine. Dijelu od 35 mL svake otopine surfaktanta bez dodatka trinatrijevog citrata dihidrata dodano je 15 mL prethodno pripremljenog koloidnog zlata, propuhanog plinovitog argona 20 minuta. prije i tijekom ultrazvučnog tretmana.
Preporuka za uređaj:
UIP1000hd sa sonotrodom BS2d18 i reaktorom protočne ćelije
Referentni/istraživački rad:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Fuzija potpomognuta ultrazvukom prethodno oblikovanih nanočestica zlata. Časopis za fizičku kemiju C 114, 2010. 1835–1843.
Anorgansko gnojivo – Ispiranje Cu, Cd i Pb za analizu
Ultrazvučna primjena:
Ekstrakcija Cu, Cd i Pb iz anorganskih gnojiva u analitičke svrhe:
Za ultrazvučnu ekstrakciju bakra, olova i kadmija, uzorci koji sadrže mješavinu gnojiva i otapala se soniciraju ultrazvučnim uređajem kao što je sonikator VialTweeter za neizravnu sonikaciju. Uzorci gnojiva su sonikirani u prisutnosti 2 mL 50% (v/v) HNO3 u staklenim epruvetama 3 minute. Ekstrakti Cu, Cd i Pb mogu se odrediti plamenom atomskom apsorpcijskom spektrometrijom (FAAS).
Preporuka za uređaj:
VialTweeter
Referentni/istraživački rad:
Lima, AF; Richter, EM; Muñoz, RAA (2011.): Alternativna analitička metoda za određivanje metala u anorganskim gnojivima na temelju ekstrakcije potpomognute ultrazvukom. Časopis Brazilskog kemijskog društva 22/ 8. 2011. 1519-1524.
Sinteza lateksa
Ultrazvučna primjena:
Priprema P(St-BA) lateksa
Čestice poli(stiren-r-butil akrilata) P(St-BA) lateksa sintetizirane su emulzijskom polimerizacijom u prisutnosti surfaktanta DBSA. 1 g DBSA prvo je otopljen u 100 mL vode u tikvici s tri grla i pH vrijednost otopine je podešena na 2,0. Mješoviti monomeri od 2,80 g St i 8,40 g BA s inicijatorom AIBN (0,168 g) uliveni su u otopinu DBSA. U/V emulzija je pripremljena magnetskim miješanjem tijekom 1 h nakon čega je uslijedila sonikacija sa sonikatorom UIP1000hd opremljenim ultrazvučnim rogom (sonda/sonotroda) još 30 minuta. u ledenoj kupelji. Konačno, polimerizacija je provedena na 90°C u uljnoj kupelji 2 sata u atmosferi dušika.
Preporuka za uređaj:
UIP1000hd
Referentni/istraživački rad:
Izrada fleksibilnih vodljivih filmova izvedenih od poli(3,4-etilendioksitiofen)epoli(stirensulfonske kiseline) (PEDOT:PSS) na podlozi od netkanog materijala. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143-148.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o sono-sintezi lateksa!
Uklanjanje olova (Sono-izlučivanje)
Ultrazvučna primjena:
Ultrazvučno ispiranje olova iz kontaminiranog tla:
Eksperimenti ultrazvučnog ispiranja izvedeni su ultrazvučnim homogenizatorom UP400S sa zvučnom sondom od titana (promjera 14 mm), koja radi na frekvenciji od 20 kHz. Ultrazvučna sonda (sonotroda) kalorimetrijski je kalibrirana s ultrazvučnim intenzitetom postavljenim na 51 ± 0,4 W cm-2 za sve pokuse ispiranja sonom. Eksperimenti sonološkog ispiranja termostatirani su pomoću staklene ćelije s ravnim dnom na 25 ± 1°C. Tri su sustava korištena kao otopine za ispiranje tla (0,1 L) uz sonikaciju: 6 mL od 0,3 mol L-2 otopine octene kiseline (pH 3,24), 3% (v/v) otopine dušične kiseline (pH 0,17) i pufera octene kiseline/acetata (pH 4,79) pripremljenog miješanjem 60 mL 0f 0,3 mol L-1 octene kiseline s 19 mL 0,5 mol L-1 NaOH. Nakon procesa sono-ispiranja, uzorci su filtrirani filtar papirom kako bi se otopina procjedne vode odvojila od tla, nakon čega je uslijedilo elektrotaloženje otopine procjedne vode olovom i digestija tla nakon primjene ultrazvuka.
Dokazano je da je ultrazvuk vrijedan alat u poboljšanju istjecanja olova iz onečišćenog tla. Ultrazvuk je također učinkovita metoda za gotovo potpuno uklanjanje olova koje se može isprati iz tla, što rezultira mnogo manje opasnim tlom.
Preporuka za uređaj:
UP400S sa sonotrodom H14
Referentni/istraživački rad:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultrazvučno ispiranje i elektrokemijska obrada u kombinaciji za uklanjanje olova iz tla. Časopis o novim materijalima za elektrokemijske sustave 10, 2007. 195-199.
PbS – Sinteza nanočestica olovnog sulfida
Ultrazvučna primjena:
Na sobnoj temperaturi, 0,151 g olovnog acetata (Pb(CH3COO) 2,3 H2O) i 0,03 g TAA (CH3CSNH2) dodani su u 5 mL ionske tekućine, [EMIM][EtSO4], i 15 mL dvostruko destilirane vode u čaši od 50 mL podvrgnuto ultrazvučnom zračenju s Hielscher sonikatorom UP200S tijekom 7 minuta. Vrh ultrazvučne sonde/sonotrode S1 uronjen je izravno u reakcijsku otopinu. Nastala suspenzija tamno smeđe boje je centrifugirana da se izvuče talog i isprana dva puta dvostruko destiliranom vodom i etanolom kako bi se uklonili neizreagirani reagensi. Kako bi se istražio učinak ultrazvuka na svojstva proizvoda, pripremljen je još jedan usporedni uzorak, održavajući konstantne parametre reakcije osim što je proizvod pripremljen kontinuiranim miješanjem tijekom 24 sata bez pomoći ultrazvučnog zračenja.
Sinteza potpomognuta ultrazvukom u vodenoj ionskoj tekućini na sobnoj temperaturi predložena je za pripremu nanočestica PbS. Ova ekološki benigna zelena metoda na sobnoj temperaturi je brza i bez šablona, što značajno skraćuje vrijeme sinteze i izbjegava komplicirane sintetske postupke. Pripremljeni nanoklasteri pokazuju ogroman plavi pomak od 3,86 eV koji se može pripisati vrlo maloj veličini čestica i učinku kvantnog ograničenja.
Preporuka za uređaj:
UP200S
Referentni/istraživački rad:
Behboudnija, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Lagana priprema i karakterizacija nanočestica PbS u vodenoj [EMIM][EtSO4] ionskoj tekućini pri sobnoj temperaturi korištenjem ultrazvučnog zračenja. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53-56.
degradacija fenola
Ultrazvučna primjena:
Rokhina i sur. (2013) koristili su kombinaciju peroctene kiseline (PAA) i heterogenog katalizatora (MnO2) za razgradnju fenola u vodenoj otopini pod ultrazvučnim zračenjem. Ultrazvučna obrada je provedena korištenjem ultrazvučnog sonikatora UP400S od 400 W, koji je sposoban kontinuirano ili pulsno sonicirati (tj. 4 sekunde uključeno i 2 sekunde isključeno) na fiksnoj frekvenciji od 24 kHz. Izračunata ukupna ulazna snaga, gustoća snage i intenzitet raspršene snage u sustavu bili su 20 W, 9,5×10-2 W/cm-3, i 14,3 W/cm-2, odnosno. Tijekom pokusa korištena je fiksna snaga. Za kontrolu temperature unutar reaktora korištena je uronjena cirkulacijska jedinica. Stvarno vrijeme sonikacije bilo je 4 h, iako je stvarno vrijeme reakcije bilo 6 h zbog rada u pulsirajućem načinu rada. U tipičnom eksperimentu, stakleni reaktor je napunjen sa 100 mL otopine fenola (1,05 mM) i odgovarajućim dozama katalizatora MnO2 i PAA (2%), u rasponu između 0-2 g L-1 odnosno 0–150 ppm. Sve reakcije su izvedene pri cirkum neutralnom pH, atmosferskom tlaku i sobnoj temperaturi (22 ± 1 °C).
Ultrazvučnom obradom, površina katalizatora je povećana što je rezultiralo 4 puta većom površinom bez promjena u strukturi. Frekvencije prometa (TOF) povećane su sa 7 x 10-3 do 12,2 x 10-3 min-1, u usporedbi s tihim postupkom. Osim toga, nije otkriveno značajno ispiranje katalizatora. Izotermna oksidacija fenola pri relativno niskim koncentracijama reagensa pokazala je visoke stope uklanjanja fenola (do 89%) u blagim uvjetima. Općenito, ultrazvuk je ubrzao proces oksidacije tijekom prvih 60 minuta. (70% uklanjanja fenola u odnosu na 40% tijekom tihog tretmana).
Preporuka za uređaj:
UP400S
Referentni/istraživački rad:
Rokhina, EV; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, EA; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): MnO potpomognut ultrazvukom2 katalizirana homoliza peroctene kiseline za razgradnju fenola: procjena kemije i kinetike procesa. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.
Fenol: Oksidacija fenola pomoću RuI3 kao katalizator
Ultrazvučna primjena:
Heterogena vodena oksidacija fenola preko RuI3 vodikovim peroksidom (H2O2): Katalitička oksidacija fenola (100 ppm) preko RuI3 kao katalizator proučavan je u staklenom reaktoru od 100 mL opremljenom magnetskom miješalicom i regulatorom temperature. Reakcijska smjesa je miješana pri brzini od 800 okretaja u minuti 1-6 sati kako bi se postiglo potpuno miješanje za jednoliku distribuciju i punu suspenziju čestica katalizatora. Tijekom sonikacije nije izvršeno nikakvo mehaničko miješanje otopine zbog poremećaja uzrokovanih oscilacijom i kolapsom kavitacijskih mjehurića, što je samo po sebi omogućilo iznimno učinkovito miješanje. Ultrazvučno zračenje otopine provedeno je ultrazvučnim pretvaračem UP400S opremljenim ultrazvukom (tzv. sondom tipa sonikatora), koji može raditi kontinuirano ili u pulsnom načinu rada na fiksnoj frekvenciji od 24 kHz i maksimalnoj izlaznoj snazi od 400 W .
Za pokus, neobrađeni RuI3 kao katalizator (0,5-2 gL-1) uveden je kao suspenzija u reakcijski medij uz naknadni dodatak H2O2 (30%, koncentracija u rasponu od 200-1200 ppm).
Rokhina i sur. otkrili su u svojoj studiji da ultrazvučno zračenje ima istaknutu ulogu u modifikaciji teksturnih svojstava katalizatora, stvarajući mikroporoznu strukturu veće površine kao rezultat fragmentacije čestica katalizatora. Štoviše, imao je promotivni učinak, sprječavajući aglomeraciju čestica katalizatora i poboljšavajući pristupačnost fenola i vodikovog peroksida aktivnim mjestima katalizatora.
Dvostruko povećanje učinkovitosti procesa potpomognutog ultrazvukom u usporedbi s procesom tihe oksidacije pripisano je poboljšanom katalitičkom ponašanju katalizatora i stvaranju oksidirajućih vrsta kao što su •OH, •HO2 i •I2 putem cijepanja vodikovih veza i rekombinacije radikala.
Preporuka za uređaj:
UP400S
Referentni/istraživački rad:
Rokhina, EV; Lahtinen, M.; Nolte, MCM; Virkutyte, J. (2009): Ultrazvuk potpomognuta heterogena rutenijem katalizirana vlažna peroksidna oksidacija fenola. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162–170.
PLA obložene Ag/ZnO čestice
Ultrazvučna primjena:
PLA obloga Ag/ZnO čestica: Mikro- i submikročestice Ag/ZnO presvučene PLA pripremljene su tehnikom isparavanja otapala emulzije ulje u vodi. Ova metoda je provedena na sljedeći način. Najprije je 400 mg polimera otopljeno u 4 ml kloroforma. Rezultirajuća koncentracija polimera u kloroformu bila je 100 mg/ml. Drugo, otopina polimera je emulgirana u vodenoj otopini različitih sustava tenzida (emulgator, PVA 8-88) uz kontinuirano miješanje homogenizatorom pri brzini miješanja od 24 000 okretaja u minuti. Smjesa je miješana 5 min. a tijekom tog perioda nastala emulzija se hladi ledom. Omjer vodene otopine surfaktanta i kloroformske otopine PLA bio je identičan u svim pokusima (4:1). Zatim je dobivena emulzija ultrazvučno obrađena ultrazvučnim uređajem tipa UP400S (400 W, 24 kHz) tijekom 5 minuta. pri ciklusu 0,5 i amplitudi 35%. Na kraju je pripremljena emulzija prebačena u Erlenmeyerovu tikvicu, promiješana, a organsko otapalo je ispareno iz emulzije pod sniženim tlakom što je konačno dovelo do stvaranja suspenzije čestica. Nakon uklanjanja otapala, suspenzija je centrifugirana tri puta da se ukloni emulgator.
Preporuka za uređaj:
UP400S
Referentni/istraživački rad:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Poli (L-mliječna kiselina) obložene mikrovalnom sintetizirane hibridne antibakterijske čestice. Nanocon 2011.
Polianilin kompozit
Ultrazvučna primjena:
Priprema samodopiranog nano polianilin (SPAni) kompozita (Sc-WB) na bazi vode
Za pripremu SPAni kompozita na bazi vode, 0,3 gr SPAni, sintetiziranog polimerizacijom na licu mjesta u mediju ScCO2, razrijeđeno je vodom i sonicirano 2 minute ultrazvučnim homogenizatorom UIP1000hd od 1000 W. Zatim je produkt suspenzije homogeniziran dodavanjem 125 gr matrice učvršćivača na bazi vode tijekom 15 minuta. a konačna sonikacija je provedena na sobnoj temperaturi 5 minuta.
Preporuka za uređaj:
UIP1000hd
Referentni/istraživački rad:
Bagherzadeh, MR; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013.): Zaštitna svojstva epoksidnog premaza na bazi vode koji sadrži ScCO2 sintetizirani samodopirani nanopolijanilin. 2013.
Policiklički aromatski ugljikovodici: Sonokemijska razgradnja naftalena, acenaftilena i fenantrena
Ultrazvučna primjena:
Za sonokemijsku razgradnju policikličkih aromatskih ugljikovodika (PAH) naftalena, acenaftilena i fenantrena u vodi, mješavine uzoraka sonikirane su na 20°C i 50 µg/l svakog ciljanog PAH-a (150 µg/l ukupne početne koncentracije). Ultrasonication je primijenjen ultrasonicatorom UP400S rogastog tipa (400W, 24kHz), koji može raditi bilo u kontinuiranom ili u pulsnom načinu rada. Sonikator UP400S opremljen je titanskom sondom H7 s vrhom promjera 7 mm. Reakcije su provedene u cilindričnoj staklenoj reakcijskoj posudi od 200 mL s titanskim rogom postavljenim na vrh reakcijske posude i zabrtvljenim O-prstenovima i teflonskim ventilom. Reakcijska posuda je stavljena u vodenu kupelj da se kontrolira temperatura procesa. Kako bi se izbjegle fotokemijske reakcije, posuda je prekrivena aluminijskom folijom.
Rezultati analize su pokazali da se pretvorba PAH povećava s povećanjem trajanja sonikacije.
Za naftalen, ultrazvučno potpomognuta konverzija (ultrazvučna snaga postavljena na 150 W) porasla je sa 77,6% postignutih nakon 30 minuta. ultrazvukom na 84,4% nakon 60 min. sonikacija.
Za acenaftilen, ultrazvučno potpomognuta konverzija (ultrazvučna snaga postavljena na 150 W) porasla je sa 77,6% postignutih nakon 30 minuta. sonikacija s ultrazvučnom snagom od 150 W do 84,4% nakon 60 min. sonikacija s ultrazvukom od 150 W povećala se s 80,7% postignutih nakon 30 min. sonikacija s ultrazvučnom snagom od 150 W do 96,6% nakon 60 min. sonikacija.
Za fenantren, ultrazvučno potpomognuta konverzija (ultrazvučna snaga postavljena na 150 W) porasla je sa 73,8% postignutih nakon 30 minuta. sonikacija do 83,0% nakon 60 min. sonikacija.
Kako bi se povećala učinkovitost razgradnje, vodikov peroksid se može učinkovitije koristiti kada se doda željezni ion. Pokazalo se da dodatak željeznog iona ima sinergijske učinke simulirajući Fentonovu reakciju.
Preporuka za uređaj:
UP400S s H7
Referentni/istraživački rad:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Razgradnja policikličkih aromatskih ugljikovodika u vodenim otopinama ultrazvučnim zračenjem. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.
Uklanjanje oksidnog sloja sa podloge
Ultrazvučna primjena:
Za pripremu supstrata prije uzgoja CuO nanožica na Cu supstratima, unutarnji sloj oksida na površini Cu uklonjen je ultrazvučnom obradom uzorka u 0,7 M klorovodičnoj kiselini tijekom 2 minute. s Hielscher UP200S. Uzorak je ultrazvučno očišćen u acetonu 5 minuta. za uklanjanje organskih kontaminanata, temeljito isprati deioniziranom (DI) vodom i osušiti u komprimiranom zraku.
Preporuka za uređaj:
UP200S ili UP200St
Referentni/istraživački rad:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012.): Moduliranje svojstava senzora plina CuO nanožica stvaranjem diskretnih nanovelikih p−n spojeva na njihovim površinama. ACS primijenjeni materijali & Sučelja 4, 2012. 4192−4199.
pokusi voltametrije
Ultrazvučna primjena:
Za pokuse voltametrije poboljšane ultrazvukom, korišten je Hielscher ultrazvučni uređaj UP200S od 200 W opremljen staklenim rogom (vrh promjera 13 mm). Ultrazvuk je primijenjen intenzitetom od 8 W/cm–2.
Zbog male brzine difuzije nanočestica u vodenim otopinama i velikog broja redoks centara po nanočestici, u izravnoj voltametriji nanočestica u fazi otopine dominiraju adsorpcijski učinci. Kako bi se otkrile nanočestice bez nakupljanja uslijed adsorpcije, mora se odabrati eksperimentalni pristup s (i) dovoljno visokom koncentracijom nanočestica, (ii) malim elektrodama za poboljšanje omjera signala i pozadine, ili (iii) vrlo brz masovni transport.
Stoga, McKenzie et al. (2012.) upotrijebili su ultrazvuk snage kako bi drastično poboljšali brzinu prijenosa mase nanočestica prema površini elektrode. U njihovom eksperimentalnom postavu, elektroda je izravno izložena ultrazvuku visokog intenziteta s 5 mm udaljenosti između elektrode i roga i 8 W/cm–2 intenzitet ultrazvuka koji rezultira miješanjem i kavitacijskim čišćenjem. Testni redoks sustav, redukcija Ru(NH3) jednim elektronom63+ u vodenoj otopini 0,1 M KCl, korišten je za kalibraciju brzine prijenosa mase postignute pod ovim uvjetima.
Preporuka za uređaj:
UP200S ili UP200St
Referentni/istraživački rad:
McKenzie, KJ; Marken, F. (2001.): Izravna elektrokemija nanočestica Fe2O3 u vodenoj otopini i adsorbiranih na indijev oksid dopiran kositrom. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.
Sonikatori za sonokemijske reakcije od laboratorijskih do industrijskih razmjera
Hielscher nudi cijeli niz ultrazvučnih uređaja od ručnog laboratorijskog homogenizatora do potpuno industrijskih sonikatora za velike količine struje. Svi rezultati postignuti u malom opsegu tijekom testiranja, R&D and optimization of an ultrasonic process, can be >linearly scaled up to full commercial production. Hielscher sonikatori su pouzdani, robusni i napravljeni za rad 24/7.
Pitajte nas kako procijeniti, optimizirati i skalirati vaš proces! Rado ćemo vam pomoći u svim fazama – od prvih testova i optimizacije procesa do ugradnje u vašu industrijsku proizvodnu liniju!
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Primjeri ultrazvučno poboljšane kemijske reakcije u odnosu na konvencionalne reakcije
Donja tablica daje pregled nekoliko uobičajenih kemijskih reakcija. Za svaku reakciju, konvencionalna reakcija naspram ultrazvučno pojačane reakcije se uspoređuje u pogledu prinosa i brzine pretvorbe.
reakcija | Vrijeme reakcije – Konvencionalne | Vrijeme reakcije – ultrazvuk | prinos – Konvencionalne (%) | prinos – Ultrazvuk (%) |
---|---|---|---|---|
Diels-Alderova ciklizacija | 35 h | 3,5 h | 77.9 | 97.3 |
Oksidacija indana u indan-1-on | 3 h | 3 h | manje od 27% | 73% |
Redukcija metoksiaminosilana | nema reakcije | 3 h | 0% | 100% |
Epoksidacija dugolančanih nezasićenih masnih estera | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
Oksidacija arilalkana | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
Michaelova adicija nitroalkana na monosupstituirane α,β-nezasićene estere | 2 dana | 2 h | 85% | 90% |
Permanganatna oksidacija 2-oktanola | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
Sinteza kalkona CLaisen-Schmidtovom kondenzacijom | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
UIllmannovo spajanje 2-jodonitrobenzena | 2 h | 2H | manje tamnjenja 1,5% | 70,4% |
Reformatska reakcija | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(usp. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Osnove intenzifikacije procesa, prvo izdanje. Objavio Wiley 2019.)
Činjenice koje vrijedi znati
Ultrazvučni homogenizatori tkiva koriste se za višestruke procese i industrije. Ovisno o specifičnoj primjeni za koju se sonikator koristi, naziva se ultrasonicator tipa sonde, sonic lyser, sonolyzer, ultrazvučni disruptor, ultrasonic brusilica, sono-ruptor, sonifier, sonic dismembrator, cell disruptor, ultrasonic disperser ili dissolver. Različiti pojmovi ukazuju na specifičnu primjenu koja se ispunjava sonikacijom.