Sonokemija: Napomene o primjeni

Sonokemija je učinak ultrazvučne kavitacije na kemijske sustave. Zbog ekstremnih uvjeta koji nastaju u kavitacijskoj „vrućoj točki”, ultrazvuk velike snage vrlo je učinkovita metoda za poboljšanje ishoda reakcije (veće iskorištenje, bolja kvaliteta), konverzije i trajanja kemijske reakcije. Neke kemijske promjene mogu se postići samo sonikacijom, poput nanošenja nanometarske prevlake kositra na titanij ili aluminij.

U nastavku pronađite izbor čestica i tekućina s pripadajućim preporukama za obradu materijala radi mljevenja, dispergiranja, deaglomeracije ili modificiranja čestica ultrazvučnim homogenizatorom.

U nastavku pronađite nekoliko protokola sonikacije za uspješne sonokemijske reakcije!

Abecednim redom:

α-Epoksiketoni – Reakcija otvaranja prstena

Ultrazvučna primjena:
Katalitičko otvaranje prstena α-epoksiketona provedeno je kombinacijom ultrazvuka i fotokemijskih metoda. Kao fotokatalizator upotrijebljen je spoj 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate (NBTPT). Kombinacijom sonikacije (sonokemije) i fotokemije ovih spojeva u prisutnosti NBTPT-a postignuto je otvaranje epoksidnog prstena. Pokazano je da je primjena ultrazvuka znatno povećala brzinu fotoinducirane reakcije. Ultrazvuk može snažno utjecati na fotokatalitičko otvaranje prstena α-epoksiketona, ponajprije zbog učinkovitog prijenosa tvari reaktanata i pobuđenog stanja NBTPT-a. Također, prijenos elektrona između aktivnih vrsta u ovom homogenom sustavu uz primjenu sonikacije odvija se
brže nego u sustavu bez sonikacije. Veća iskorištenja i kraća vremena reakcije prednosti su ove metode.

Fotokatalitičko otvaranje prstena α-epoksiketona potpomognuto ultrazvukom (istraživanje i grafički prikaz: ©Memarian et al 2007)

Protokol sonikacije:
α-Epoksiketoni 1a-f i spoj 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate 2 pripremljeni su prema objavljenim postupcima. Metanol je kupljen od tvrtke Merck i destiliran prije uporabe. Upotrijebljen je ultrazvučni uređaj sa sondom UP400S tvrtke Hielscher Ultrasonics GmbH. Upotrijebljen je uronjivi ultrazvučni rog S3 (poznat i kao sonda ili sonotroda) koji emitira ultrazvuk frekvencije 24 kHz pri razinama intenziteta podesivima do maksimalne gustoće akustičke snage od 460Wcm^-2 . Sonikacija je provedena pri 100% (maksimalna amplituda 210μm). Sonotroda S3 (maksimalna dubina uranjanja 90mm) uronjena je izravno u reakcijsku smjesu. UV ozračivanje provedeno je visokotlačnom živinom svjetiljkom tvrtke Narva snage 400W uz hlađenje uzoraka u staklu Duran. Spektri ¹H NMR smjese fotoprodukata izmjereni su u otopinama CDCl₃ koje su sadržavale tetrametilsilan (TMS) kao unutarnji standard na uređaju Bruker drx-500 (500 MHz). Preparativna slojna kromatografija (PLC) provedena je na pločama dimenzija 20 × 20cm² obloženima slojem debljine 1mm od silikagela Merck PF₂₅₄ pripremljenima nanošenjem silikagela u obliku suspenzije i sušenjem na zraku. Svi su produkti poznati, a njihovi spektralni podaci već su ranije objavljeni.
Preporučeni uređaj:
UP400S s ultrazvučnim rogom S3
Referenca / znanstveni rad:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Fotosonokemijsko katalitičko otvaranje prstena α-epoksiketona. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Katalizator aluminij/nikal: Nanostrukturiranje slitine Al/Ni

Ultrazvučna primjena:
Čestice Al/Ni mogu se sonokemijski modificirati nanostrukturiranjem početne slitine Al/Ni. Time se dobiva učinkovit katalizator za hidrogenaciju acetofenona.
Ultrazvučna priprema katalizatora Al/Ni:
5g komercijalne slitine Al/Ni dispergirano je u pročišćenoj vodi (50mL) i sonikirano do 50 min. sonikatorom sa sondom UIP1000hd (1kW, 20kHz), opremljenim ultrazvučnim rogom BS2d22 (površina glave 3,8 cm²) i pojačivačem amplitude B2-1.8. Izračunati maksimalni intenzitet iznosio je 140 Wcm⁻² pri mehaničkoj amplitudi od 106μm. Kako bi se izbjegao porast temperature tijekom sonikacije, pokus je proveden u termostatiranoj ćeliji. Nakon sonikacije uzorak je osušen pod vakuumom pištoljem na vrući zrak.
Preporučeni uređaj:
UIP1000hd sa sonotrodom BS2d22 i pojačivačem amplitude B2–1,2
Referenca / znanstveni 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 za hidrogenaciju. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterifikacija biodizela uz primjenu MgO katalizatora

Primjena ultrazvuka:
Reakcija transesterifikacije proučavana je uz stalno ultrazvučno miješanje sonikatorom UP200S pri različitim parametrima, kao što su količina katalizatora, molarni omjer metanola i ulja, temperatura reakcije i trajanje reakcije. Šaržni pokusi provedeni su u reaktoru od tvrdog stakla (300 ml, unutarnji promjer 7 cm) s poklopcem s dva grla s brušenim spojevima. Jedno grlo bilo je spojeno s titanijskom sonotrodom S7 (promjer vrha 7 mm) ultrazvučnog procesora UP200S (200W, 24kHz). Amplituda ultrazvuka postavljena je na 50% uz 1 ciklus u sekundi. Reakcijska smjesa sonicirana je tijekom cijelog trajanja reakcije. Drugo grlo reakcijske komore bilo je opremljeno posebno prilagođenim, vodom hlađenim kondenzatorom od nehrđajućeg čelika za povrat isparenog metanola u reakcijsku smjesu. Cijela aparatura postavljena je u uljnu kupelj stalne temperature kojom je upravljao proporcionalno-integralno-derivacijski regulator temperature. Temperatura se može povisiti do 65°C uz točnost od ±1°C. Kao sirovine za transesterifikaciju biodizela korišteni su otpadno ulje i metanol čistoće 99,9%. Kao katalizator korišten je MgO nanometarske veličine taložen iz dima (magnezijeva vrpca).
Izvrstan rezultat konverzije dobiven je uz 1,5 wt% katalizatora; pri molarnom omjeru metanola i ulja od 5:1 i temperaturi od 55°C nakon 45 min. postignuta je konverzija od 98,7%.
Preporučeni uređaj:
UP200S s ultrazvučnom sonotrodom S7
Referenca / znanstveni rad:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Istraživanja sonokemijske proizvodnje biodizela uz primjenu nano MgO katalizatora taloženog iz dima. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Sinteza nanokompozita kadmij(II)–tioacetamid

Primjena ultrazvuka:
Nanokompoziti kadmij(II)–tioacetamid sintetizirani su sonokemijskim postupkom u prisutnosti i odsutnosti polivinilnog alkohola. Za sonokemijsku sintezu (sonosintezu), 0,532 g kadmijeva(II) acetata dihidrata (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioacetamida (TAA, CH3CSNH2) i 0,664 g kalijeva jodida (KI) otopljeno je u 20mL dvostruko destilirane deionizirane vode. Ta je otopina sonikirana sondnim ultrazvučnim uređajem velike snage UP400S (24 kHz, 400W) pri sobnoj temperaturi tijekom 1 h. Tijekom sonikacije reakcijske smjese temperatura je porasla na 70–80degC, kako je izmjereno termoparom željezo–constantin. Nakon jednog sata nastao je jarkožuti talog. Izdvojen je centrifugiranjem (4.000 rpm, 15 min), ispran dvostruko destiliranom vodom, a zatim apsolutnim etanolom radi uklanjanja preostalih nečistoća te na kraju osušen na zraku (prinos: 0,915 g, 68%). Temperatura raspadanja: 200°C. Za pripremu polimernog nanokompozita, 1,992 g polivinilnog alkohola otopljeno je u 20 mL dvostruko destilirane deionizirane vode, a zatim dodano u prethodno navedenu otopinu. Ta je smjesa izložena ultrazvuku ultrazvučnom sondom UP400S tijekom 1 h, pri čemu je nastao jarkonarančasti produkt.
Rezultati SEM analize pokazali su da se u prisutnosti PVA veličina čestica smanjila s oko 38 nm na 25 nm. Zatim smo sintetizirali heksagonske nanočestice CdS sferične morfologije toplinskim raspadanjem polimernog nanokompozita kadmij(II)–tioacetamid/PVA kao prekursora. Veličina nanočestica CdS izmjerena je metodama XRD i SEM, a rezultati su se međusobno vrlo dobro podudarali.
Ranjbar i sur. (2013) također su utvrdili da je polimerni nanokompozit Cd(II) prikladan prekursor za pripremu nanočestica kadmijeva sulfida zanimljivih morfologija. Svi su rezultati pokazali da se ultrazvučna sinteza može uspješno primijeniti kao jednostavna, učinkovita, jeftina, ekološki prihvatljiva i vrlo obećavajuća metoda za sintezu materijala nanometarskih dimenzija bez potrebe za posebnim uvjetima, kao što su visoka temperatura, dugo trajanje reakcije i visoki tlak.
Preporučeni uređaj:
UP400S
Referenca / znanstveni 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

Primjena ultrazvuka:
Ultrazvučno oblaganje nanotaloženog CaCO₃ (NPCC) stearinskom kiselinom radi poboljšanja njegova dispergiranja u polimeru i smanjenja aglomeracije. 2g neobloženog nanotaloženog CaCO₃ (NPCC) sonikirano je sonikatorom UP400S u 30ml etanola. U etanolu je otopljeno 9 wt% stearinske kiseline. Etanol sa stearinskom kiselinom zatim je pomiješan sa sonikacijom obrađenom suspenzijom.
Preporučeni uređaj:
UP400S sa sonotrodom promjera 22mm (H22D) i protočnom ćelijom s rashladnim plaštem
Referenca / znanstveni rad:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Učinci ultrazvuka pri oblaganju nanotaloženog CaCO3 stearinskom kiselinom. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Silan dopiran cerijevim nitratom

Primjena ultrazvuka:
Hladno valjane ploče od ugljičnog čelika (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; kemijski očišćene i mehanički polirane) upotrijebljene su kao metalne podloge. Prije nanošenja premaza ploče su ultrazvučno očišćene acetonom, a zatim alkalnom otopinom (otopina NaOH koncentracije 0,3mol L1) pri 60°C tijekom 10 min. Za upotrebu kao temeljnog premaza, prije predobrade podloge, tipična formulacija koja sadržava 50 dijelova γ-glicidoksipropiltrimetoksisilana (γ-GPS) razrijeđena je s približno 950 dijelova metanola pri pH 4,5 (podešenom octenom kiselinom) te ostavljena da se omogući hidroliza silana. Postupak pripreme silana dopiranog pigmentima cerijeva nitrata bio je jednak, osim što je u metanolnu otopinu prije dodavanja (γ-GPS) dodano 1, 2, 3 wt% cerijeva nitrata, a zatim je ta otopina miješana propelerskom miješalicom pri 1600 rpm tijekom 30 min. na sobnoj temperaturi. Zatim su disperzije koje sadržavaju cerijev nitrat sonificirane tijekom 30 min pri 40°C uz vanjsku rashladnu kupelj. Sonikacija je provedena ultrazvučnim uređajem UIP1000hd (1000W, 20 kHz) uz ulaznu ultrazvučnu snagu od približno 1 W/mL. Predobrada podloge provedena je ispiranjem svake ploče odgovarajućom otopinom silana tijekom 100 sekundi. Nakon obrade ploče su ostavljene da se suše na sobnoj temperaturi tijekom 24 h, a zatim su prethodno obrađene ploče premazane dvokomponentnim epoksidnim premazom koji se umrežava aminom (Epon 828, shell Co.) kako bi se postigla debljina mokrog filma od 90μm. Ploče s epoksidnim premazom ostavljene su da se umrežavaju tijekom 1h pri 115°C; nakon umrežavanja epoksidnih premaza debljina suhog filma iznosila je približno 60μm.
Preporučeni uređaj:
UIP1000hd
Referenca / znanstveni rad:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Elektrokemijski učinci predobrade silanima koji sadržavaju cerijev nitrat na svojstva katodnog odvajanja epoksidnog premaza od čelika. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Bakreno-aluminijske strukture: sinteza poroznih struktura Cu-Al

Ultrazvučna primjena:
Porozni bakar–aluminij stabiliziran metalnim oksidom obećavajući je novi alternativni katalizator za dehidrogenaciju propana koji ne sadržava plemenite ni opasne metale. Struktura oksidirane porozne legure Cu–Al (metalne spužve) slična je metalima Raneyeva tipa. Ultrazvuk velike snage alat je zelene kemije za sintezu poroznih bakreno-aluminijskih struktura stabiliziranih metalnim oksidom. One su jeftine (trošak proizvodnje približno 3 EUR/liter), a metoda se lako može prenijeti na veće mjerilo. Ti novi porozni materijali (ili „metalne spužve”) imaju unutrašnjost od legure i oksidiranu površinu te mogu katalizirati dehidrogenaciju propana pri niskim temperaturama.
Postupak ultrazvučne pripreme katalizatora:
Pet grama praha legure Al–Cu dispergirano je u ultračistoj vodi (50mL) i sonificirano tijekom 60 min Hielscher sonikatorom sa sondom UIP1000hd (20kHz, maks. izlazna snaga 1000W). Ultrazvučni uređaj sa sondom bio je opremljen sonotrodom BS2d22 (površina vrha 3,8cm²) i pojačivačem amplitude B2–1,2. Izračunata maksimalna vrijednost intenziteta iznosila je 57 W/cm² pri mehaničkoj amplitudi od 81μm. Tijekom obrade uzorak je hlađen u ledenoj kupelji. Nakon obrade uzorak je sušen pri 120°C tijekom 24 h.
Preporučeni uređaj:
UIP1000hd sa sonotrodom BS2d22 i pojačivačem amplitude B2–1,2
Referenca / znanstveni rad:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Novi i učinkoviti bakreno-aluminijski katalizatori za dehidrogenaciju propana. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Razgradnja bakrova ftalocijanina

Ultrazvučna primjena:
Obezbojenje i razaranje metaloftalocijanina
Bakrov ftalocijanin sonificira se s vodom i organskim otapalima pri temperaturi okoline i atmosferskom tlaku u prisutnosti katalitičke količine oksidansa ultrazvučnim uređajem UIP500hd snage 500W s komorom fold-trough pri razini snage od 37–59 W/cm²: 5 mL uzorka (100 mg/L), 50 D/D vode s kloroformom i piridinom pri 60% ultrazvučne amplitude. Temperatura reakcije: 20°C.
Preporučeni uređaj:
UIP500hd

Zlato: morfološka modifikacija nanočestica zlata

Ultrazvučna primjena:
Nanočestice zlata morfološki su modificirane intenzivnim ultrazvučnim ozračivanjem. Za spajanje nanočestica zlata u strukturu nalik bučici dovoljnom se pokazala ultrazvučna obrada u trajanju od 20 min. u čistoj vodi i u prisutnosti površinski aktivnih tvari. Nakon 60 min. sonikacije nanočestice zlata u vodi poprimaju crvoliku ili prstenastu strukturu. Spojene nanočestice kuglastog ili ovalnog oblika nastale su ultrazvučnom obradom u prisutnosti otopina natrijeva dodecil-sulfata ili dodecilamina.
Protokol ultrazvučne obrade:
Za ultrazvučnu modifikaciju otopina koloidnog zlata, koja se sastojala od prethodno oblikovanih nanočestica zlata zaštićenih citratom, prosječnog promjera 25nm (± 7nm), sonicirana je u zatvorenoj reaktorskoj komori (volumena približno 50mL). Otopina koloidnog zlata (0,97 mmol·L^-1) ultrazvučno je ozračivana visokim intenzitetom (40 W/cm^-2) pomoću ultrazvučnog uređaja Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W) opremljenog sonotrodom BS2d18 od titanijeve legure (promjer vrha 0,7 inča), koja je bila uronjena približno 2 cm ispod površine sonicirane otopine. Kroz koloidno zlato propuštan je argon (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. prije i tijekom sonikacije pri protoku od 200 mL·min^-1 kako bi se uklonio kisik iz otopine. Obrok od 35 mL svake otopine površinski aktivne tvari bez dodatka trinatrijeva citrata dihidrata spojen je s 15 mL prethodno pripremljenog koloidnog zlata, uz propuštanje mjehurića argona 20 min. prije i tijekom ultrazvučne obrade.
Preporučeni uređaj:
UIP1000hd sa sonotrodom BS2d18 i reaktorom s protočnom ćelijom
Referenca / znanstveni rad:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ultrazvučno potpomognuto spajanje prethodno oblikovanih nanočestica zlata. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Anorgansko gnojivo – izluživanje 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 sadržavaju smjesu gnojiva i otapala soniciraju se ultrazvučnim uređajem, poput sonikatora VialTweeter za neizravnu sonikaciju. Uzorci gnojiva sonicirani su u prisutnosti 2mL 50% (v/v) HNO₃ u staklenim epruvetama tijekom 3 minute. Ekstrakti Cu, Cd i Pb mogu se odrediti plamenom atomskom apsorpcijskom spektrometrijom (FAAS).
Preporučeni uređaj:
VialTweeter
Referenca / znanstveni rad:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternativna analitička metoda za određivanje metala u anorganskim gnojivima temeljena na ultrazvučno potpomognutoj ekstrakciji. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Sinteza lateksa

Ultrazvučna primjena:
Priprema lateksa P(St-BA)
Čestice lateksa poli(stiren-r-butil-akrilata) P(St-BA) sintetizirane su emulzijskom polimerizacijom u prisutnosti površinski aktivne tvari DBSA. Najprije je 1 g DBSA otopljen u 100mL vode u tikvici s tri grla, a pH vrijednost otopine podešena je na 2,0. Smjesa monomera od 2,80g St i 8,40g BA s inicijatorom AIBN (0,168g) ulivena je u otopinu DBSA. Emulzija ulja u vodi (O/W) pripremljena je magnetskim miješanjem tijekom 1 h, nakon čega je slijedila sonikacija sonikatorom UIP1000hd opremljenim ultrazvučnim rogom (sondom / sonotrodom) još 30 min. u ledenoj kupelji. Naposljetku je polimerizacija provedena pri 90degC u uljnoj kupelji tijekom 2h u atmosferi dušika.
Preporučeni uređaj:
UIP1000hd
Referenca / znanstveni rad:
Izrada savitljivih vodljivih filmova dobivenih od poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) na podlozi od netkanog tekstila. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Kliknite ovdje kako biste pročitali više o sonosintezi lateksa!

Uklanjanje olova (sonoizluživanje)

Ultrazvučna primjena:
Ultrazvučno izluživanje olova iz onečišćenog tla:
Pokusi ultrazvučnog izluživanja provedeni su ultrazvučnim homogenizatorom UP400S s titanijevom ultrazvučnom sondom (promjera 14mm), koji radi na frekvenciji od 20kHz. Ultrazvučna sonda (sonotroda) kalibrirana je kalorimetrijski, uz intenzitet ultrazvuka postavljen na 51 ± 0,4 W cm^-2 za sve pokuse sonoizluživanja. Pokusi sonoizluživanja termostatirani su u staklenoj ćeliji s ravnim dnom i plaštem pri 25 ± 1°C. Kao otopine za izluživanje tla (0,1L) tijekom sonikacije upotrijebljena su tri sustava: 6 mL otopine octene kiseline koncentracije 0,3 mol L^-2 (pH 3,24), 3% (v/v) otopina dušične kiseline (pH 0,17) i pufer octene kiseline/acetata (pH 4,79) pripremljen miješanjem 60mL 0f otopine octene kiseline koncentracije 0,3 mol L^-1 s 19 mL otopine koncentracije 0,5 mol L^-1 NaOH. Nakon postupka sonoizluživanja uzorci su filtrirani filtarskim papirom kako bi se otopina izlužine odvojila od tla, nakon čega su provedeni elektrotaloženje olova iz otopine izlužine i digestija tla nakon primjene ultrazvuka.
Dokazano je da je ultrazvuk vrijedan alat za poboljšanje izluživanja olova iz onečišćenog tla. Ultrazvuk je također učinkovita metoda za gotovo potpuno uklanjanje olova koje se može izlužiti iz tla, čime tlo postaje znatno manje opasno.
Preporučeni uređaj:
UP400S sa sonotrodom H14
Referenca / znanstveni rad:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Kombinacija ultrazvučnog izluživanja i elektrokemijske obrade za uklanjanje olova iz tla. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – sinteza nanočestica olovova sulfida

Ultrazvučna primjena:
Pri sobnoj temperaturi 0,151 g olovova acetata (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) i 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) dodani su u 5mL ionske tekućine, [EMIM] [EtSO₄], i 15mL dvostruko destilirane vode u čaši od 50mL, koja je izložena ultrazvučnom zračenju sonikatorom Hielscher UP200S tijekom 7 min. Vrh ultrazvučne sonde / sonotrode S1 uronjen je izravno u reakcijsku otopinu. Nastala tamnosmeđa suspenzija centrifugirana je kako bi se izdvojio talog, koji je zatim dvaput ispran dvostruko destiliranom vodom i etanolom radi uklanjanja neizreagiranih reagensa. Kako bi se istražio učinak ultrazvuka na svojstva proizvoda, pripremljen je još jedan usporedni uzorak, pri čemu su reakcijski parametri ostali nepromijenjeni, osim što je proizvod pripremljen uz neprekidno miješanje tijekom 24 h bez primjene ultrazvučnog zračenja.
Za pripremu nanočestica PbS predložena je ultrazvučno potpomognuta sinteza u vodenoj ionskoj tekućini pri sobnoj temperaturi. Ova zelena metoda, koja se provodi pri sobnoj temperaturi i neškodljiva je za okoliš, brza je i ne zahtijeva predložak, čime se znatno skraćuje vrijeme sinteze i izbjegavaju složeni sintetski postupci. Tako pripremljeni nanoklasteri pokazuju golem plavi pomak od 3,86 eV, koji se može pripisati vrlo maloj veličini čestica i učinku kvantnog ograničenja.
Preporučeni uređaj:
UP200S
Referenca / znanstveni rad:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Jednostavna priprema i karakterizacija nanočestica PbS pri sobnoj temperaturi u vodenoj ionskoj tekućini [EMIM][EtSO4] primjenom ultrazvučnog zračenja. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Razgradnja fenola

Ultrazvučna primjena:
Rokhina i sur. (2013) upotrijebili su kombinaciju peroctene kiseline (PAA) i heterogenog katalizatora (MnO₂) za razgradnju fenola u vodenoj otopini uz ultrazvučno zračenje. Sonikacija je provedena sonikatorom UP400S sa sondom snage 400W, koji može provoditi sonikaciju neprekidno ili u pulsnom načinu rada (tj. 4 s uključen i 2 s isključen) pri stalnoj frekvenciji od 24 kHz. Izračunata ukupna ulazna snaga, gustoća snage i intenzitet snage predane sustavu iznosili su redom 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, i 14,3 W/cm^-2. Tijekom svih pokusa primjenjivana je stalna snaga. Za regulaciju temperature unutar reaktora upotrijebljen je uronjivi cirkulator. Stvarno trajanje sonikacije bilo je 4 h, iako je ukupno trajanje reakcije bilo 6 h zbog rada u pulsnom načinu. U tipičnom pokusu stakleni reaktor napunjen je sa 100mL otopine fenola (1,05 mM) i odgovarajućim dozama katalizatora MnO2 i PAA (2%), u rasponima 0–2 g L^-1 i 0–150 ppm, redom. Sve reakcije provedene su pri približno neutralnom pH, atmosferskom tlaku i sobnoj temperaturi (22 ± 1 °C).
Sonikacijom je povećana površina katalizatora, što je rezultiralo 4 puta većom površinom bez promjena u strukturnom pogledu. Frekvencije katalitičkih ciklusa (TOF) povećane su sa 7 x 10^-3 na 12,2 x 10^-3 min^-1, u usporedbi s procesom bez ultrazvuka. Osim toga, nije utvrđeno značajno izluživanje katalizatora. Izotermna oksidacija fenola pri relativno niskim koncentracijama reagensa pokazala je visoke stupnjeve uklanjanja fenola (do 89%) u blagim uvjetima. Općenito, ultrazvuk je ubrzao proces oksidacije tijekom prvih 60 min. (70% uklonjenog fenola u usporedbi s 40% tijekom obrade bez ultrazvuka).
Preporučeni uređaj:
UP400S
Referenca / znanstveni rad:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultrazvučno potpomognuta homoliza peroctene kiseline katalizirana s pomoću MnO₂ za razgradnju fenola: Procjena kemije i kinetike procesa. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenol: Oksidacija fenola primjenom RuI₃ kao katalizatora

Ultrazvučna primjena:
Heterogena oksidacija fenola u vodi uz RuI₃ vodikovim peroksidom (H₂O₂): Katalitička oksidacija fenola (100 ppm) uz RuI₃ kao katalizator proučavana je u staklenom reaktoru od 100 mL opremljenom magnetskom miješalicom i regulatorom temperature. Reakcijska smjesa miješana je brzinom od 800 rpm tijekom 1–6 sati kako bi se osiguralo potpuno miješanje radi ravnomjerne raspodjele i potpune suspenzije čestica katalizatora. Tijekom sonikacije otopina nije mehanički miješana zbog gibanja uzrokovanog osciliranjem i kolapsom kavitacijskih mjehurića, koje samo po sebi osigurava iznimno učinkovito miješanje. Ultrazvučno ozračivanje otopine provedeno je ultrazvučnim pretvornikom UP400S s ultrazvučnom opremom (tzv. sonikator sa sondom), koji može raditi kontinuirano ili u pulsnom načinu pri stalnoj frekvenciji od 24 kHz i maksimalnoj izlaznoj snazi od 400W.
Za pokus je neobrađeni RuI₃ kao katalizator (0,5–2 gL^-1) unesen u obliku suspenzije u reakcijski medij, nakon čega je dodan H2O2 (30%, koncentracija u rasponu od 200–1200 ppm).
Rokhina i sur. utvrdili su u svojem istraživanju da je ultrazvučno ozračivanje imalo istaknutu ulogu u promjeni teksturnih svojstava katalizatora, stvarajući mikroporoznu strukturu s većom površinom kao rezultat fragmentacije čestica katalizatora. Osim toga, djelovalo je poticajno, sprječavajući aglomeraciju čestica katalizatora i poboljšavajući pristup fenola i vodikova peroksida aktivnim mjestima katalizatora.
Dvostruko povećanje učinkovitosti ultrazvučno potpomognutog procesa u usporedbi s procesom oksidacije bez ultrazvuka pripisano je poboljšanom katalitičkom djelovanju katalizatora i stvaranju oksidirajućih vrsta kao što su •OH, •HO2 i •I₂ cijepanjem vodikovih veza i rekombinacijom radikala.
Preporučeni uređaj:
UP400S
Referenca / znanstveni rad:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ultrazvučno potpomognuta heterogena oksidacija fenola peroksidom u vodenom mediju katalizirana rutenijem. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Čestice Ag/ZnO obložene PLA-om

Ultrazvučna primjena:
Oblaganje čestica Ag/ZnO PLA-om: Mikročestice i submikročestice Ag/ZnO obložene PLA-om pripremljene su tehnikom isparavanja otapala iz emulzije ulja u vodi. Ova je metoda provedena na sljedeći način. Najprije je 400 mg polimera otopljeno u 4 ml kloroforma. Dobivena koncentracija polimera u kloroformu iznosila je 100 mg/ml. Zatim je otopina polimera emulgirana u vodenoj otopini različitih sustava površinski aktivnih tvari (emulgator, PVA 8-88) uz neprekidno miješanje homogenizatorom pri brzini od 24.000 rpm. Smjesa je miješana 5 min., a tijekom tog razdoblja emulzija koja je nastajala hlađena je ledom. Omjer vodene otopine površinski aktivne tvari i otopine PLA-a u kloroformu bio je jednak u svim pokusima (4:1). Nakon toga dobivena je emulzija sonikirana ultrazvučnim uređajem sa sondom UP400S (400W, 24kHz) tijekom 5 min. pri ciklusu 0,5 i amplitudi 35%. Na kraju je pripremljena emulzija prenesena u Erlenmeyerovu tikvicu i miješana, a organsko je otapalo ispareno iz emulzije pod sniženim tlakom, što je u konačnici dovelo do nastanka suspenzije čestica. Nakon uklanjanja otapala suspenzija je centrifugirana tri puta kako bi se uklonio emulgator.
Preporučeni uređaj:
UP400S
Referenca / znanstveni rad:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Mikrovalno sintetizirane hibridne antibakterijske čestice obložene poli(L-mliječnom kiselinom). Nanocon 2011.

Polianilinski kompozit

Primjena ultrazvuka:
Priprema kompozita samodopiranog nanopolianilina (SPAni) na vodenoj osnovi (Sc-WB)
Za pripremu kompozita SPAni na vodenoj osnovi, 0,3 gr SPAni-ja, sintetiziranog polimerizacijom in situ u mediju ScCO2, razrijeđeno je vodom i sonikirano 2 minute ultrazvučnim homogenizatorom UIP1000hd snage 1000W. Zatim je dobivena suspenzija homogenizirana 15 min. uz dodavanje 125 gr matrice učvršćivača na vodenoj osnovi, a završna sonikacija provedena je pri temperaturi okoline tijekom 5 min.
Preporučeni uređaj:
UIP1000hd
Referenca / znanstveni rad:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Zaštitna svojstva epoksidnog premaza na vodenoj osnovi koji sadržava samodopirani nanopolianilin sintetiziran u ScCO2. 2013.

Policiklički aromatski ugljikovodici: Sonokemijska razgradnja naftalena, acenaftilena i fenantrena

Primjena ultrazvuka:
Za sonokemijsku razgradnju policikličkih aromatskih ugljikovodika (PAH-ova) naftalena, acenaftilena i fenantrena u vodi, smjese uzoraka sonicirane su pri 20◦C i koncentraciji svakog ciljnog PAH-a od 50 µg/l (ukupna početna koncentracija 150 µg/l). Sonikacija je provedena ultrazvučnim uređajem UP400S sa sonotrodom (400W, 24kHz), koji može raditi u kontinuiranom ili impulsnom načinu rada. Sonikator UP400S bio je opremljen titanskom sondom H7 s vrhom promjera 7 mm. Reakcije su provedene u cilindričnoj staklenoj reakcijskoj posudi volumena 200 mL s titanskom sonotrodom postavljenom na vrhu reakcijske posude i zabrtvljenom O-prstenovima i teflonskim ventilom. Reakcijska posuda postavljena je u vodenu kupelj radi regulacije procesne temperature. Kako bi se izbjegle bilo kakve fotokemijske reakcije, posuda je prekrivena aluminijskom folijom.
Rezultati analize pokazali su da se konverzija PAH-ova povećava s produljenjem trajanja sonikacije.
Za naftalen se ultrazvučno potpomognuta konverzija (snaga ultrazvuka postavljena na 150W) povećala sa 77,6% postignutih nakon 30 min. sonikacije na 84,4% nakon 60 min. sonikacije.
Za acenaftilen se ultrazvučno potpomognuta konverzija (snaga ultrazvuka postavljena na 150W) povećala sa 77,6% postignutih nakon 30 min. sonikacije pri snazi ultrazvuka od 150W na 84,4% nakon 60 min. sonikacije ultrazvukom snage 150W, povećala se sa 80,7% postignutih nakon 30 min. sonikacije pri snazi ultrazvuka od 150W na 96,6% nakon 60 min. sonikacije.
Za fenantren se ultrazvučno potpomognuta konverzija (snaga ultrazvuka postavljena na 150W) povećala sa 73,8% postignutih nakon 30 min. sonikacije na 83,0% nakon 60 min. sonikacije.
Radi povećanja učinkovitosti razgradnje, vodikov peroksid može se učinkovitije iskoristiti kada se doda ion željeza(II). Pokazalo se da dodatak iona željeza(II) ima sinergijske učinke koji oponašaju reakciju sličnu Fentonovoj.
Preporučeni uređaj:
UP400S s H7
Referenca / znanstveni rad:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Razgradnja policikličkih aromatskih ugljikovodika u vodenim otopinama ultrazvučnim ozračivanjem. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Uklanjanje oksidnog sloja s podloga

Primjena ultrazvuka:
Za pripremu podloge prije rasta nanožica CuO na podlogama od Cu, prirodni oksidni sloj na površini Cu uklonjen je soniciranjem uzorka u 0,7 M klorovodičnoj kiselini tijekom 2 min. uređajem Hielscher UP200S. Uzorak je ultrazvučno očišćen u acetonu tijekom 5 min. radi uklanjanja organskih onečišćenja, temeljito ispran deioniziranom (DI) vodom i osušen komprimiranim zrakom.
Preporučeni uređaj:
UP200S ili UP200St
Referenca / znanstveni rad:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Prilagodba svojstava detekcije plinova nanožica CuO stvaranjem odvojenih p−n spojeva nanometarskih dimenzija na njihovim površinama. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Voltametrijski eksperimenti

Primjena ultrazvuka:
Za voltametrijske eksperimente poboljšane ultrazvukom upotrijebljen je ultrazvučni uređaj Hielscher UP200S snage 200 vata, opremljen staklenom sonotrodom (vrh promjera 13 mm). Ultrazvuk je primijenjen pri intenzitetu od 8 W/cm^–2.
Zbog spore difuzije nanočestica u vodenim otopinama i velikog broja redoks-centara po nanočestici, u izravnoj voltametriji nanočestica u otopini prevladavaju adsorpcijski učinci. Kako bi se nanočestice mogle detektirati bez nakupljanja uslijed adsorpcije, potrebno je odabrati eksperimentalni pristup s (i) dovoljno visokom koncentracijom nanočestica, (ii) malim elektrodama radi poboljšanja omjera signala i pozadine ili (iii) vrlo brzim prijenosom mase.
Stoga su McKenzie i sur. (2012) primijenili ultrazvuk velike snage kako bi drastično povećali brzinu prijenosa mase nanočestica prema površini elektrode. U njihovu eksperimentalnom postavu elektroda je izravno izložena ultrazvuku visokog intenziteta pri udaljenosti između elektrode i sonotrode od 5 mm te intenzitetu sonikacije od 8 W/cm^–2 koji dovodi do miješanja i kavitacijskog čišćenja. Za umjeravanje brzine prijenosa mase postignute u tim uvjetima upotrijebljen je ispitni redoks-sustav, jednoelektronska redukcija Ru(NH3)₆³⁺ u vodenoj otopini 0,1 M KCl.
Preporuka uređaja:
UP200S ili UP200St
Referenca / znanstveni rad:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Izravna elektrokemija nanočestičnog Fe2O3 u vodenoj otopini i adsorbiranog na indijev oksid dopiran kositrom. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Sonikatori za sonokemijske reakcije od laboratorijskog do industrijskog mjerila

Hielscher nudi cjelokupan raspon ultrazvučnih uređaja, od ručnog laboratorijskog homogenizatora do potpuno industrijskih sonikatora za tokove velikog volumenskog protoka. Svi rezultati postignuti u malom mjerilu tijekom ispitivanja, istraživanja i razvoja te optimizacije ultrazvučnog procesa mogu se >linearno prenijeti na veće mjerilo pune komercijalne proizvodnje. Sonikatori Hielscher pouzdani su, robusni i izrađeni za rad 24/7.
Pitajte nas kako procijeniti i optimizirati svoj proces te povećati njegovo mjerilo! Rado ćemo vam pomoći u svim fazama – od prvih ispitivanja i optimizacije procesa do ugradnje u vašu industrijsku proizvodnu liniju!