Szonokémia: alkalmazási útmutatók

A szonokémia az ultrahangos kavitáció kémiai rendszerekre gyakorolt hatását jelenti. A kavitációs „forró pontban” kialakuló szélsőséges körülmények miatt a nagy teljesítményű ultrahang rendkívül hatékony módszer a kémiai reakció eredményének (nagyobb hozam, jobb minőség), konverziójának és időtartamának javítására. Bizonyos kémiai változások kizárólag ultrahangos kezeléssel érhetők el, például a titán vagy az alumínium nanoméretű ónbevonattal való ellátása.

Az alábbiakban részecskék és folyadékok válogatását találja, valamint ajánlásokat arra, hogyan kezelje az anyagot ultrahangos homogenizátorral a részecskék őrlése, diszpergálása, deagglomerálása vagy módosítása céljából.

Az alábbiakban néhány ultrahangos kezelési protokollt talál a sikeres szonokémiai reakciókhoz!

Ábécérendben:

α-epoxiketonok – gyűrűnyitási reakció

Ultrahangos alkalmazás:
Az α-epoxiketonok katalitikus gyűrűnyitását ultrahang és fotokémiai módszerek kombinációjával végezték. Fotokatalizátorként 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridínium-tetrafluoroborátot (NBTPT) használtak. E vegyületek ultrahangos kezelésének (szonokémiájának) és fotokémiájának kombinálásával, NBTPT jelenlétében megvalósították az epoxidgyűrű felnyitását. Kimutatták, hogy az ultrahang alkalmazása jelentősen növelte a fény által kiváltott reakció sebességét. Az ultrahang jelentősen befolyásolhatja az α-epoxiketonok fotokatalitikus gyűrűnyitását, elsősorban a reaktánsok hatékony anyagátadása és az NBTPT gerjesztett állapota miatt. Ebben a homogén rendszerben az aktív specieszek közötti elektronátadás is
gyorsabban megy végbe ultrahangos kezelés mellett, mint ultrahangos kezelés nélkül. A módszer előnye a nagyobb hozam és a rövidebb reakcióidő.

Az α-epoxiketonok ultrahanggal segített fotokatalitikus gyűrűnyitása (tanulmány és ábra: ©Memarian et al 2007)

Ultrahangos kezelési protokoll:
Az 1a-f jelű α-epoxiketonokat és a 2 jelű 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridínium-tetrafluoroborátot a közölt eljárások szerint állították elő. A metanolt a Merck vállalattól szerezték be, és használat előtt desztillálták. Ultrahangos készülékként a Hielscher Ultrasonics GmbH UP400S szondás ultrahangos készülékét használták. Egy 24 kHz frekvenciájú ultrahangot kibocsátó S3 ultrahangos merülőfejet (más néven szondát vagy szonotródát) alkalmaztak, amelynek intenzitása legfeljebb 460Wcm^-2 maximális akusztikus teljesítménysűrűségig volt szabályozható. Az ultrahangos kezelést 100%-os beállítással végezték (maximális amplitúdó: 210μm). Az S3 szonotródát (maximális merülési mélység: 90mm) közvetlenül a reakcióelegybe merítették. Az UV-besugárzást a Narva 400W teljesítményű nagynyomású higanylámpájával végezték, miközben a Duran üvegben lévő mintákat hűtötték. A fototermékek elegyének ¹H NMR-spektrumait CDCl₃ oldatokban, belső standardként tetrametilszilánt (TMS) használva mérték Bruker drx-500 (500 MHz) készülékkel. A preparatív rétegkromatográfiát (PLC) 20 × 20cm² méretű, 1mm vastag Merck PF₂₅₄ szilikagélréteggel bevont lemezeken végezték, amelyeket a szilikagél szuszpenzióként történő felvitelével és levegőn való szárításával készítettek. Minden termék ismert, spektrális adataikat korábban már közölték.
Ajánlott készülék:
UP400S S3 ultrahangos fejjel
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Az α-epoxiketonok fotoszonokémiai katalitikus gyűrűnyitása. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Alumínium/nikkel katalizátor: az Al/Ni ötvözet nanoszerkezetének kialakítása

Ultrahangos alkalmazás:
Az Al/Ni részecskék szonokémiailag módosíthatók a kiindulási Al/Ni ötvözet nanoszerkezetének kialakításával. Ezáltal az acetofenon hidrogénezéséhez hatékony katalizátor állítható elő.
Az Al/Ni katalizátor ultrahangos előállítása:
5g kereskedelmi forgalomban kapható Al/Ni ötvözetet tisztított vízben (50mL) diszpergáltak, majd legfeljebb 50 min. időtartamú ultrahangos kezelésnek vetették alá az UIP1000hd szondás ultrahangos készülékkel (1kW, 20kHz), amely BS2d22 ultrahangos fejjel (a fej felülete: 3,8 cm²) és B2-1.8 amplitúdóerősítővel volt felszerelve. A számított maximális intenzitás 140 Wcm⁻² volt, 106μm mechanikai amplitúdó mellett. Az ultrahangos kezelés során fellépő hőmérséklet-emelkedés elkerülése érdekében a kísérletet termosztált cellában végezték. Az ultrahangos kezelést követően a mintát vákuumban, hőlégfúvóval szárították.
Ajánlott készülék:
UIP1000hd BS2d22 szonotródával és B2–1,2 amplitúdóerősítő fejjel
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Az Al/Ni hidrogénezési katalizátor szonokémiai aktiválása. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Biodízel előállítása átészterezéssel, MgO katalizátor alkalmazásával

Ultrahangos alkalmazás:
Az átészterezési reakciót a UP200S ultrahangos készülékkel végzett folyamatos ultrahangos keverés mellett vizsgálták, különböző paraméterek, például a katalizátormennyiség, a metanol és az olaj mólaránya, a reakcióhőmérséklet és a reakcióidő függvényében. A szakaszos kísérleteket keményüveg reaktorban (300 ml, 7 cm belső átmérő) végezték, két csiszolatos nyakkal ellátott fedéllel. Az egyik nyakhoz a UP200S ultrahangos processzor (200W, 24kHz) S7 titánszonotródáját (csúcsátmérő: 7 mm) csatlakoztatták. Az ultrahang amplitúdóját 50%-ra állították, másodpercenként 1 ciklussal. A reakcióelegyet a teljes reakcióidő alatt ultrahangosan kezelték. A reaktorkamra másik nyakát egyedi kialakítású, vízhűtéses, rozsdamentes acél kondenzátorral látták el az elpárolgott metanol visszafolyatására. A teljes berendezést állandó hőmérsékletű olajfürdőbe helyezték, amelyet arányos–integráló–deriváló hőmérséklet-szabályozó vezérelt. A hőmérséklet legfeljebb 65°C-ra emelhető, ±1°C pontossággal. A biodízel előállítására szolgáló átészterezéshez használt olajat és 99,9%-os tisztaságú metanolt használtak alapanyagként. Katalizátorként füstből leválasztott nanoméretű MgO-t (magnéziumszalag) alkalmaztak.
Kiváló konverziós eredményt értek el 1,5 wt% katalizátormennyiséggel; 5:1 metanol–olaj mólarány mellett, 55°C-on, 45 min. elteltével 98,7%-os konverziót értek el.
Ajánlott készülék:
UP200S S7 ultrahangos szonotródával
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): A szonokémiai biodízel-előállítás vizsgálata füstből leválasztott nano-MgO katalizátor alkalmazásával. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Kadmium(II)–tioacetamid nanokompozit szintézise

Ultrahangos alkalmazás:
Kadmium(II)–tioacetamid nanokompozitokat szintetizáltak szonokémiai úton, polivinil-alkohol jelenlétében és anélkül. A szonokémiai szintézishez (szonoszintézishez) 0,532 g kadmium(II)-acetát-dihidrátot (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioacetamidot (TAA, CH3CSNH2) és 0,664 g kálium-jodidot (KI) oldottak fel 20mL kétszer desztillált, ionmentesített vízben. Az oldatot nagy teljesítményű UP400S szondás ultrahangos készülékkel (24 kHz, 400W) kezelték szobahőmérsékleten, 1 h időtartamig. A reakcióelegy ultrahangos kezelése során a hőmérséklet 70–80degC-ra emelkedett, vas–constantin hőelemmel mérve. Egy óra elteltével élénksárga csapadék képződött. Ezt centrifugálással (4 000 rpm, 15 min) választották el, kétszer desztillált vízzel, majd abszolút etanollal mosták a visszamaradt szennyeződések eltávolítására, végül levegőn szárították (hozam: 0,915 g, 68%). Bomlási pont: 200°C. A polimer nanokompozit előállításához 1,992 g polivinil-alkoholt oldottak fel 20 mL kétszer desztillált, ionmentesített vízben, majd a fenti oldathoz adták. Ezt az elegyet a UP400S ultrahangos szondával 1 h időtartamig kezelték, amelynek során élénk narancssárga termék képződött.
A SEM-eredmények kimutatták, hogy PVA jelenlétében a részecskék mérete körülbelül 38 nm-ről 25 nm-re csökkent. Ezután gömbszerű morfológiájú, hexagonális CdS nanorészecskéket szintetizáltunk a prekurzorként alkalmazott kadmium(II)–tioacetamid/PVA polimer nanokompozit termikus bontásával. A CdS nanorészecskék méretét XRD-vel és SEM-mel is megmérték, és az eredmények nagyon jól egyeztek egymással.
Ranjbar és munkatársai (2013) azt is megállapították, hogy a polimer Cd(II) nanokompozit megfelelő prekurzor érdekes morfológiájú kadmium-szulfid nanorészecskék előállításához. Valamennyi eredmény azt mutatta, hogy az ultrahangos szintézis sikeresen alkalmazható egyszerű, hatékony, alacsony költségű, környezetbarát és rendkívül ígéretes módszerként nanoméretű anyagok szintézisére, különleges körülmények, például magas hőmérséklet, hosszú reakcióidő és nagy nyomás nélkül.
Ajánlott készülék:
UP400S
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Kadmium–tioacetamid nanokompozitok szintézise és jellemzése. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – ultrahangos bevonás sztearinsavval

Ultrahangos alkalmazás:
Nanoméretűre kicsapatott CaCO₃ (NPCC) ultrahangos bevonása sztearinsavval a polimerben való diszpergálhatóság javítása és az agglomeráció csökkentése érdekében. 2g bevonat nélküli, nanoméretűre kicsapatott CaCO₃ (NPCC) ultrahangos kezelését végezték az UP400S ultrahangos készülékkel, 30ml etanolban. 9 wt% sztearinsavat oldottak fel etanolban. A sztearinsavat tartalmazó etanolt ezután összekeverték az ultrahangosan kezelt szuszpenzióval.
Ajánlott készülék:
UP400S 22mm átmérőjű szonotródával (H22D) és hűtőköpenyes átfolyó cellával
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Az ultrahang hatása a nanoméretűre kicsapatott CaCO3 sztearinsavas bevonására. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Cérium-nitráttal adalékolt szilán

Ultrahangos alkalmazás:
Fém hordozóként hidegen hengerelt szénacél lemezeket (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; kémiailag tisztítva és mechanikailag polírozva) használtak. A bevonat felvitele előtt a lemezeket acetonnal ultrahangosan tisztították, majd lúgos oldattal (0,3mol L1 NaOH-oldat) tisztították 60°C-on, 10 min. időtartamig. Az alapozóként való alkalmazáshoz, a hordozó előkezelése előtt, egy 50 rész γ-glicidoxipropil-trimetoxiszilánt (γ-GPS) tartalmazó szokásos összetételt körülbelül 950 rész metanollal hígítottak, 4,5 pH-értéken (ecetsavval beállítva), és hagyták, hogy a szilán hidrolizáljon. A cérium-nitrát pigmentekkel adalékolt szilán előállítási eljárása azonos volt, azzal a különbséggel, hogy a (γ-GPS) hozzáadása előtt 1, 2, 3 wt% cérium-nitrátot adtak a metanolos oldathoz, majd az oldatot propellerkeverővel keverték 1600 rpm fordulatszámon, 30 min. időtartamig, szobahőmérsékleten. Ezután a cérium-nitrátot tartalmazó diszperziókat 30 min időtartamig kezelték ultrahanggal 40°C-on, külső hűtőfürdő alkalmazásával. Az ultrahangos kezelést a UIP1000hd ultrahangos készülékkel (1000W, 20 kHz) végezték, körülbelül 1 W/mL bevitt ultrahangos teljesítménnyel. A hordozó előkezelése során minden lemezt 100 sec. időtartamig öblítettek a megfelelő szilánoldattal. A kezelés után a lemezeket 24 h időtartamig hagyták szobahőmérsékleten száradni, majd az előkezelt lemezekre kétkomponensű, aminnal térhálósított epoxibevonatot (Epon 828, shell Co.) vittek fel, 90μm nedves rétegvastagság eléréséhez. Az epoxibevonatú lemezeket 115°C-on, 1h időtartamig hagyták térhálósodni; az epoxibevonatok térhálósodása után a száraz rétegvastagság körülbelül 60μm volt.
Ajánlott készülék:
UIP1000hd
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): A cérium-nitrátot tartalmazó szilános előkezelések elektrokémiai hatásai az epoxibevonatú acél katódos leválási tulajdonságaira. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Réz–alumínium vázszerkezetek: porózus Cu-Al vázszerkezetek szintézise

Ultrahangos alkalmazás:
A fémoxiddal stabilizált porózus réz–alumínium ígéretes új alternatív katalizátor a propán dehidrogénezéséhez, amely nem tartalmaz nemesfémeket vagy veszélyes fémeket. Az oxidált porózus Cu–Al ötvözet (fémszivacs) szerkezete hasonló a Raney-típusú fémekéhez. A nagy teljesítményű ultrahang a zöld kémia eszköze a fémoxiddal stabilizált porózus réz–alumínium vázszerkezetek szintéziséhez. Ezek olcsók (gyártási költségük körülbelül 3 EUR/liter), és a módszer könnyen nagyobb léptékre vihető át. Ezeknek az új porózus anyagoknak (vagy „fémszivacsoknak”) a tömbi része ötvözetből áll, felületük oxidált, és alacsony hőmérsékleten képesek katalizálni a propán dehidrogénezését.
A katalizátor ultrahangos előállításának eljárása:
Öt gramm Al–Cu ötvözetport ultratiszta vízben (50mL) diszpergáltak, és 60 min időtartamig ultrahangosan kezelték a Hielscher UIP1000hd szondás ultrahangos készülékével (20kHz, max. kimeneti teljesítmény: 1000W). A szondás ultrahangos készülék BS2d22 szonotródával (a csúcs felülete: 3,8cm²) és B2–1,2 amplitúdóerősítő fejjel volt felszerelve. A számított maximális intenzitás 57 W/cm² volt, 81μm mechanikai amplitúdó mellett. A kezelés során a mintát jégfürdőben hűtötték. A kezelés után a mintát 120°C-on, 24 h időtartamig szárították.
Ajánlott készülék:
UIP1000hd BS2d22 szonotródával és B2–1,2 amplitúdóerősítő fejjel
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Újszerű és hatékony réz–alumínium katalizátorok a propán dehidrogénezéséhez. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Réz-ftalocianin lebontása

Ultrahangos alkalmazás:
Fém-ftalocianinok elszíntelenítése és lebontása
A réz-ftalocianint vízzel és szerves oldószerekkel, környezeti hőmérsékleten és légköri nyomáson, katalitikus mennyiségű oxidálószer jelenlétében kezelik ultrahanggal, az 500W teljesítményű, fold-trough kamrával ellátott UIP500hd ultrahangos készülékkel, 37–59 W/cm² teljesítményszinten: 5 mL minta (100 mg/L), 50 D/D víz kloroformmal és piridinnel, 60%-os ultrahang-amplitúdó mellett. Reakcióhőmérséklet: 20°C.
Ajánlott készülék:
UIP500hd

Arany: arany nanorészecskék morfológiai módosítása

Ultrahangos alkalmazás:
Az arany nanorészecskéket intenzív ultrahangos besugárzással morfológiailag módosították. Az arany nanorészecskék súlyzó alakú szerkezetté történő összeolvasztásához elegendőnek bizonyult 20 min. ultrahangos kezelés tiszta vízben és felületaktív anyagok jelenlétében. 60 min. ultrahangos kezelés után az arany nanorészecskék vízben féregszerű vagy gyűrűszerű szerkezetet vesznek fel. Nátrium-dodecil-szulfát vagy dodecil-amin oldatainak jelenlétében ultrahangosan gömb vagy ovális alakú, összeolvadt nanorészecskéket állítottak elő.
Az ultrahangos kezelés protokollja:
Az ultrahangos módosításhoz az előzetesen kialakított, citráttal védett, átlagosan 25nm (± 7nm) átmérőjű arany nanorészecskékből álló kolloid aranyoldatot zárt reaktorkamrában (körülbelül 50mL térfogat) kezelték ultrahanggal. A kolloid aranyoldatot (0,97 mmol·L^-1) nagy intenzitású (40 W/cm^-2) ultrahangos besugárzásnak vetették alá a Hielscher UIP1000hdT ultrahangos készülékkel (20kHz, 1000W), amely BS2d18 titánötvözet szonotródával (csúcsátmérő: 0,7 inch) volt felszerelve; ezt körülbelül 2 cm-rel az ultrahangosan kezelt oldat felszíne alá merítették. A kolloid aranyba argont vezettek (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) az ultrahangos kezelés előtt 20 min. időtartamig és a kezelés közben, 200 mL·min^-1 térfogatárammal, az oldatban lévő oxigén eltávolítására. Mindegyik, trinátrium-citrát-dihidrát hozzáadása nélküli felületaktívanyag-oldat 35-mL mennyiségét 15 mL előzetesen előállított kolloid arannyal egyesítették; az ultrahangos kezelés előtt 20 min. időtartamig és a kezelés során argongázt buborékoltattak át.
Ajánlott készülék:
UIP1000hd BS2d18 szonotródával és átfolyó cellás reaktorral
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Előzetesen kialakított arany nanorészecskék ultrahanggal segített összeolvasztása. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Szervetlen műtrágya – Cu, Cd és Pb kioldása elemzéshez

Ultrahangos alkalmazás:
Cu, Cd és Pb extrakciója szervetlen műtrágyákból analitikai célra:
A réz, az ólom és a kadmium ultrahangos extrakciójához a műtrágya és az oldószer keverékét tartalmazó mintákat ultrahangos készülékkel, például a közvetett ultrahangos kezelésre szolgáló VialTweeter ultrahangos készülékkel kezelik. A műtrágyamintákat 2mL 50%-os (v/v) HNO₃ jelenlétében, üvegcsövekben kezelték ultrahanggal 3 percig. Az extrahált Cu, Cd és Pb lángatomabszorpciós spektrometriával (FAAS) határozható meg.
Ajánlott készülék:
VialTweeter
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Ultrahanggal segített extrakción alapuló alternatív analitikai módszer szervetlen műtrágyák fémtartalmának meghatározására. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Latex szintézise

Ultrahangos alkalmazás:
P(St-BA) latex előállítása
Poli(sztirol-r-butil-akrilát), P(St-BA) latexrészecskéket szintetizáltak emulziós polimerizációval, DBSA felületaktív anyag jelenlétében. Először 1 g DBSA-t oldottak fel 100mL vízben, háromnyakú lombikban, és az oldat pH-értékét 2,0-ra állították be. A DBSA-oldathoz 2,80g St és 8,40g BA monomerkeverékét öntötték AIBN iniciátorral (0,168g) együtt. Az O/W emulziót 1 h időtartamú mágneses keveréssel állították elő, amelyet további 30 min. ultrahangos kezelés követett jégfürdőben, ultrahangos fejjel (szonda/szonotróda) felszerelt UIP1000hd ultrahangos készülékkel. Végül a polimerizációt 90degC-on, olajfürdőben, 2h időtartamig végezték nitrogénatmoszférában.
Ajánlott készülék:
UIP1000hd
Hivatkozás / tudományos közlemény:
poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) alapú rugalmas, vezetőképes filmek előállítása nemszőtt textil hordozón. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Kattintson ide, és olvasson többet a latex szonoszintéziséről!

Ólom eltávolítása (ultrahangos kioldás)

Ultrahangos alkalmazás:
Ólom ultrahangos kioldása szennyezett talajból:
Az ultrahangos kioldási kísérleteket UP400S ultrahangos homogenizátorral végezték, 14mm átmérőjű titán ultrahangos szondával, amely 20kHz frekvencián működik. Az ultrahangos szondát (szonotródát) kalorimetriásan kalibrálták, az ultrahang-intenzitást 51 ± 0,4 W cm^-2 értékre állítva valamennyi ultrahangos kioldási kísérlethez. Az ultrahangos kioldási kísérleteket lapos fenekű, köpenyes üvegcella alkalmazásával termosztálták 25 ± 1°C-on. Az ultrahangos kezelés során három rendszert alkalmaztak talajkioldó oldatként (0,1L): 6 mL 0,3 mol L^-2 koncentrációjú ecetsavoldatot (pH 3,24), 3%-os (v/v) salétromsavoldatot (pH 0,17), valamint ecetsav/acetát puffert (pH 4,79), amelyet 60mL 0f 0,3 mol L^-1 koncentrációjú ecetsav és 19 mL 0,5 mol L^-1 koncentrációjú NaOH összekeverésével készítettek. Az ultrahangos kioldás után a mintákat szűrőpapírral szűrték, hogy a kioldási oldatot elválasszák a talajtól, majd az ólmot elektrolitikusan leválasztották a kioldási oldatból, és az ultrahang alkalmazása után feltárták a talajt.
Az ultrahang értékes eszköznek bizonyult az ólom szennyezett talajból való kioldásának fokozására. Az ultrahang a kioldható ólom közel teljes eltávolítására is hatékony módszer, amelynek eredményeként a talaj sokkal kevésbé veszélyessé válik.
Ajánlott készülék:
UP400S H14 szonotródával
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultrahangos kioldás és elektrokémiai kezelés kombinálása az ólom talajból való eltávolítására. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – ólom-szulfid nanorészecskék szintézise

Ultrahangos alkalmazás:
Szobahőmérsékleten 0,151 g ólom-acetátot (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) és 0,03 g TAA-t (CH₃CSNH₂) adtak 5mL ionos folyadékhoz, [EMIM] [EtSO₄], valamint 15mL kétszer desztillált vízhez egy 50mL térfogatú főzőpohárban, és 7 min. időtartamú ultrahangos besugárzásnak vetették alá a Hielscher UP200S ultrahangos készülékével. Az S1 ultrahangos szonda/szonotróda csúcsát közvetlenül a reakcióoldatba merítették. A kialakult sötétbarna szuszpenziót centrifugálták a csapadék elválasztására, majd kétszer mosták kétszer desztillált vízzel, illetve etanollal az el nem reagált reagensek eltávolítására. Az ultrahang terméktulajdonságokra gyakorolt hatásának vizsgálatához további összehasonlító mintát készítettek, változatlan reakcióparaméterek mellett, azzal a különbséggel, hogy a terméket 24 h időtartamú folyamatos keveréssel, ultrahangos besugárzás nélkül állították elő.
A PbS nanorészecskék előállítására szobahőmérsékleten, vizes ionos folyadékban végzett, ultrahanggal segített szintézist javasoltak. Ez a szobahőmérsékleten végzett, környezetkímélő zöld módszer gyors és templátmentes, ami jelentősen lerövidíti a szintézis idejét, és elkerüli a bonyolult szintetikus eljárásokat. Az így előállított nanoklaszterek hatalmas, 3,86 eV-os kékeltolódást mutatnak, amely a részecskék igen kis méretének és a kvantumbezártsági hatásnak tulajdonítható.
Ajánlott készülék:
UP200S
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): PbS nanorészecskék egyszerű, szobahőmérsékletű előállítása és jellemzése vizes [EMIM][EtSO4] ionos folyadékban, ultrahangos besugárzással. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Fenol lebontása

Ultrahangos alkalmazás:
Rokhina és munkatársai (2013) perecetsav (PAA) és heterogén katalizátor (MnO₂) kombinációját alkalmazták fenol vizes oldatban történő lebontására, ultrahangos besugárzás mellett. Az ultrahangos kezelést 400W teljesítményű UP400S szondás ultrahangos készülékkel végezték, amely állandó, 24 kHz frekvencián folyamatos vagy impulzusos üzemmódban (azaz 4 sec. bekapcsolva és 2 sec. kikapcsolva) képes ultrahangos kezelésre. A rendszerbe bevitt teljes teljesítmény, teljesítménysűrűség és teljesítményintenzitás számított értéke rendre 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3 és 14,3 W/cm^-2 volt. A kísérletek során végig állandó teljesítményt alkalmaztak. A reaktor belső hőmérsékletének szabályozására merülő keringetőegységet használtak. A tényleges ultrahangos kezelési idő 4 h volt, bár az impulzusos üzemmód miatt a teljes reakcióidő 6 h volt. Egy tipikus kísérletben az üvegreaktort 100mL fenololdattal (1,05 mM), valamint megfelelő mennyiségű MnO2 katalizátorral és PAA-val (2%) töltötték meg; ezek mennyisége rendre 0–2 g L^-1 és 0–150 ppm között változott. Valamennyi reakciót közel semleges pH-n, légköri nyomáson és szobahőmérsékleten (22 ± 1 °C) végezték.
Az ultrahangos kezelés növelte a katalizátor felületét, 4-szer nagyobb felületet eredményezve, szerkezeti szempontból változás nélkül. A katalitikus ciklusfrekvenciák (TOF) 7 x 10^-3 értékről 12,2 x 10^-3 min^-1 értékre növekedtek az ultrahang nélküli eljáráshoz képest. Emellett nem észleltek jelentős katalizátorkioldódást. A fenol izoterm oxidációja viszonylag alacsony reagenskoncentrációk mellett, enyhe körülmények között magas fenoleltávolítási arányt (akár 89%) mutatott. Általában az ultrahang felgyorsította az oxidációs folyamatot az első 60 min. során (70%-os fenoleltávolítás az ultrahang nélküli kezelés 40%-ával szemben).
Ajánlott készülék:
UP400S
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): A perecetsav ultrahanggal segített, MnO₂ által katalizált homolízise a fenol lebontásához: a folyamat kémiájának és kinetikájának értékelése. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenol: fenol oxidációja RuI₃ katalizátor alkalmazásával

Ultrahangos alkalmazás:
Fenol heterogén vizes oxidációja RuI₃ jelenlétében, hidrogén-peroxiddal (H₂O₂): A fenol (100 ppm) RuI₃ katalizátorral végzett katalitikus oxidációját mágneses keverővel és hőmérséklet-szabályozóval felszerelt, 100 mL térfogatú üvegreaktorban vizsgálták. A reakcióelegyet 800 rpm fordulatszámon keverték 1–6 órán keresztül, hogy teljes keveredést biztosítsanak a katalizátorrészecskék egyenletes eloszlásához és teljes szuszpendálásához. Az ultrahangos kezelés során nem alkalmaztak mechanikai keverést, mivel a kavitációs buborékok rezgése és összeomlása által okozott áramlási zavar önmagában rendkívül hatékony keverést biztosított. Az oldat ultrahangos besugárzását ultrahangos felszereléssel ellátott UP400S ultrahangos átalakítóval (úgynevezett szondás ultrahangos készülékkel) végezték, amely folyamatos vagy impulzusos üzemmódban, állandó 24 kHz frekvencián és legfeljebb 400W kimeneti teljesítménnyel képes működni.
A kísérlethez kezeletlen RuI₃ katalizátort (0,5–2 gL^-1) juttattak szuszpenzióként a reakcióközegbe, majd H2O2-t (30%, koncentrációja a 200–1200 ppm tartományban volt) adtak hozzá.
Rokhina és munkatársai vizsgálatukban megállapították, hogy az ultrahangos besugárzás jelentős szerepet játszott a katalizátor texturális tulajdonságainak módosításában, és a katalizátorrészecskék fragmentációja következtében nagyobb felületű, mikroporózus szerkezetet hozott létre. Emellett kedvező hatást fejtett ki azáltal, hogy megakadályozta a katalizátorrészecskék agglomerációját, és javította a fenol és a hidrogén-peroxid hozzáférését a katalizátor aktív helyeihez.
Az ultrahanggal segített folyamat hatékonyságának kétszeres növekedését az ultrahang nélküli oxidációs folyamathoz képest a katalizátor javult katalitikus viselkedésének, valamint olyan oxidáló specieszek képződésének tulajdonították, mint a •OH, •HO2 és •I₂ , a hidrogénkötések felhasadásán és a gyökök rekombinációján keresztül.
Ajánlott készülék:
UP400S
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): A fenol ultrahanggal segített, heterogén ruténiumkatalizált nedves peroxidos oxidációja. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

PLA-val bevont Ag/ZnO részecskék

Ultrahangos alkalmazás:
Ag/ZnO részecskék PLA-bevonása: PLA-val bevont Ag/ZnO mikro- és szubmikrorészecskéket állítottak elő olaj-a-vízben emulziós oldószer-elpárologtatási technikával. A módszert a következőképpen hajtották végre. Először 400 mg polimert oldottak fel 4 ml kloroformban. Az így kapott polimerkoncentráció a kloroformban 100 mg/ml volt. Másodszor a polimeroldatot különböző felületaktívanyag-rendszerek vizes oldatában (emulgeálószer: PVA 8-88) emulgeálták, homogenizátorral végzett folyamatos keverés mellett, 24 000 rpm keverési fordulatszámon. Az elegyet 5 min. időtartamig keverték, és ezalatt a képződő emulziót jéggel hűtötték. A felületaktív anyag vizes oldata és a PLA kloroformos oldata közötti arány valamennyi kísérletben azonos volt (4:1). Ezt követően a kapott emulziót UP400S szondás ultrahangos készülékkel (400W, 24kHz) kezelték 5 min. időtartamig, 0,5 ciklusbeállítással és 35%-os amplitúdóval. Végül az előállított emulziót Erlenmeyer-lombikba töltötték, keverték, és a szerves oldószert csökkentett nyomáson elpárologtatták az emulzióból, ami végül részecskeszuszpenzió kialakulásához vezetett. Az oldószer eltávolítása után a szuszpenziót háromszor centrifugálták az emulgeálószer eltávolítására.
Ajánlott készülék:
UP400S
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Poli(L-tejsav)-val bevont, mikrohullámmal szintetizált hibrid antibakteriális részecskék. Nanocon 2011.

Polianilin kompozit

Ultrahangos alkalmazás:
Vízbázisú, önadalékolt nano-polianilin (SPAni) kompozit (Sc-WB) előállítása
A vízbázisú SPAni kompozit előállításához ScCO2 közegben, in situ polimerizációval szintetizált 0,3 gr SPAni-t vízzel hígítottak, és 2 percig ultrahangosan kezelték 1000W teljesítményű UIP1000hd ultrahangos homogenizátorral. Ezután a szuszpenziós terméket 125 gr vízbázisú térhálósító mátrix hozzáadásával homogenizálták 15 min. időtartamig, a végső ultrahangos kezelést pedig környezeti hőmérsékleten végezték 5 min. időtartamig.
Ajánlott készülék:
UIP1000hd
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): ScCO2 közegben szintetizált, önadalékolt nano-polianilint tartalmazó vízbázisú epoxibevonat védőképessége. 2013.

Policiklusos aromás szénhidrogének: naftalin, acenaftilén és fenantrén szonokémiai lebontása

Ultrahangos alkalmazás:
A policiklusos aromás szénhidrogének (PAH-ok), a naftalin, az acenaftilén és a fenantrén vízben történő szonokémiai lebontásához a mintaelegyeket 20◦C-on kezelték ultrahanggal, az egyes cél-PAH-ok 50 µg/l koncentrációja mellett (teljes kezdeti koncentráció: 150 µg/l). Az ultrahangos kezelést UP400S fejes ultrahangos készülékkel (400W, 24kHz) végezték, amely folyamatos vagy impulzusos üzemmódban képes működni. A UP400S ultrahangos készüléket 7 mm csúcsátmérőjű H7 titánszondával szerelték fel. A reakciókat 200 mL térfogatú, hengeres üveg reakcióedényben végezték, a titánfejet a reakcióedény tetejére szerelték, és O-gyűrűkkel, valamint teflonszeleppel tömítették. A reakcióedényt vízfürdőbe helyezték a folyamat hőmérsékletének szabályozására. A fotokémiai reakciók elkerülése érdekében az edényt alumíniumfóliával takarták le.
Az elemzési eredmények azt mutatták, hogy a PAH-ok konverziója az ultrahangos kezelés időtartamának növekedésével nő.
Naftalin esetében az ultrahanggal segített konverzió (150W-ra beállított ultrahangos teljesítmény mellett) a 30 min. ultrahangos kezelés után elért 77,6%-ról 60 min. ultrahangos kezelés után 84,4%-ra nőtt.
Acenaftilén esetében az ultrahanggal segített konverzió (150W-ra beállított ultrahangos teljesítmény mellett) a 150W ultrahangos teljesítménnyel végzett 30 min. ultrahangos kezelés után elért 77,6%-ról a 150W ultrahanggal végzett 60 min. kezelés után 84,4%-ra nőtt, a 150W ultrahangos teljesítménnyel végzett 30 min. ultrahangos kezelés után elért 80,7%-ról 60 min. ultrahangos kezelés után 96,6%-ra nőtt.
Fenantrén esetében az ultrahanggal segített konverzió (150W-ra beállított ultrahangos teljesítmény mellett) a 30 min. ultrahangos kezelés után elért 73,8%-ról 60 min. ultrahangos kezelés után 83,0%-ra nőtt.
A lebontás hatékonyságának fokozására a hidrogén-peroxid hatékonyabban hasznosítható vas(II)-ion hozzáadásával. Kimutatták, hogy a vas(II)-ion hozzáadása szinergikus hatásokat fejt ki, Fenton-szerű reakciót utánozva.
Ajánlott készülék:
UP400S H7-tel
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Policiklusos aromás szénhidrogének lebontása vizes oldatokban ultrahangos besugárzással. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Oxidréteg eltávolítása hordozókról

Ultrahangos alkalmazás:
A hordozó előkészítéséhez, a CuO nanohuzalok Cu hordozókon történő növesztése előtt, a Cu felületén lévő saját oxidréteget a minta 0,7 M sósavban végzett, 2 min. időtartamú ultrahangos kezelésével távolították el Hielscher UP200S készülékkel. A mintát acetonnal ultrahangosan tisztították 5 min. időtartamig a szerves szennyeződések eltávolítására, alaposan leöblítették ionmentesített (DI) vízzel, és sűrített levegővel szárították.
Ajánlott készülék:
UP200S vagy UP200St
Hivatkozás / tudományos közlemény:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): CuO nanohuzalok gázérzékelési tulajdonságainak módosítása diszkrét nanoméretű p−n átmenetek kialakításával a felületükön. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Voltammetriás kísérletek

Ultrahangos alkalmazás:
Az ultrahanggal fokozott voltammetriás kísérletekhez 200 watt teljesítményű Hielscher UP200S ultrahangos készüléket alkalmaztak, üvegfejjel (13-mm csúcsátmérő). Az ultrahangot 8 W/cm^–2 intenzitással alkalmazták.
A nanorészecskék vizes oldatokban mutatott lassú diffúziója és az egy nanorészecskére jutó redoxcentrumok nagy száma miatt a nanorészecskék közvetlen oldatfázisú voltammetriáját az adszorpciós hatások uralják. A nanorészecskék adszorpció miatti felhalmozódás nélküli kimutatásához olyan kísérleti megközelítést kell választani, amelyben (i) a nanorészecskék koncentrációja kellően magas, (ii) kis elektródokat alkalmaznak a jel/háttér arány javítására, vagy (iii) az anyagtranszport nagyon gyors.
Ezért McKenzie és munkatársai (2012) nagy teljesítményű ultrahangot alkalmaztak, hogy jelentősen növeljék a nanorészecskék elektródfelület felé irányuló anyagtranszportjának sebességét. Kísérleti elrendezésükben az elektródot közvetlenül nagy intenzitású ultrahangnak teszik ki, 5 mm elektród–fej távolsággal és 8 W/cm^–2 ultrahangos kezelési intenzitással, ami keverést és kavitációs tisztítást eredményez. Az ilyen körülmények között elért anyagtranszport-sebesség kalibrálására teszt-redoxrendszert alkalmaztak: a Ru(NH3)₆³⁺ egyelektronos redukcióját 0,1 M KCl vizes oldatában.
Ajánlott készülék:
UP200S vagy UP200St
Hivatkozás / tudományos közlemény:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Nanorészecskés Fe2O3 közvetlen elektrokémiája vizes oldatban és ónnal adalékolt indium-oxidra adszorbeálva. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Ultrahangos készülékek szonokémiai reakciókhoz, laboratóriumi léptéktől ipari méretig

A Hielscher az ultrahangos készülékek teljes választékát kínálja, a kézi laboratóriumi homogenizátortól a nagy térfogatáramokhoz használható teljes ipari ultrahangos készülékekig. Az ultrahangos folyamat tesztelése, K+F tevékenysége és optimalizálása során kis léptékben elért valamennyi eredmény >lineárisan felskálázható a teljes kereskedelmi termelésre. A Hielscher ultrahangos készülékei megbízhatóak, robusztusak, és 24/7 működésre készültek.
Kérdezzen bennünket folyamata értékeléséről, optimalizálásáról és felskálázásáról! Örömmel segítünk minden szakaszban – az első tesztektől és a folyamat optimalizálásától az ipari gyártósorába történő telepítésig!