Sonochimica: Note applicative

La sonochimica è l'effetto della cavitazione ultrasonica sui sistemi chimici. A causa delle condizioni estreme che si verificano nella cavitazione “punto caldo”Gli ultrasuoni di potenza sono un metodo molto efficace per migliorare i risultati della reazione (maggiore resa, migliore qualità), la conversione e la durata di una reazione chimica. Alcuni cambiamenti chimici possono essere ottenuti solo con la sonicazione, come il rivestimento in stagno di dimensioni nanometriche del titanio o dell'alluminio.

Di seguito è riportata una selezione di particelle e liquidi con le relative raccomandazioni, su come trattare il materiale per macinare, disperdere, deagglomerare o modificare le particelle utilizzando un omogeneizzatore a ultrasuoni.

Di seguito sono riportati alcuni protocolli di sonicazione per reazioni sicochimiche di successo!

In ordine alfabetico:

α-epochetoni – Reazione di apertura ad anello

Applicazione a ultrasuoni:
L'apertura catalitica dell'anello degli α-epoxichetoni è stata effettuata utilizzando una combinazione di ultrasuoni e metodi fotochimici. Come fotocatalizzatore sono stati utilizzati 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridinio tetrafluoroborato (NBTPT). La combinazione di sonicazione (sonochemistry) e fotochimica di questi composti in presenza di NBTPT ha permesso di ottenere l'apertura dell'anello epossidico. È stato dimostrato che l'uso degli ultrasuoni aumenta significativamente la velocità della reazione fotoindotta. Gli ultrasuoni possono influenzare seriamente l'apertura fotocatalitica dell'anello degli α-epoxyketones soprattutto a causa dell'efficiente trasferimento di massa dei reagenti e dello stato eccitato dell'NBTPT. Anche il trasferimento di elettroni tra le specie attive in questo sistema omogeneo che utilizza la sonicazione si verifica
più velocemente rispetto al sistema senza sonicazione. I vantaggi di questo metodo sono le rese più elevate e i tempi di reazione più brevi.

Apertura fotocatalitica ad ultrasuoni di α-epossichetoni (studio e grafica: ©Memarian et al 2007)

Protocollo di sonicazione:
Gli α-epoxichetoni 1a-f e l'1-benzil-2,4,6-trifenilpiridinio tetrafluoroborato 2 sono stati preparati secondo le procedure riportate. Il metanolo è stato acquistato da Merck e distillato prima dell'uso. Il dispositivo a ultrasuoni utilizzato era una sonda a ultrasuoni UP400S di Hielscher Ultrasonics GmbH. Un corno a immersione a ultrasuoni S3 (noto anche come sonda o sonotrodo) che emette ultrasuoni a 24 kHz a livelli di intensità sintonizzabili fino a una densità di potenza sonica massima di 460Wcm^-2 è stata utilizzata. La sonicazione è stata effettuata al 100% (ampiezza massima 210μm). Il sonotrodo S3 (profondità massima di immersione di 90 mm) è stato immerso direttamente nella miscela di reazione. Le irradiazioni UV sono state effettuate utilizzando una lampada a mercurio ad alta pressione da 400W di Narva con raffreddamento dei campioni in vetro Duran. Il ¹Gli spettri H NMR della miscela di fotoprodotti sono stati misurati in CDCl₃ soluzioni contenenti tetrametilsilano (TMS) come standard interno su un Bruker drx-500 (500 MHz). La cromatografia su strato preparativo (PLC) è stata eseguita su un supporto di 20 × 20 cm.² piastre rivestite con uno strato di 1 mm di gel di silice Merck PF₂₅₄ preparati applicando la silice sotto forma di slurry ed essiccando in aria. Tutti i prodotti sono noti e i loro dati spettrali sono stati riportati in precedenza.
Raccomandazione sul dispositivo:
UP400S con tromba a ultrasuoni S3
Riferimento/ Documento di ricerca:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Apertura catalitica fotosciochimica dell'anello di α-epoxyketones. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Catalizzatore alluminio/nichel: Nano-strutturazione della lega Al/Ni

Applicazione a ultrasuoni:
Le particelle di Al/Ni possono essere modificate per via sicochimica attraverso la nano-strutturazione della lega iniziale di Al/Ni. Si ottiene così un efficace catalizzatore per l'idrogenazione dell'acetofenone.
Preparazione a ultrasuoni di catalizzatori Al/Ni:
5 g di lega commerciale di Al/Ni sono stati dispersi in acqua purificata (50 mL) e sonicati fino a 50 min. con il sonicatore a sonda ad ultrasuoni UIP1000hd (1kW, 20kHz) dotato di corno ad ultrasuoni BS2d22 (area della testa di 3,8 cm).²) e il booster B2-1.8. L'intensità massima è stata calcolata in 140 Wcm^-2 con un'ampiezza meccanica di 106μm. Per evitare l'aumento di temperatura durante la sonicazione, l'esperimento è stato eseguito in una cella termostatica. Dopo la sonicazione, il campione è stato asciugato sotto vuoto con una pistola termica.
Raccomandazione sul dispositivo:
UIP1000hd con sonotrodo BS2d22 e tromba di rinforzo B2-1.2
Riferimento/ Documento di ricerca:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Attivazione sonica del catalizzatore di idrogenazione Al/Ni. Materiali funzionali avanzati 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterificazione del biodiesel con il catalizzatore MgO

Applicazione a ultrasuoni:
La reazione di transesterificazione è stata studiata in condizioni di miscelazione ultrasonica costante con il sonicatore UP200S per diversi parametri come la quantità di catalizzatore, il rapporto molare tra metanolo e olio, la temperatura di reazione e la durata della reazione. Gli esperimenti in batch sono stati eseguiti in un reattore di vetro duro (300 ml, 7 cm di diametro interno) con coperchio a due colli smerigliato. Un collo è stato collegato al sonotrodo S7 in titanio (diametro della punta 7 mm) del processore a ultrasuoni UP200S (200W, 24kHz). L'ampiezza degli ultrasuoni è stata impostata al 50% con 1 ciclo al secondo. La miscela di reazione è stata sonicata per tutto il tempo di reazione. L'altro collo della camera del reattore è stato dotato di un condensatore in acciaio inossidabile, raffreddato ad acqua, per far rifluire il metanolo evaporato. L'intero apparato è stato posto in un bagno d'olio a temperatura costante, controllato da un termoregolatore proporzionale integrale derivato. La temperatura può essere portata fino a 65°C con una precisione di ±1°C. Come materiale per la transesterificazione del biodiesel sono stati utilizzati olio di scarto e metanolo puro al 99,9%. Come catalizzatore è stato utilizzato MgO (nastro di magnesio) di dimensioni nanometriche depositato a fumo.
Un eccellente risultato di conversione è stato ottenuto con 1,5 wt% di catalizzatore; rapporto molare metanolo-olio 5:1 a 55°C, con una conversione del 98,7% dopo 45 min.
Raccomandazione sul dispositivo:
UP200S con sonotrodo a ultrasuoni S7
Riferimento/ Documento di ricerca:
Sivakumar, P.; Sankaranarayan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Studi sulla produzione sono-chimica di biodiesel utilizzando un catalizzatore di nano MgO depositato a fumo. Bollettino di ingegneria delle reazioni chimiche & Catalisi 8/2, 2013. 89 – 96.

Sintesi del nanocomposito cadmio(II)-tioacetammide

Applicazione a ultrasuoni:
I nanocompositi cadmio(II)-tioacetammide sono stati sintetizzati in presenza e in assenza di alcool polivinilico per via sonochemica. Per la sintesi stereochimica (sono-sintesi), 0,532 g di cadmio (II) acetato diidrato (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g di tioacetamide (TAA, CH3CSNH2) e 0,664 g di ioduro di potassio (KI) sono stati disciolti in 20mL di acqua deionizzata bidistillata. Questa soluzione è stata sonicata con un ultrasuonatore a sonda ad alta potenza UP400S (24 kHz, 400W) a temperatura ambiente per 1 ora. Durante la sonicazione della miscela di reazione, la temperatura è aumentata fino a 70-80degC, come misurato da una termocoppia ferro-costantinica. Dopo un'ora si è formato un precipitato giallo brillante. È stato isolato per centrifugazione (4.000 rpm, 15 min), lavato con acqua bidistillata e poi con etanolo assoluto per rimuovere le impurità residue e infine essiccato all'aria (resa: 0,915 g, 68%). Dec. p.200°C. Per preparare il nanocomposito polimerico, 1,992 g di alcool polivinilico sono stati sciolti in 20 mL di acqua deionizzata bidistillata e poi aggiunti alla soluzione precedente. La miscela è stata irradiata a ultrasuoni con la sonda a ultrasuoni UP400S per 1 h, quando si è formato un prodotto di colore arancione brillante.
I risultati del SEM hanno dimostrato che in presenza di PVA le dimensioni delle particelle sono diminuite da circa 38 nm a 25 nm. Abbiamo poi sintetizzato nanoparticelle di CdS esagonali con morfologia sferica dalla decomposizione termica del nanocomposito polimerico, cadmio(II)-tioacetamide/PVA come precursore. Le dimensioni delle nanoparticelle di CdS sono state misurate sia con la XRD che con il SEM e i risultati sono stati in ottimo accordo tra loro.
Anche Ranjbar et al. (2013) hanno scoperto che il nanocomposito polimerico di Cd(II) è un precursore adatto per la preparazione di nanoparticelle di solfuro di cadmio con morfologie interessanti. Tutti i risultati hanno rivelato che la sintesi a ultrasuoni può essere impiegata con successo come metodo semplice, efficiente, a basso costo, rispettoso dell'ambiente e molto promettente per la sintesi di materiali su scala nanometrica senza la necessità di condizioni speciali, come alta temperatura, lunghi tempi di reazione e alta pressione.
Raccomandazione sul dispositivo:
UP400S
Riferimento/ Documento di ricerca:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Sintesi e caratterizzazione di nanocompositi di cadmio-tioacetamide. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203-212.

CaCO3 – Rivestito a ultrasuoni con acido stearico

Applicazione a ultrasuoni:
Rivestimento a ultrasuoni di CaCO nano-precipitato₃ (NPCC) con acido stearico per migliorarne la dispersione nel polimero e ridurre l'agglomerazione. 2g di CaCO nano-precipitato non rivestito₃ (NPCC) è stato sonicato con il sonicatore UP400S in 30 ml di etanolo. Il 9% in peso di acido stearico è stato sciolto in etanolo. L'etanolo con l'acido stearico è stato poi mescolato alla sospensione sonicata.
Raccomandazione sul dispositivo:
UP400S con sonotrodo da 22 mm di diametro (H22D), e cella a flusso con camicia di raffreddamento
Riferimento/ Documento di ricerca:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Effetti degli ultrasuoni nel rivestimento di CaCO3 nano-precipitato con acido stearico. Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807-813.

Silano drogato con nitrato di cerio

Applicazione a ultrasuoni:
Come substrati metallici sono stati utilizzati pannelli di acciaio al carbonio laminati a freddo (6,5 cm, 6,5 cm, 0,3 cm; puliti chimicamente e lucidati meccanicamente). Prima dell'applicazione del rivestimento, i pannelli sono stati puliti a ultrasuoni con acetone e poi puliti con una soluzione alcalina (soluzione di NaOH 0,3mol L1) a 60°C per 10 minuti. Per l'utilizzo come primer, prima del pretrattamento del substrato, una formulazione tipica comprendente 50 parti di γ-glicidrossipropiltrimetossisilano (γ-GPS) è stata diluita con circa 950 parti di metanolo, a pH 4,5 (regolato con acido acetico) e lasciata agire per l'idrolisi del silano. La procedura di preparazione del silano drogato con pigmenti di nitrato di cerio è stata la stessa, tranne per il fatto che 1, 2, 3 wt% di nitrato di cerio è stato aggiunto alla soluzione di metanolo prima dell'aggiunta di (γ-GPS), quindi questa soluzione è stata mescolata con un agitatore a elica a 1600 rpm per 30 minuti a temperatura ambiente. Successivamente, le dispersioni contenenti nitrato di cerio sono state sonicate per 30 minuti a 40°C con un bagno di raffreddamento esterno. Il processo di ultrasonicazione è stato eseguito con l'ultrasuonatore UIP1000hd (1000W, 20 kHz) con una potenza di ultrasuoni in ingresso di circa 1 W/mL. Il pretrattamento del substrato è stato eseguito risciacquando ogni pannello per 100 secondi con la soluzione di silano appropriata. Dopo il trattamento, i pannelli sono stati lasciati asciugare a temperatura ambiente per 24 ore, quindi i pannelli pretrattati sono stati rivestiti con una resina epossidica bicomponente a base di ammina. (Epon 828, Shell Co.) per ottenere uno spessore del film umido di 90μm. I pannelli rivestiti di epossidica sono stati lasciati polimerizzare per 1 ora a 115°C; dopo la polimerizzazione dei rivestimenti epossidici, lo spessore del film secco era di circa 60μm.
Raccomandazione sul dispositivo:
UIP1000hd
Riferimento/ Documento di ricerca:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Effetti elettrochimici dei pretrattamenti al silano contenenti nitrato di cerio sulle proprietà di dissociazione catodica dell'acciaio rivestito di resina epossidica. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411-2420.

Strutture di rame-alluminio: Sintesi di strutture porose di Cu-Al

Applicazione a ultrasuoni:
Il rame-alluminio poroso stabilizzato da ossido metallico è un nuovo promettente catalizzatore alternativo per la deidrogenazione del propano, privo di metalli nobili o pericolosi. La struttura della lega porosa Cu-Al ossidata (spugna metallica) è simile a quella dei metalli di tipo Raney. Gli ultrasuoni ad alta potenza sono uno strumento di chimica verde per la sintesi di strutture porose di rame-alluminio stabilizzate da ossido metallico. Sono poco costosi (costo di produzione di circa 3 euro/litro) e il metodo può essere facilmente scalato. Questi nuovi materiali porosi (o "spugne metalliche") hanno un bulk di lega e una superficie ossidata e possono catalizzare la deidrogenazione del propano a basse temperature.
Procedura per la preparazione del catalizzatore a ultrasuoni:
Cinque grammi di polvere di lega Al-Cu sono stati dispersi in acqua ultrapura (50mL) e sonicati per 60 minuti con il sonicatore a sonda Hielscher UIP1000hd (20kHz, potenza di uscita massima 1000W). Il dispositivo a sonda a ultrasuoni era dotato di un sonotrodo BS2d22 (area della punta 3,8 cm).²) e la tromba booster B2-1.2. L'intensità massima è stata calcolata in 57 W/cm² a un'ampiezza meccanica di 81μm. Durante il trattamento il campione è stato raffreddato in un bagno di ghiaccio. Dopo il trattamento, il campione è stato essiccato a 120°C per 24 ore.
Raccomandazione sul dispositivo:
UIP1000hd con sonotrodo BS2d22 e tromba di rinforzo B2-1.2
Riferimento/ Documento di ricerca:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Nuovi ed efficaci catalizzatori di rame-alluminio per la deidrogenazione del propano. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254-12256.

Degradazione della fatocianina di rame

Applicazione a ultrasuoni:
Decolorazione e distruzione delle metalloftalocianine
La fatocianina di rame viene sonicata con acqua e solventi organici a temperatura ambiente e pressione atmosferica in presenza di una quantità catalitica di ossidante utilizzando l'ultrasuonatore UIP500hd da 500W con camera fold-trough a un livello di potenza di 37-59 W/cm²: 5 mL di campione (100 mg/L), 50 D/D di acqua con coloformio e piridina al 60% dell'ampiezza degli ultrasuoni. Temperatura di reazione: 20°C.
Raccomandazione sul dispositivo:
UIP500hd

Oro: Modifica morfologica delle nanoparticelle d'oro

Applicazione a ultrasuoni:
Le nanoparticelle d'oro sono state modificate morfologicamente sotto intensa irradiazione ultrasonica. Per fondere le nanoparticelle d'oro in una struttura simile a un manubrio è stato sufficiente un trattamento ultrasonico di 20 minuti in acqua pura e in presenza di tensioattivi. Dopo 60 minuti di sonicazione, le nanoparticelle d'oro acquisiscono una struttura a verme o ad anello in acqua. Le nanoparticelle fuse di forma sferica o ovale sono state formate con gli ultrasuoni in presenza di soluzioni di sodio dodecil solfato o dodecil ammina.
Protocollo del trattamento a ultrasuoni:
Per la modificazione a ultrasuoni, la soluzione di oro colloidale, costituita da nanoparticelle d'oro preformate protette da citrato con un diametro medio di 25 nm (± 7 nm), è stata sonicata in una camera chiusa del reattore (volume di circa 50 mL). La soluzione di oro colloidale (0,97 mmol-L^-1) è stato irradiato ad ultrasuoni ad alta intensità (40 W/cm^-2) utilizzando un ultrasuonatore Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W) dotato di un sonotrodo in lega di titanio BS2d18 (diametro della punta di 0,7 pollici), immerso a circa 2 cm sotto la superficie della soluzione sonicata. L'oro colloidale è stato gasato con argon (O₂ < 2 ppmv, aria-liquido) 20 min. prima e durante la sonicazione alla velocità di 200 mL-min.^-1 per eliminare l'ossigeno presente nella soluzione. Una porzione di 35 mL di ogni soluzione di tensioattivo senza aggiunta di citrato trisodico diidrato è stata aggiunta a 15 mL di oro colloidale preformato, gorgogliato con gas argon 20 minuti prima e durante il trattamento a ultrasuoni.
Raccomandazione sul dispositivo:
UIP1000hd con sonotrodo BS2d18 e reattore a cella di flusso
Riferimento/ Documento di ricerca:
Radziuk, D.; Grigoriev, D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Fusione assistita da ultrasuoni di nanoparticelle d'oro preformate. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835-1843.

Fertilizzante inorganico – Lisciviazione di Cu, Cd e Pb per analisi

Applicazione a ultrasuoni:
Estrazione di Cu, Cd e Pb da fertilizzanti inorganici a scopo analitico:
Per l'estrazione a ultrasuoni di rame, piombo e cadmio, i campioni contenenti una miscela di fertilizzante e solvente sono stati sonicati con un dispositivo a ultrasuoni come il sonicatore VialTweeter per la sonicazione indiretta. I campioni di fertilizzante sono stati sonicati in presenza di 2mL di 50% (v/v) di HNO₃ in tubi di vetro per 3 minuti. Gli estratti di Cu, Cd e Pb possono essere determinati mediante spettrometria di assorbimento atomico alla fiamma (FAAS).
Raccomandazione sul dispositivo:
VialTweeter
Riferimento/ Documento di ricerca:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Metodo analitico alternativo per la determinazione dei metalli nei fertilizzanti inorganici basato sull'estrazione assistita da ultrasuoni. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/8. 2011. 1519-1524.

Sintesi del lattice

Applicazione a ultrasuoni:
Preparazione del lattice di P(St-BA)
Le particelle di lattice di poli(stirene-r-butilacrilato) P(St-BA) sono state sintetizzate mediante polimerizzazione in emulsione in presenza del tensioattivo DBSA. 1 g di DBSA è stato sciolto in 100 ml di acqua in un matraccio a tre colli e il valore di pH della soluzione è stato regolato a 2,0. Nella soluzione di DBSA sono stati versati monomeri misti di 2,80 g di St e 8,40 g di BA con l'iniziatore AIBN (0,168 g). L'emulsione O/W è stata preparata mediante agitazione magnetica per 1 ora, seguita da sonicazione con il sonicatore UIP1000hd dotato di tromba a ultrasuoni (sonda/sonotrodo) per altri 30 minuti in bagno di ghiaccio. Infine, la polimerizzazione è stata effettuata a 90° C in un bagno d'olio per 2 ore in atmosfera di azoto.
Raccomandazione sul dispositivo:
UIP1000hd
Riferimento/ Documento di ricerca:
Realizzazione di film conduttivi flessibili derivati da poli(3,4-etilendiossitiofene)epoli(acido stirenesolfonico) (PEDOT:PSS) su substrato di tessuto non tessuto. Chimica e fisica dei materiali 143, 2013. 143-148.
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Rimozione del piombo (sono-lisciviazione)

Applicazione a ultrasuoni:
Lisciviazione a ultrasuoni del piombo da terreni contaminati:
Gli esperimenti di lisciviazione a ultrasuoni sono stati eseguiti con un omogeneizzatore a ultrasuoni UP400S con una sonda sonica in titanio (diametro 14 mm), che opera a una frequenza di 20 kHz. La sonda a ultrasuoni (sonotrodo) è stata calibrata calorimetricamente con l'intensità degli ultrasuoni impostata a 51 ± 0,4 W cm^-2 per tutti gli esperimenti di lisciviazione al suono. Gli esperimenti di sono-lisciviazione sono stati termostatati utilizzando una cella di vetro a fondo piatto a 25 ± 1°C. Come soluzioni di lisciviazione del suolo (0,1 l) sottoposte a sonicazione sono stati utilizzati tre sistemi: 6 mL di 0,3 mol L^-2 di soluzione di acido acetico (pH 3,24), soluzione di acido nitrico al 3% (v/v) (pH 0,17) e un tampone di acido acetico/acetato (pH 4,79) preparato mescolando 60mL 0di 0,3 mol L^-1 acido acetico con 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH. Dopo il processo di sono-leaching, i campioni sono stati filtrati con carta da filtro per separare la soluzione di percolato dal suolo, seguita dall'elettrodeposizione di piombo della soluzione di percolato e dalla digestione del suolo dopo l'applicazione degli ultrasuoni.
Gli ultrasuoni si sono dimostrati uno strumento prezioso per migliorare la lisciviazione del piombo dal suolo inquinato. Gli ultrasuoni sono anche un metodo efficace per la rimozione quasi totale del piombo lisciviato dal suolo, che risulta così molto meno pericoloso.
Raccomandazione sul dispositivo:
UP400S con sonotrodo H14
Riferimento/ Documento di ricerca:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Lisciviazione a ultrasuoni e trattamento elettrochimico combinati per la rimozione del piombo dal suolo. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195-199.

PBS – Sintesi delle nanoparticelle di solfuro di piombo

Applicazione a ultrasuoni:
A temperatura ambiente, 0,151 g di acetato di piombo (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) e 0,03 g di TAA (CH₃CSNH₂) sono stati aggiunti a 5mL di liquido ionico, [EMIM] [EtSO₄] e 15 mL di acqua bidistillata in un becher da 50 mL sottoposto a irradiazione ultrasonica con il sonicatore Hielscher UP200S per 7 minuti. La punta della sonda a ultrasuoni/ sonotrodo S1 è stata immersa direttamente nella soluzione di reazione. La sospensione formatasi, di colore marrone scuro, è stata centrifugata per eliminare il precipitato e lavata due volte rispettivamente con acqua bidistillata ed etanolo per rimuovere i reagenti non reagiti. Per studiare l'effetto degli ultrasuoni sulle proprietà dei prodotti, è stato preparato un altro campione comparativo, mantenendo costanti i parametri di reazione, tranne che per il fatto che il prodotto è stato preparato in agitazione continua per 24 ore senza l'ausilio dell'irradiazione ultrasonica.
Per la preparazione di nanoparticelle di PbS è stata proposta la sintesi assistita da ultrasuoni in liquido ionico acquoso a temperatura ambiente. Questo metodo verde, a temperatura ambiente e rispettoso dell'ambiente, è veloce e privo di modelli, accorcia notevolmente i tempi di sintesi ed evita le complicate procedure sintetiche. I nanocluster preparati mostrano un enorme blue shift di 3,86 eV che può essere attribuito alle dimensioni molto piccole delle particelle e all'effetto di confinamento quantistico.
Raccomandazione sul dispositivo:
UP200S
Riferimento/ Documento di ricerca:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Preparazione e caratterizzazione facile e a temperatura ambiente di nanoparticelle di PbS in liquido ionico acquoso [EMIM][EtSO4] mediante irradiazione a ultrasuoni. Bollettino della Società Chimica Coreana 29/1, 2008. 53-56.

degradazione del fenolo

Applicazione a ultrasuoni:
Rokhina et al. (2013) hanno utilizzato la combinazione di acido peracetico (PAA) e catalizzatore eterogeneo (MnO₂) per la degradazione del fenolo in soluzione acquosa sotto irradiazione ultrasonica. L'ultrasonorizzazione è stata effettuata utilizzando un ultrasonorizzatore UP400S a sonda da 400 W, in grado di sonicare in modo continuo o a impulsi (cioè 4 sec. acceso e 2 sec. spento) a una frequenza fissa di 24 kHz. La potenza totale assorbita, la densità di potenza e l'intensità di potenza dissipata dal sistema sono state calcolate in 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3e 14,3 W/cm^-2rispettivamente. La potenza fissa è stata utilizzata per tutti gli esperimenti. Per controllare la temperatura all'interno del reattore è stato utilizzato un circolatore a immersione. Il tempo effettivo di sonicazione è stato di 4 ore, anche se il tempo reale di reazione è stato di 6 ore a causa del funzionamento in modalità pulsata. In un esperimento tipico, il reattore in vetro è stato riempito con 100 mL di soluzione di fenolo (1,05 mM) e dosi appropriate di catalizzatore MnO2 e PAA (2%), comprese tra 0-2 g L^-1 e 0-150 ppm, rispettivamente. Tutte le reazioni sono state eseguite a pH neutro, pressione atmosferica e temperatura ambiente (22 ± 1 °C).
Con l'ultrasuonizzazione, l'area superficiale del catalizzatore è stata aumentata di 4 volte, senza alcun cambiamento nella struttura. Le frequenze di rotazione (TOF) sono state aumentate da 7 x 10^-3 a 12,2 x 10^-3 min^-1rispetto al processo silenzioso. Inoltre, non è stata rilevata alcuna lisciviazione significativa del catalizzatore. L'ossidazione isotermica del fenolo a concentrazioni relativamente basse di reagenti ha dimostrato alti tassi di rimozione del fenolo (fino all'89%) a condizioni blande. In generale, gli ultrasuoni hanno accelerato il processo di ossidazione durante i primi 60 minuti (70% di rimozione del fenolo rispetto al 40% durante il trattamento silenzioso).
Raccomandazione sul dispositivo:
UP400S
Riferimento/ Documento di ricerca:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): MnO₂ omolisi catalizzata dell'acido peracetico per la degradazione del fenolo: La valutazione della chimica e della cinetica del processo. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476-486.

Fenolo: Ossidazione del fenolo con RuI₃ come catalizzatore

Applicazione a ultrasuoni:
Ossidazione acquosa eterogenea del fenolo su RuI₃ con perossido di idrogeno (H₂O₂): L'ossidazione catalitica del fenolo (100 ppm) su RuI₃ come catalizzatore è stato studiato in un reattore di vetro da 100 mL dotato di agitatore magnetico e regolatore di temperatura. La miscela di reazione è stata agitata a una velocità di 800 giri al minuto per 1-6 ore per ottenere una miscelazione completa per una distribuzione uniforme e una sospensione completa delle particelle di catalizzatore. Durante la sonicazione non è stata eseguita alcuna agitazione meccanica della soluzione, a causa del disturbo causato dall'oscillazione e dal collasso delle bolle di cavitazione, che ha garantito una miscelazione estremamente efficiente. L'irradiazione a ultrasuoni della soluzione è stata effettuata con un trasduttore UP400S dotato di ultrasuoni (il cosiddetto sonicatore a sonda), in grado di funzionare in modo continuo o a impulsi a una frequenza fissa di 24 kHz e con una potenza massima di 400W.
Per l'esperimento, RuI₃ come catalizzatore (0,5-2 gL^-1) è stato introdotto in sospensione nel mezzo di reazione con successiva aggiunta di H2O2 (30%, concentrazione nell'intervallo 200-1200 ppm).
Rokhina et al. hanno rilevato nel loro studio che l'irradiazione a ultrasuoni ha svolto un ruolo importante nella modifica delle proprietà testuali del catalizzatore, producendo una struttura microporosa con un'area superficiale più elevata come risultato della frammentazione delle particelle di catalizzatore. Inoltre, ha avuto un effetto promozionale, impedendo l'agglomerazione delle particelle di catalizzatore e migliorando l'accessibilità del fenolo e del perossido di idrogeno ai siti attivi del catalizzatore.
L'aumento di due volte dell'efficienza del processo assistito da ultrasuoni rispetto al processo di ossidazione silenziosa è stato attribuito al miglioramento del comportamento catalitico del catalizzatore e alla generazione di specie ossidanti come -OH, -HO2 e -I₂ attraverso la scissione dei legami idrogeno e la ricombinazione dei radicali.
Raccomandazione sul dispositivo:
UP400S
Riferimento/ Documento di ricerca:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ossidazione di perossido a umido di fenolo catalizzata da rutenio eterogeneo assistito da ultrasuoni. Catalisi applicata B: Environmental 87, 2009. 162- 170.

Particelle di Ag/ZnO rivestite di PLA

Applicazione a ultrasuoni:
Rivestimento in PLA di particelle di Ag/ZnO: Le micro e submicro-particelle di Ag/ZnO rivestite di PLA sono state preparate con la tecnica dell'emulsione olio-acqua per evaporazione con solvente. Il metodo è stato eseguito nel modo seguente. In primo luogo, 400 mg di polimero sono stati sciolti in 4 ml di cloroformio. La concentrazione risultante di polimero in cloroformio era di 100 mg/ml. In secondo luogo, la soluzione di polimero è stata emulsionata in una soluzione acquosa di vari sistemi tensioattivi (agente emulsionante, PVA 8-88) sotto agitazione continua con un omogeneizzatore alla velocità di 24.000 giri/min. La miscela è stata agitata per 5 minuti e durante questo periodo l'emulsione formatasi è stata raffreddata con ghiaccio. Il rapporto tra la soluzione acquosa di tensioattivo e la soluzione cloroformica di PLA è stato identico in tutti gli esperimenti (4:1). Successivamente, l'emulsione ottenuta è stata ultrasonata da un dispositivo a sonda ultrasonica UP400S (400W, 24kHz) per 5 min. a ciclo 0,5 e ampiezza 35%. Infine, l'emulsione preparata è stata trasferita in una beuta, agitata e il solvente organico è stato evaporato dall'emulsione a pressione ridotta, portando alla formazione di una sospensione di particelle. Dopo la rimozione del solvente, la sospensione è stata centrifugata tre volte per rimuovere l'emulsionante.
Raccomandazione sul dispositivo:
UP400S
Riferimento/ Documento di ricerca:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Particelle ibride antibatteriche rivestite di acido poli (L-lattico) sintetizzate a microonde. Nanocon 2011.

Composito di polianilina

Applicazione a ultrasuoni:
Preparazione di un composito di nano polianilina autodrogata (SPAni) a base di acqua (Sc-WB)
Per preparare il composito SPAni a base acquosa, 0,3 gr di SPAni, sintetizzato mediante polimerizzazione in situ in ambiente ScCO2, è stato diluito con acqua e sonicato per 2 minuti con un omogeneizzatore a ultrasuoni UIP1000hd da 1000W. Successivamente, il prodotto in sospensione è stato omogeneizzato aggiungendo 125 gr di matrice indurente a base acquosa per 15 minuti e la sonicazione finale è stata effettuata a temperatura ambiente per 5 minuti.
Raccomandazione sul dispositivo:
UIP1000hd
Riferimento/ Documento di ricerca:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Prestazioni protettive di un rivestimento epossidico a base d'acqua contenente nanopolianilina autodrogata sintetizzata con ScCO2. 2013.

Idrocarburi policiclici aromatici: Degradazione sonica di naftalene, acenaftilene e fenantrene

Applicazione a ultrasuoni:
Per la degradazione stereochimica degli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) naftalene, acenaftilene e fenantrene in acqua, le miscele di campioni sono state sonicate a 20◦C e 50 µg/l di ciascun IPA target (150 µg/l di concentrazione iniziale totale). L'ultrasuonazione è stata effettuata con un ultrasuonatore a tromba UP400S (400W, 24kHz), in grado di funzionare in modalità continua o a impulsi. Il sonicatore UP400S era dotato di una sonda in titanio H7 con punta di 7 mm di diametro. Le reazioni sono state eseguite in un recipiente di reazione cilindrico di vetro da 200 mL con il corno di titanio montato sulla parte superiore del recipiente di reazione e sigillato con O-ring e una valvola di teflon. Il recipiente di reazione è stato posto in un bagno d'acqua per controllare la temperatura del processo. Per evitare reazioni fotochimiche, il recipiente è stato coperto con un foglio di alluminio.
I risultati delle analisi hanno mostrato che la conversione degli IPA aumenta con l'aumentare della durata della sonicazione.
Per il naftalene, la conversione assistita dagli ultrasuoni (potenza degli ultrasuoni impostata a 150W) è aumentata dal 77,6% ottenuto dopo 30 minuti di sonicazione all'84,4% dopo 60 minuti di sonicazione.
Per l'acenaftilene, la conversione assistita dagli ultrasuoni (potenza degli ultrasuoni impostata a 150W) è aumentata dal 77,6% ottenuto dopo 30 min. di sonicazione con potenza degli ultrasuoni di 150W all'84,4% dopo 60 min. di sonicazione con ultrasuoni di 150W, passando dall'80,7% ottenuto dopo 30 min. di sonicazione con potenza degli ultrasuoni di 150W al 96,6% dopo 60 min. di sonicazione.
Per il fenantrene, la conversione assistita dagli ultrasuoni (potenza degli ultrasuoni impostata a 150W) è aumentata dal 73,8% ottenuto dopo 30 minuti di sonicazione all'83,0% dopo 60 minuti di sonicazione.
Per aumentare l'efficienza della degradazione, il perossido di idrogeno può essere utilizzato in modo più efficiente quando viene aggiunto lo ione ferroso. È stato dimostrato che l'aggiunta di ioni ferrosi ha effetti sinergici che simulano una reazione di tipo Fenton.
Raccomandazione sul dispositivo:
UP400S con H7
Riferimento/ Documento di ricerca:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Degradazione di idrocarburi policiclici aromatici in soluzioni acquose mediante irradiazione a ultrasuoni. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95-102.

Rimozione dello strato di ossido dai substrati

Applicazione a ultrasuoni:
Per preparare il substrato prima della crescita di nanofili di CuO su substrati di Cu, lo strato di ossido intrinseco sulla superficie di Cu è stato rimosso mediante ultrasuoni in acido cloridrico 0,7 M per 2 minuti con un Hielscher UP200S. Il campione è stato pulito a ultrasuoni in acetone per 5 minuti per rimuovere i contaminanti organici, risciacquato accuratamente con acqua deionizzata (DI) e asciugato in aria compressa.
Raccomandazione sul dispositivo:
UP200S o UP200St
Riferimento/ Documento di ricerca:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modulazione delle proprietà di rilevamento dei gas dei nanofili di CuO attraverso la creazione di giunzioni p-n discrete e nanometriche sulle loro superfici. Materiali applicati ACS & Interfacce 4, 2012. 4192-4199.

esperimenti di voltammetria

Applicazione a ultrasuoni:
Per gli esperimenti di voltammetria a ultrasuoni, è stato utilizzato un ultrasuonatore Hielscher 200 watt UP200S dotato di corno di vetro (punta di 13 mm di diametro). Gli ultrasuoni sono stati applicati con un'intensità di 8 W/cm^-2.
A causa della lenta velocità di diffusione delle nanoparticelle in soluzioni acquose e dell'elevato numero di centri redox per nanoparticella, la voltammetria diretta in fase di soluzione delle nanoparticelle è dominata dagli effetti di adsorbimento. Per rilevare le nanoparticelle senza accumulo dovuto all'adsorbimento, è necessario scegliere un approccio sperimentale con (i) una concentrazione sufficientemente elevata di nanoparticelle, (ii) elettrodi di piccole dimensioni per migliorare il rapporto segnale-sfondo o (iii) un trasporto di massa molto veloce.
Pertanto, McKenzie et al. (2012) hanno impiegato gli ultrasuoni di potenza per migliorare drasticamente la velocità di trasporto di massa delle nanoparticelle verso la superficie dell'elettrodo. Nella loro configurazione sperimentale, l'elettrodo è esposto direttamente a ultrasuoni ad alta intensità con una distanza elettrodo-corno di 5 mm e 8 W/cm^-2 intensità di sonicazione con conseguente agitazione e pulizia cavitazionale. Un sistema redox di prova, la riduzione a un elettrone di Ru(NH3)₆³⁺ in KCl 0,1 M acquoso, è stato utilizzato per calibrare la velocità di trasporto di massa ottenuta in queste condizioni.
Raccomandazione sul dispositivo:
UP200S o UP200St
Riferimento/ Documento di ricerca:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Elettrochimica diretta di Fe2O3 nanoparticolato in soluzione acquosa e adsorbito su ossido di indio drogato con stagno. Chimica pura applicata, 73/12, 2001. 1885-1894.

I sonicatori per le reazioni stereo dal laboratorio alla scala industriale

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