Sonochimica: note applicative

La sonochimica è l’effetto della cavitazione ultrasonica sui sistemi chimici. Grazie alle condizioni estreme che si verificano nel «punto caldo» cavitazionale, gli ultrasuoni di potenza sono un metodo molto efficace per migliorare l’esito della reazione (resa superiore, migliore qualità), la conversione e la durata di una reazione chimica. Alcune trasformazioni chimiche possono essere ottenute soltanto mediante sonicazione, come il rivestimento nanometrico di stagno su titanio o 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 sonochimiche efficaci!

In ordine alfabetico:

α-Epossichetoni – Reazione di apertura dell’anello

Applicazione degli ultrasuoni:
L’apertura catalitica dell’anello degli α-epossichetoni è stata effettuata utilizzando una combinazione di ultrasuoni e metodi fotochimici. Come fotocatalizzatore è stato utilizzato il tetrafluoroborato di 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridinio (NBTPT). Combinando la sonicazione (sonochimica) e la fotochimica di questi composti in presenza di NBTPT, è stata ottenuta l’apertura dell’anello epossidico. È stato dimostrato che l’impiego degli ultrasuoni aumenta significativamente la velocità della reazione fotoindotta. Gli ultrasuoni possono influenzare fortemente l’apertura fotocatalitica dell’anello degli α-epossichetoni, principalmente grazie all’efficiente trasferimento di massa dei reagenti e allo stato eccitato di NBTPT. Inoltre, il trasferimento di elettroni tra le specie attive in questo sistema omogeneo sottoposto a sonicazione avviene
più rapidamente rispetto al sistema senza sonicazione. Le rese superiori e i tempi di reazione più brevi sono vantaggi di questo metodo.

Apertura fotocatalitica dell’anello degli α-epossichetoni assistita da ultrasuoni (studio e grafico: ©Memarian et al 2007)

Protocollo di sonicazione:
Gli α-epossichetoni 1a-f e il tetrafluoroborato di 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridinio 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 un UP400S a sonda di Hielscher Ultrasonics GmbH. È stato utilizzato un corno ultrasonico a immersione S3 (noto anche come sonda o sonotrodo), che emette ultrasuoni a 24 kHz con livelli di intensità regolabili fino a una densità massima di potenza acustica di 460Wcm^-2 . La sonicazione è stata effettuata al 100% (ampiezza massima 210μm). Il sonotrodo S3 (profondità massima di immersione di 90mm) è stato immerso direttamente nella miscela di reazione. Le irradiazioni UV sono state effettuate utilizzando una lampada al mercurio ad alta pressione da 400W di Narva, con raffreddamento dei campioni in vetro Duran. Gli spettri NMR di ¹H della miscela di fotoprodotti sono stati misurati in soluzioni di CDCl₃ contenenti tetrametilsilano (TMS) come standard interno su un Bruker drx-500 (500 MHz). La cromatografia su strato preparativo (PLC) è stata effettuata su lastre di 20 × 20cm² rivestite con uno strato di 1mm di gel di silice Merck PF₂₅₄ , preparate applicando la silice come sospensione e lasciando asciugare all’aria. Tutti i prodotti sono noti e i loro dati spettrali sono stati riportati in precedenza.
Dispositivo consigliato:
UP400S con corno ultrasonico S3
Riferimento / Articolo scientifico:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Apertura catalitica fotosonochimica dell’anello degli α-epossichetoni. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Catalizzatore alluminio/nichel: nanostrutturazione della lega Al/Ni

Applicazione degli ultrasuoni:
Le particelle Al/Ni possono essere modificate per via sonochimica mediante la nanostrutturazione della lega Al/Ni iniziale. In questo modo si produce un catalizzatore efficace per l’idrogenazione dell’acetofenone.
Preparazione a ultrasuoni del catalizzatore Al/Ni:
5g della lega commerciale Al/Ni sono stati dispersi in acqua purificata (50mL) e sottoposti a sonicazione per un massimo di 50 min. con il sonicatore a sonda UIP1000hd (1kW, 20kHz), dotato del corno ultrasonico BS2d22 (area della testa di 3,8 cm²) e del booster B2-1.8. L’intensità massima calcolata era di 140 Wcm⁻² a un’ampiezza meccanica di 106μm. Per evitare l’aumento della temperatura durante la sonicazione, l’esperimento è stato effettuato in una cella termostatata. Dopo la sonicazione, il campione è stato essiccato sotto vuoto con una pistola termica.
Dispositivo consigliato:
UIP1000hd con sonotrodo BS2d22 e corno booster B2–1,2
Riferimento / Articolo scientifico:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Attivazione sonochimica del catalizzatore di idrogenazione Al/Ni. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterificazione del biodiesel utilizzando un catalizzatore MgO

Applicazione degli ultrasuoni:
La reazione di transesterificazione è stata studiata con miscelazione ultrasonica costante mediante il sonicatore UP200S, variando parametri quali la quantità di catalizzatore, il rapporto molare tra metanolo e olio, la temperatura e la durata della reazione. Gli esperimenti in batch sono stati effettuati in un reattore di vetro duro (300 ml, diametro interno di 7 cm) con un coperchio a due colli con giunti smerigliati. Un collo era collegato al sonotrodo in titanio S7 (diametro della punta di 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 sottoposta a sonicazione per l’intera durata della reazione. L’altro collo della camera del reattore era dotato di un condensatore personalizzato in acciaio inossidabile, raffreddato ad acqua, per riportare a riflusso il metanolo evaporato. L’intero apparato è stato posto in un bagno d’olio a temperatura costante, controllato da un regolatore di temperatura proporzionale-integrale-derivativo. La temperatura può essere aumentata fino a 65°C con una precisione di ±1°C. Come materiali per la transesterificazione del biodiesel sono stati utilizzati olio esausto e metanolo puro al 99,9%. Come catalizzatore è stato utilizzato MgO di dimensioni nanometriche depositato da fumo (nastro di magnesio).
Un eccellente risultato di conversione è stato ottenuto con 1,5 wt% di catalizzatore e un rapporto molare metanolo/olio di 5:1 a 55°C: dopo 45 min. è stata raggiunta una conversione del 98,7%.
Dispositivo consigliato:
UP200S con sonotrodo ultrasonico S7
Riferimento / Articolo scientifico:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Studi sulla produzione sonochimica di biodiesel utilizzando un catalizzatore di MgO nanometrico depositato da fumo. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89–96.

Sintesi di nanocompositi cadmio(II)-tioacetammide

Applicazione degli ultrasuoni:
Nanocompositi cadmio(II)-tioacetammide sono stati sintetizzati in presenza e in assenza di alcol polivinilico per via sonochimica. Per la sintesi sonochimica (sonosintesi), 0,532 g di acetato di cadmio(II) diidrato (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g di tioacetammide (TAA, CH3CSNH2) e 0,664 g di ioduro di potassio (KI) sono stati sciolti in 20mL di acqua deionizzata bidistillata. Questa soluzione è stata sottoposta a sonicazione con un sonicatore a sonda ad alta potenza UP400S (24 kHz, 400W) a temperatura ambiente per 1 h. Durante la sonicazione della miscela di reazione, la temperatura è aumentata fino a 70–80degC, come misurato da una termocoppia ferro–constantin. Dopo un’ora si è formato un precipitato giallo brillante. È stato isolato mediante 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%). Punto di decomposizione: 200°C. Per preparare il nanocomposito polimerico, 1,992 g di alcol polivinilico sono stati sciolti in 20 mL di acqua deionizzata bidistillata e poi aggiunti alla soluzione sopra descritta. Questa miscela è stata irradiata con ultrasuoni mediante la sonda ultrasonica UP400S per 1 h, al termine della quale si è formato un prodotto arancione brillante.
I risultati SEM hanno dimostrato che, in presenza di PVA, le dimensioni delle particelle sono diminuite da circa 38 nm a 25 nm. Abbiamo quindi sintetizzato nanoparticelle di CdS esagonale con morfologia sferica mediante decomposizione termica del nanocomposito polimerico cadmio(II)-tioacetammide/PVA come precursore. Le dimensioni delle nanoparticelle di CdS sono state misurate sia mediante XRD sia mediante SEM, e i risultati erano in ottimo accordo tra loro.
Ranjbar et al. (2013) hanno inoltre riscontrato che il nanocomposito polimerico di Cd(II) è un precursore adatto alla 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, economico, rispettoso dell’ambiente e molto promettente per la sintesi di materiali su scala nanometrica, senza necessità di condizioni particolari quali temperature elevate, lunghi tempi di reazione e pressioni elevate.
Dispositivo consigliato:
UP400S
Riferimento / Articolo scientifico:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Sintesi e caratterizzazione di nanocompositi cadmio-tioacetammide. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – Rivestimento con acido stearico mediante ultrasuoni

Applicazione degli ultrasuoni:
Rivestimento a ultrasuoni del CaCO₃ nanoprecipitato (NPCC) con acido stearico per migliorarne la dispersione nel polimero e ridurne l’agglomerazione. 2g di CaCO₃ nanoprecipitato (NPCC) non rivestito sono stati sottoposti a sonicazione con il sonicatore UP400S in 30ml di etanolo. Il 9 wt% di acido stearico è stato sciolto in etanolo. L’etanolo con acido stearico è stato quindi miscelato con la sospensione sottoposta a sonicazione.
Dispositivo consigliato:
UP400S con sonotrodo di 22mm di diametro (H22D) e cella di flusso con camicia di raffreddamento
Riferimento / Articolo scientifico:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Effetti degli ultrasuoni sul rivestimento del CaCO3 nanoprecipitato con acido stearico. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Silano drogato con nitrato di cerio

Applicazione degli ultrasuoni:
Pannelli di acciaio al carbonio laminato a freddo (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; puliti chimicamente e lucidati meccanicamente) sono stati utilizzati come substrati metallici. Prima dell’applicazione del rivestimento, i pannelli sono stati puliti a ultrasuoni con acetone e poi con una soluzione alcalina (soluzione di NaOH a 0,3mol L1) a 60°C per 10 min. Per l’impiego come primer, prima del pretrattamento del substrato, una formulazione tipica comprendente 50 parti di γ-glicidossipropiltrimetossisilano (γ-GPS) è stata diluita con circa 950 parti di metanolo, a pH 4,5 (regolato con acido acetico), e lasciata reagire per consentire l’idrolisi del silano. La procedura di preparazione del silano drogato con pigmenti di nitrato di cerio era la stessa, con la differenza che 1, 2, 3 wt% di nitrato di cerio sono stati aggiunti alla soluzione di metanolo prima dell’aggiunta di (γ-GPS); questa soluzione è stata quindi miscelata con un agitatore a elica a 1600 rpm per 30 min. a temperatura ambiente. Successivamente, le dispersioni contenenti nitrato di cerio sono state sottoposte a sonicazione per 30 min a 40°C con un bagno di raffreddamento esterno. Il processo di sonicazione è stato effettuato con il sonicatore UIP1000hd (1000W, 20 kHz), con una potenza ultrasonica in ingresso di circa 1 W/mL. Il pretrattamento del substrato è stato effettuato risciacquando ciascun pannello per 100 sec. con la soluzione di silano appropriata. Dopo il trattamento, i pannelli sono stati lasciati asciugare a temperatura ambiente per 24 h; i pannelli pretrattati sono stati poi rivestiti con una resina epossidica bicomponente indurita con ammine (Epon 828, shell Co.), ottenendo uno spessore del film umido di 90μm. I pannelli rivestiti con resina epossidica sono stati lasciati indurire per 1h a 115°C; dopo l’indurimento dei rivestimenti epossidici, lo spessore del film secco era di circa 60μm.
Dispositivo consigliato:
UIP1000hd
Riferimento / Articolo scientifico:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Effetti elettrochimici dei pretrattamenti con silano contenente nitrato di cerio sulle proprietà di distacco catodico dell’acciaio rivestito con resina epossidica. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

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

Applicazione degli ultrasuoni:
Il rame–alluminio poroso stabilizzato da ossido metallico è un nuovo e 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 della chimica verde per la sintesi di strutture porose rame–alluminio stabilizzate da ossido metallico. Sono economiche (costo di produzione di circa 3 EUR/litro) e il metodo può essere facilmente trasferito a una scala maggiore. Questi nuovi materiali porosi (o «spugne metalliche») hanno un corpo costituito da una lega e una superficie ossidata, e possono catalizzare la deidrogenazione del propano a basse temperature.
Procedura per la preparazione a ultrasuoni del catalizzatore:
Cinque grammi di polvere della lega Al–Cu sono stati dispersi in acqua ultrapura (50mL) e sottoposti a sonicazione per 60 min con il sonicatore a sonda Hielscher UIP1000hd (20kHz, potenza massima in uscita 1000W). Il dispositivo a ultrasuoni a sonda era dotato di un sonotrodo BS2d22 (area della punta 3,8cm²) e del corno booster B2–1,2. L’intensità massima calcolata era di 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 h.
Dispositivo consigliato:
UIP1000hd con sonotrodo BS2d22 e corno booster B2–1,2
Riferimento / Articolo scientifico:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Catalizzatori rame–alluminio nuovi ed efficaci per la deidrogenazione del propano. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Degradazione della ftalocianina di rame

Applicazione degli ultrasuoni:
Decolorazione e distruzione delle metalloftalocianine
La ftalocianina di rame viene sottoposta a sonicazione con acqua e solventi organici a temperatura ambiente e pressione atmosferica, in presenza di una quantità catalitica di ossidante, utilizzando il sonicatore da 500W UIP500hd con camera fold-trough a un livello di potenza di 37–59 W/cm²: 5 mL di campione (100 mg/L), 50 di acqua D/D con cloroformio e piridina al 60% dell’ampiezza ultrasonica. Temperatura di reazione: 20°C.
Dispositivo consigliato:
UIP500hd

Oro: modifica morfologica delle nanoparticelle d’oro

Applicazione degli ultrasuoni:
Le nanoparticelle d’oro sono state modificate morfologicamente mediante intensa irradiazione ultrasonica. Per fondere le nanoparticelle d’oro in una struttura a forma di manubrio, è risultato sufficiente un trattamento a ultrasuoni di 20 min. in acqua pura e in presenza di tensioattivi. Dopo 60 min. di sonicazione, le nanoparticelle d’oro acquisiscono in acqua una struttura vermiforme o ad anello. Nanoparticelle fuse di forma sferica o ovale sono state ottenute mediante ultrasuoni in presenza di soluzioni di dodecilsolfato di sodio o dodecilammina.
Protocollo del trattamento a ultrasuoni:
Per la modifica a ultrasuoni, la soluzione di oro colloidale, costituita da nanoparticelle d’oro preformate protette da citrato con un diametro medio di 25nm (± 7nm), è stata sottoposta a sonicazione in una camera di reazione chiusa (volume di circa 50mL). La soluzione di oro colloidale (0,97 mmol·L^-1) è stata irradiata con ultrasuoni ad alta intensità (40 W/cm^-2) utilizzando un sonicatore Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W) dotato di un sonotrodo in lega di titanio BS2d18 (diametro della punta di 0,7 pollici), immerso circa 2 cm sotto la superficie della soluzione sottoposta a sonicazione. L’oro colloidale è stato trattato con argon (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) per 20 min. prima della sonicazione e durante la sonicazione, a una portata di 200 mL·min^-1 per eliminare l’ossigeno nella soluzione. Sono stati combinati, mediante aggiunta, una porzione di 35-mL di ciascuna soluzione di tensioattivo senza aggiunta di citrato trisodico diidrato e 15 mL di oro colloidale preformato, con gorgogliamento di argon per 20 min. prima del trattamento a ultrasuoni e durante il trattamento.
Dispositivo consigliato:
UIP1000hd con sonotrodo BS2d18 e reattore con cella di flusso
Riferimento / Articolo scientifico:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Fusione di nanoparticelle d’oro preformate assistita da ultrasuoni. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

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

Applicazione degli ultrasuoni:
Estrazione di Cu, Cd e Pb da fertilizzanti inorganici a fini analitici:
Per l’estrazione a ultrasuoni di rame, piombo e cadmio, i campioni contenenti una miscela di fertilizzante e solvente vengono sottoposti a sonicazione con un dispositivo a ultrasuoni, come il sonicatore VialTweeter per la sonicazione indiretta. I campioni di fertilizzante sono stati sottoposti a sonicazione in presenza di 2mL di una soluzione al 50% (v/v) di HNO₃ in provette di vetro per 3 minuti. Gli estratti di Cu, Cd e Pb possono essere determinati mediante spettrometria di assorbimento atomico a fiamma (FAAS).
Dispositivo consigliato:
VialTweeter
Riferimento / Articolo scientifico:
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 degli ultrasuoni:
Preparazione del lattice P(St-BA)
Le particelle di lattice di poli(stirene-r-acrilato di butile) P(St-BA) sono state sintetizzate mediante polimerizzazione in emulsione in presenza del tensioattivo DBSA. Inizialmente, 1 g di DBSA è stato sciolto in 100mL di acqua in un pallone a tre colli e il pH della soluzione è stato regolato a 2,0. I monomeri miscelati, 2,80g di St e 8,40g di BA, con l’iniziatore AIBN (0,168g), sono stati versati nella soluzione di DBSA. L’emulsione O/W è stata preparata mediante agitazione magnetica per 1 h, seguita da sonicazione con il sonicatore UIP1000hd dotato di corno ultrasonico (sonda/sonotrodo) per altri 30 min. in un bagno di ghiaccio. Infine, la polimerizzazione è stata effettuata a 90degC in un bagno d’olio per 2h in atmosfera di azoto.
Dispositivo consigliato:
UIP1000hd
Riferimento / Articolo scientifico:
Fabbricazione di film conduttivi flessibili derivati da poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) su un substrato di tessuto non tessuto. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
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Rimozione del piombo (sonolisciviazione)

Applicazione degli ultrasuoni:
Lisciviazione a ultrasuoni del piombo da suolo contaminato:
Gli esperimenti di lisciviazione a ultrasuoni sono stati effettuati con un omogeneizzatore a ultrasuoni UP400S dotato di una sonda ultrasonica in titanio (diametro 14mm), che opera a una frequenza di 20kHz. La sonda ultrasonica (sonotrodo) è stata calibrata calorimetricamente, con l’intensità ultrasonica impostata a 51 ± 0,4 W cm^-2 per tutti gli esperimenti di sonolisciviazione. Gli esperimenti di sonolisciviazione sono stati termostatati utilizzando una cella di vetro a fondo piatto con camicia, a 25 ± 1°C. Tre sistemi sono stati impiegati come soluzioni di lisciviazione del suolo (0,1L) durante la sonicazione: 6 mL di soluzione di acido acetico a 0,3 mol L^-2 (pH 3,24), una soluzione di acido nitrico al 3% (v/v) (pH 0,17) e un tampone acido acetico/acetato (pH 4,79) preparato miscelando 60mL 0f acido acetico a 0,3 mol L^-1 con 19 mL di NaOH a 0,5 mol L^-1 . Dopo il processo di sonolisciviazione, i campioni sono stati filtrati con carta da filtro per separare la soluzione di lisciviazione dal suolo. Alla filtrazione sono seguite l’elettrodeposizione del piombo dalla soluzione di lisciviazione e la digestione del suolo dopo l’applicazione degli ultrasuoni.
Gli ultrasuoni si sono dimostrati uno strumento utile per migliorare la lisciviazione del piombo dal suolo contaminato. Gli ultrasuoni sono inoltre un metodo efficace per la rimozione quasi totale del piombo lisciviabile dal suolo, ottenendo un suolo molto meno pericoloso.
Dispositivo consigliato:
UP400S con sonotrodo H14
Riferimento / Articolo scientifico:
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 di nanoparticelle di solfuro di piombo

Applicazione degli 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 del liquido ionico, [EMIM] [EtSO₄], e a 15mL di acqua bidistillata in un becher da 50mL, sottoposto a irradiazione ultrasonica con il sonicatore Hielscher UP200S per 7 min. La punta della sonda ultrasonica/sonotrodo S1 è stata immersa direttamente nella soluzione di reazione. La sospensione di colore marrone scuro formatasi è stata centrifugata per separare 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 ulteriore campione di confronto, mantenendo costanti i parametri di reazione, con la sola differenza che il prodotto è stato preparato sotto agitazione continua per 24 h 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, rispettoso dell’ambiente e condotto a temperatura ambiente, è rapido e non richiede uno stampo strutturale; riduce notevolmente il tempo di sintesi ed evita procedure sintetiche complicate. I nanocluster così preparati mostrano un enorme spostamento verso il blu di 3,86 eV, attribuibile alle dimensioni molto ridotte delle particelle e all’effetto di confinamento quantistico.
Dispositivo consigliato:
UP200S
Riferimento / Articolo scientifico:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Preparazione semplice a temperatura ambiente e caratterizzazione di nanoparticelle di PbS in liquido ionico acquoso [EMIM][EtSO4] mediante irradiazione ultrasonica. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Degradazione del fenolo

Applicazione degli 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. La sonicazione è stata effettuata utilizzando un sonicatore a sonda UP400S da 400W, in grado di effettuare la sonicazione in modalità continua o pulsata (ossia 4 sec. acceso e 2 sec. spento) a una frequenza fissa di 24 kHz. La potenza totale in ingresso, la densità di potenza e l’intensità di potenza dissipate nel sistema, calcolate, erano rispettivamente di 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3 e 14,3 W/cm^-2. La potenza fissa è stata utilizzata per l’intera durata degli esperimenti. Per controllare la temperatura all’interno del reattore è stato utilizzato un circolatore a immersione. Il tempo effettivo di sonicazione era di 4 h, mentre il tempo reale di reazione era di 6 h a causa del funzionamento in modalità pulsata. In un esperimento tipico, il reattore di vetro è stato riempito con 100mL di soluzione di fenolo (1,05 mM) e dosi appropriate del catalizzatore MnO2 e di PAA (2%), comprese rispettivamente tra 0–2 g L^-1 e 0–150 ppm. Tutte le reazioni sono state effettuate a pH prossimo alla neutralità, pressione atmosferica e temperatura ambiente (22 ± 1 °C).
La sonicazione ha aumentato l’area superficiale del catalizzatore, ottenendo un’area superficiale 4 volte maggiore senza modifiche strutturali. Le frequenze di turnover (TOF) sono aumentate da 7 x 10^-3 a 12,2 x 10^-3 min^-1 rispetto al processo senza ultrasuoni. Inoltre, non è stata rilevata una lisciviazione significativa del catalizzatore. L’ossidazione isotermica del fenolo a concentrazioni relativamente basse dei reagenti ha mostrato elevati tassi di rimozione del fenolo (fino all’89%) in condizioni blande. In generale, gli ultrasuoni hanno accelerato il processo di ossidazione nei primi 60 min. (70% di rimozione del fenolo rispetto al 40% durante il trattamento senza ultrasuoni).
Dispositivo consigliato:
UP400S
Riferimento / Articolo scientifico:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Omolisi dell’acido peracetico catalizzata da MnO₂ e assistita da ultrasuoni per la degradazione del fenolo: valutazione della chimica e della cinetica del processo. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenolo: ossidazione del fenolo utilizzando RuI₃ come catalizzatore

Applicazione degli ultrasuoni:
Ossidazione eterogenea del fenolo in acqua su RuI₃ con perossido di idrogeno (H₂O₂): l’ossidazione catalitica del fenolo (100 ppm) su RuI₃ come catalizzatore è stata studiata in un reattore di vetro da 100 mL dotato di un agitatore magnetico e di un regolatore di temperatura. La miscela di reazione è stata agitata a una velocità di 800 rpm per 1–6 ore per ottenere una miscelazione completa, una distribuzione uniforme e la sospensione completa delle particelle di catalizzatore. Durante la sonicazione non è stata effettuata alcuna agitazione meccanica della soluzione, poiché la perturbazione causata dall’oscillazione e dal collasso delle bolle di cavitazione fornisce di per sé una miscelazione estremamente efficiente. L’irradiazione ultrasonica della soluzione è stata effettuata con un trasduttore ultrasonico UP400S dotato di un componente ultrasonico (il cosiddetto sonicatore a sonda), in grado di funzionare in modalità continua o pulsata a una frequenza fissa di 24 kHz e con una potenza massima in uscita di 400W.
Per l’esperimento, RuI₃ non trattato, come catalizzatore (0,5–2 gL^-1), è stato introdotto sotto forma di sospensione nel mezzo di reazione, seguito dall’aggiunta di H2O2 (30%, concentrazione nell’intervallo 200–1200 ppm).
Rokhina et al. hanno riscontrato nel loro studio che l’irradiazione ultrasonica svolgeva un ruolo rilevante nella modifica delle proprietà tessiturali del catalizzatore, producendo una struttura microporosa con maggiore area superficiale a seguito della frammentazione delle particelle di catalizzatore. Inoltre, aveva un effetto favorevole, impedendo l’agglomerazione delle particelle di catalizzatore e migliorando l’accessibilità del fenolo e del perossido di idrogeno ai siti attivi del catalizzatore.
Il raddoppio dell’efficienza del processo assistito da ultrasuoni rispetto al processo di ossidazione senza ultrasuoni è stato attribuito al miglioramento del comportamento catalitico del catalizzatore e alla generazione di specie ossidanti quali •OH, •HO2 e •I₂ mediante scissione dei legami a idrogeno e ricombinazione dei radicali.
Dispositivo consigliato:
UP400S
Riferimento / Articolo scientifico:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ossidazione umida del fenolo con perossido, catalizzata eterogeneamente da rutenio e assistita da ultrasuoni. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162–170.

Particelle Ag/ZnO rivestite con PLA

Applicazione degli ultrasuoni:
Rivestimento con PLA delle particelle Ag/ZnO: microparticelle e particelle submicrometriche di Ag/ZnO rivestite con PLA sono state preparate mediante la tecnica di evaporazione del solvente da un’emulsione olio in acqua. Questo metodo è stato effettuato nel modo seguente. Innanzitutto, 400 mg di polimero sono stati sciolti in 4 ml di cloroformio. La concentrazione risultante del polimero in cloroformio era di 100 mg/ml. Successivamente, la soluzione polimerica è stata emulsionata in una soluzione acquosa di vari sistemi di tensioattivi (agente emulsionante, PVA 8-88) sotto agitazione continua con un omogeneizzatore a una velocità di agitazione di 24.000 rpm. La miscela è stata agitata per 5 min. e, durante questo periodo, l’emulsione in formazione è stata raffreddata con ghiaccio. Il rapporto tra la soluzione acquosa di tensioattivo e la soluzione di PLA in cloroformio era identico in tutti gli esperimenti (4:1). Successivamente, l’emulsione ottenuta è stata sottoposta a sonicazione mediante un dispositivo a ultrasuoni a sonda UP400S (400W, 24kHz) per 5 min., con ciclo 0,5 e ampiezza del 35%. Infine, l’emulsione preparata è stata trasferita in una beuta Erlenmeyer e agitata, e il solvente organico è stato fatto evaporare dall’emulsione a pressione ridotta, portando infine alla formazione di una sospensione di particelle. Dopo la rimozione del solvente, la sospensione è stata centrifugata tre volte per rimuovere l’emulsionante.
Dispositivo consigliato:
UP400S
Riferimento / Articolo scientifico:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Particelle antibatteriche ibride sintetizzate mediante microonde e rivestite con poli(acido L-lattico). Nanocon 2011.

Composito di polianilina

Applicazione degli ultrasuoni:
Preparazione di un composito a base acquosa di nanopolianilina autodrogata (SPAni) (Sc-WB)
Per preparare il composito SPAni a base acquosa, 0,3 gr di SPAni, sintetizzata mediante polimerizzazione in situ in un mezzo ScCO2, sono stati diluiti con acqua e sottoposti a sonicazione per 2 minuti mediante un omogeneizzatore a ultrasuoni UIP1000hd da 1000W. Successivamente, il prodotto in sospensione è stato omogeneizzato per 15 min. aggiungendo 125 gr di matrice indurente a base acquosa, e la sonicazione finale è stata effettuata a temperatura ambiente per 5 min.
Dispositivo consigliato:
UIP1000hd
Riferimento / Articolo scientifico:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Prestazioni protettive di un rivestimento epossidico a base acquosa contenente nanopolianilina autodrogata sintetizzata in ScCO2. 2013.

Idrocarburi policiclici aromatici: degradazione sonochimica di naftalene, acenaftilene e fenantrene

Applicazione degli ultrasuoni:
Per la degradazione sonochimica degli idrocarburi policiclici aromatici (PAH) naftalene, acenaftilene e fenantrene in acqua, le miscele di campioni sono state sottoposte a sonicazione a 20◦C e con 50 µg/l di ciascun PAH bersaglio (concentrazione iniziale totale di 150 µg/l). La sonicazione è stata applicata mediante un sonicatore a corno UP400S (400W, 24kHz), in grado di funzionare in modalità continua o pulsata. Il sonicatore UP400S era dotato di una sonda in titanio H7 con punta di 7 mm di diametro. Le reazioni sono state effettuate in un recipiente di reazione cilindrico in vetro da 200 mL, con il corno in titanio montato nella parte superiore del recipiente e sigillato mediante O-ring e una valvola in 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 dei PAH aumenta con l’aumentare della durata della sonicazione.
Per il naftalene, la conversione assistita da ultrasuoni (potenza ultrasonica impostata a 150W) è aumentata dal 77,6% raggiunto dopo 30 min. di sonicazione all’84,4% dopo 60 min. di sonicazione.
Per l’acenaftilene, la conversione assistita da ultrasuoni (potenza ultrasonica impostata a 150W) è aumentata dal 77,6% raggiunto dopo 30 min. di sonicazione con potenza ultrasonica di 150W all’84,4% dopo 60 min. di sonicazione con ultrasuoni a 150W, è aumentata dall’80,7% raggiunto dopo 30 min. di sonicazione con potenza ultrasonica di 150W al 96,6% dopo 60 min. di sonicazione.
Per il fenantrene, la conversione assistita da ultrasuoni (potenza ultrasonica impostata a 150W) è aumentata dal 73,8% raggiunto dopo 30 min. di sonicazione all’83,0% dopo 60 min. di sonicazione.
Per aumentare l’efficienza della degradazione, il perossido di idrogeno può essere utilizzato più efficacemente aggiungendo ioni ferrosi. È stato dimostrato che l’aggiunta di ioni ferrosi ha effetti sinergici che simulano una reazione di tipo Fenton.
Dispositivo consigliato:
UP400S con H7
Riferimento / Articolo scientifico:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Degradazione degli idrocarburi policiclici aromatici in soluzioni acquose mediante irradiazione ultrasonica. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Rimozione dello strato di ossido dai substrati

Applicazione degli ultrasuoni:
Per preparare il substrato prima della crescita di nanofili di CuO su substrati di Cu, lo strato di ossido intrinseco sulla superficie del Cu è stato rimosso sottoponendo il campione a sonicazione in acido cloridrico 0,7 M per 2 min. con un Hielscher UP200S. Il campione è stato pulito a ultrasuoni in acetone per 5 min. per rimuovere i contaminanti organici, risciacquato accuratamente con acqua deionizzata (DI) e asciugato con aria compressa.
Dispositivo consigliato:
UP200S oppure UP200St
Riferimento / Articolo scientifico:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modulazione delle proprietà di rilevamento dei gas dei nanofili di CuO mediante la creazione di giunzioni p−n discrete di dimensioni nanometriche sulle loro superfici. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Esperimenti di voltammetria

Applicazione degli ultrasuoni:
Per gli esperimenti di voltammetria potenziata dagli ultrasuoni è stato impiegato un sonicatore Hielscher UP200S da 200 watt, dotato di un corno in vetro (punta di 13-mm di diametro). Gli ultrasuoni sono stati applicati con un’intensità di 8 W/cm^–2.
A causa della bassa velocità di diffusione delle nanoparticelle nelle soluzioni acquose e dell’elevato numero di centri redox per nanoparticella, la voltammetria diretta delle nanoparticelle in fase di soluzione è dominata dagli effetti di adsorbimento. Per rilevare le nanoparticelle senza accumulo dovuto all’adsorbimento, occorre scegliere un approccio sperimentale con (i) una concentrazione sufficientemente elevata di nanoparticelle, (ii) elettrodi piccoli per migliorare il rapporto segnale/fondo, oppure (iii) un trasporto di massa molto rapido.
Pertanto, McKenzie et al. (2012) hanno impiegato ultrasuoni di potenza per migliorare drasticamente la velocità di trasporto di massa delle nanoparticelle verso la superficie dell’elettrodo. Nel loro apparato sperimentale, l’elettrodo è direttamente esposto a ultrasuoni ad alta intensità, con una distanza elettrodo-corno di 5 mm e un’intensità di sonicazione di 8 W/cm^–2 , che producono agitazione e pulizia per cavitazione. Per calibrare la velocità di trasporto di massa raggiunta in queste condizioni è stato impiegato un sistema redox di prova, la riduzione monoelettronica di Ru(NH3)₆³⁺ in KCl acquoso 0,1 M.
Dispositivo consigliato:
UP200S oppure UP200St
Riferimento / Articolo scientifico:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Elettrochimica diretta del Fe2O3 nanoparticellare in soluzione acquosa e adsorbito su ossido di indio drogato con stagno. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Sonicatore per reazioni sonochimiche dalla scala di laboratorio a quella industriale

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