초음파 화학: 응용 지침

초음파 화학은 초음파 캐비테이션이 화학계에 미치는 효과를 말합니다. 캐비테이션의 “핫 스폿”에서 발생하는 극한 조건으로 인해 고출력 초음파는 화학 반응의 결과(더 높은 수율, 더 나은 품질), 전환율 및 반응 시간을 개선하는 데 매우 효과적인 방법입니다. 티타늄이나 알루미늄의 나노 크기 주석 코팅과 같은 일부 화학적 변화는 초음파 처리를 통해서만 달성할 수 있습니다.

아래에서 다양한 입자와 액체, 그리고 초음파 균질기를 사용하여 입자를 분쇄, 분산, 해응집 또는 개질하기 위한 물질 처리 방법에 관한 권장 사항을 확인할 수 있습니다.

성공적인 초음파 화학 반응을 위한 몇 가지 초음파 처리 프로토콜을 아래에서 확인하세요!

알파벳순:

α-에폭시케톤 – 개환 반응

초음파 응용:
α-에폭시케톤의 촉매 개환 반응은 초음파와 광화학적 방법을 결합하여 수행하였습니다. 광촉매로는 1-벤질-2,4,6-트리페닐피리디늄 테트라플루오로보레이트(NBTPT)를 사용하였습니다. NBTPT 존재하에서 이들 화합물에 대한 초음파 처리(초음파 화학)와 광화학을 결합하여 에폭사이드 고리의 개환을 달성하였습니다. 초음파를 사용하면 광유도 반응 속도가 크게 증가하는 것으로 입증되었습니다. 초음파는 주로 반응물의 효율적인 물질 전달과 NBTPT의 들뜬 상태로 인해 α-에폭시케톤의 광촉매 개환 반응에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 초음파 처리를 사용하는 이 균일계에서 활성종 사이의 전자 전달은 초음파 처리를 하지 않는 계보다
빠르게 일어납니다. 더 높은 수율과 더 짧은 반응 시간이 이 방법의 장점입니다.

초음파 보조 α-에폭시케톤 광촉매 개환 반응(연구 및 그래픽: ©Memarian et al 2007)

초음파 처리 프로토콜:
α-에폭시케톤 1a-f와 1-벤질-2,4,6-트리페닐피리디늄 테트라플루오로보레이트 2는 보고된 절차에 따라 제조하였습니다. 메탄올은 Merck에서 구입하여 사용 전에 증류하였습니다. 사용한 초음파 장비는 Hielscher Ultrasonics GmbH의 프로브형 초음파 장비 UP400S였습니다. S3 초음파 침지 혼(프로브 또는 소노트로드라고도 함)은 24 kHz 초음파를 방출하며, 강도 조절이 가능한 최대 음향 출력 밀도는 460Wcm^-2 인 것을 사용하였습니다. 초음파 처리는 100%(최대 진폭 210μm)에서 수행하였습니다. 소노트로드 S3(최대 침지 깊이 90mm)를 반응 혼합물에 직접 침지하였습니다. UV 조사는 Narva의 400W 고압 수은 램프를 사용하여 수행하였으며, Duran 유리 용기에 담긴 시료를 냉각하였습니다. 광생성물 혼합물의 ¹H NMR 스펙트럼은 CDCl₃ 용액에 내부 표준물질인 테트라메틸실란(TMS)을 첨가하여 Bruker drx-500(500 MHz)으로 측정하였습니다. 분취층 크로마토그래피(PLC)에는 20 × 20cm² 플레이트를 사용하였으며, 이 플레이트는 1mm 두께의 Merck 실리카 겔 PF₂₅₄ 층으로 코팅하였습니다. 코팅은 실리카를 슬러리 형태로 도포하고 공기 중에서 건조하여 제조하였습니다. 모든 생성물은 알려진 물질이며, 이들의 스펙트럼 데이터는 이전에 보고되었습니다.
권장 장비:
UP400S 및 초음파 혼 S3
참고 문헌/연구 논문:
메마리안, 하미드 R.; Saffar-Teluri, A. (2007) : α- 에폭시 케톤의 광음파 화학 촉매 고리 개구부. Beilstein 유기 화학 저널 3/2, 2007.

알루미늄/니켈 촉매: Al/Ni 합금의 나노구조화

초음파 응용:
출발 Al/Ni 합금을 나노구조화하여 Al/Ni 입자를 초음파 화학적으로 개질할 수 있습니다. 이를 통해 아세토페논의 수소화에 효과적인 촉매가 생성됩니다.
Al/Ni 촉매의 초음파 제조:
시판 Al/Ni 합금 5g을 정제수(50mL)에 분산시키고, 최대 50 min. 동안 프로브형 초음파 처리기 UIP1000hd(1kW, 20kHz)로 초음파 처리하였습니다. 이 장비에는 초음파 혼 BS2d22(헤드 면적 3.8 cm²)와 부스터 B2-1.8을 장착하였습니다. 계산된 최대 강도는 140 Wcm⁻² 이며, 이때 기계적 진폭은 106μm였다. 초음파 처리 중 온도 상승을 방지하기 위해 항온 셀에서 실험을 수행했다. 초음파 처리 후 시료를 열풍기로 진공 상태에서 건조했다.
권장 장치:
UIP1000hd 와 소노트로드 BS2d22 및 부스터 혼 B2–1.2
참고 문헌/연구 논문:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Al/Ni 수소화 촉매의 초음파화학적 활성화. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

MgO 촉매를 이용한 바이오디젤 에스테르 교환 반응

초음파 응용:
초음파 처리기 UP200S로 지속적으로 초음파 혼합을 하면서 촉매량, 메탄올과 오일의 몰비, 반응 온도 및 반응 시간 등 다양한 매개변수에 따른 에스테르 교환 반응을 연구했다. 배치 실험은 두 개의 목이 있는 연마 접합 뚜껑을 갖춘 경질 유리 반응기(300 ml, 내경 7 cm)에서 수행했다. 한쪽 목에는 초음파 처리기 UP200S(200W, 24kHz)의 티타늄 소노트로드 S7(팁 직경 7 mm)을 연결했다. 초음파 진폭은 50%로 설정하고 초당 1사이클로 작동시켰다. 반응 시간 내내 반응 혼합물을 초음파 처리했다. 반응기 챔버의 다른 쪽 목에는 증발한 메탄올을 환류시키기 위해 맞춤 제작된 수냉식 스테인리스강 응축기를 장착했다. 전체 장치를 비례 적분 미분 온도 제어기로 제어하는 항온 오일 배스에 넣었다. 온도는 ±1°C의 정확도로 최대 65°C까지 높일 수 있다. 바이오디젤 에스테르 교환 반응의 원료로 폐유와 순도 99.9%의 메탄올을 사용했다. 연기 증착으로 얻은 나노 크기 MgO(마그네슘 리본)를 촉매로 사용했다.
촉매 1.5 wt%, 메탄올과 오일의 몰비 5:1, 온도 55°C에서 우수한 전환 결과를 얻었으며, 45 min 후 전환율 98.7%를 달성했다.
권장 장치:
UP200S 와 초음파 소노트로드 S7
참고 문헌/연구 논문:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): 연기 증착 나노 MgO 촉매를 이용한 초음파화학적 바이오디젤 생산에 관한 연구. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

카드뮴(II)–티오아세트아미드 나노복합체 합성

초음파 응용:
폴리비닐알코올이 존재하는 조건과 존재하지 않는 조건에서 초음파화학적 방법으로 카드뮴(II)–티오아세트아미드 나노복합체를 합성하였다. 초음파화학적 합성(초음파 합성)을 위해 아세트산카드뮴(II) 이수화물(Cd(CH3COO)2.2H2O) 0.532 g, 티오아세트아미드(TAA, CH3CSNH2) 0.148 g 및 요오드화칼륨(KI) 0.664 g을 이중 증류한 탈이온수 20mL에 용해하였다. 이 용액을 고출력 프로브형 초음파 처리기 UP400S(24 kHz, 400W)로 실온에서 1 h 동안 초음파 처리하였다. 반응 혼합물의 초음파 처리 중 철–콘스탄탄 열전대로 측정한 온도는 70–80degC까지 상승하였다. 한 시간 후 밝은 노란색 침전물이 형성되었다. 이를 원심분리(4,000 rpm, 15 min)로 분리하고, 잔류 불순물을 제거하기 위해 이중 증류수로 세척한 다음 무수 에탄올로 세척한 후, 최종적으로 공기 중에서 건조하였다(수율: 0.915 g, 68%). 분해점 200°C. 고분자 나노복합체를 제조하기 위해 폴리비닐알코올 1.992 g을 이중 증류한 탈이온수 20 mL에 용해한 다음 위의 용액에 첨가하였다. 이 혼합물에 초음파 프로브 UP400S로 1 h 동안 초음파를 조사하자 밝은 주황색 생성물이 형성되었다.
SEM 결과는 PVA가 존재할 때 입자 크기가 약 38 nm에서 25 nm로 감소함을 보여주었다. 이어서 고분자 나노복합체인 카드뮴(II)–티오아세트아미드/PVA를 전구체로 사용하여 열분해함으로써 구형 형태의 육방정계 CdS 나노입자를 합성하였다. CdS 나노입자의 크기를 XRD와 SEM으로 각각 측정하였으며, 두 결과는 서로 매우 잘 일치하였다.
Ranjbar 등(2013)은 또한 고분자 Cd(II) 나노복합체가 흥미로운 형태의 황화카드뮴 나노입자를 제조하기에 적합한 전구체임을 확인하였다. 모든 결과는 고온, 긴 반응 시간 및 고압과 같은 특수한 조건 없이 나노 크기 물질을 합성하는 데 초음파 합성을 간단하고 효율적이며 비용이 낮고 환경친화적이며 매우 유망한 방법으로 성공적으로 사용할 수 있음을 보여주었다.
권장 장치:
UP400S
참고문헌/연구 논문:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): 카드뮴–티오아세트아미드 나노복합체의 합성 및 특성 분석. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – 초음파를 이용한 스테아르산 코팅

초음파 응용:
고분자 내 분산성을 개선하고 응집을 줄이기 위한 나노 침전 CaCO₃ (NPCC)를 스테아르산으로 초음파 코팅. 2g의 코팅되지 않은 나노 침전 CaCO₃ (NPCC)를 에탄올 30ml에서 초음파 처리기 UP400S로 초음파 처리하였다. 스테아르산 9 wt%를 에탄올에 용해하였다. 그런 다음 스테아르산이 함유된 에탄올을 초음파 처리한 현탁액과 혼합하였다.
권장 장치:
UP400S 및 직경 22mm 소노트로드(H22D), 냉각 재킷이 장착된 플로우 셀
참고문헌/연구 논문:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): 나노 침전 CaCO3의 스테아르산 코팅에 미치는 초음파의 영향. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

질산세륨으로 도핑한 실란

초음파 응용:
냉간 압연 탄소강 패널(6.5cm, 6.5cm, 0.3cm; 화학적으로 세척하고 기계적으로 연마함)을 금속 기판으로 사용하였다. 코팅 전에 패널을 아세톤으로 초음파 세척한 다음, 60°C에서 10 min 동안 알칼리 용액(0.3mol L1 NaOH 용액)으로 세척하였다. 프라이머로 사용하기 위해 기판 전처리에 앞서 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란(γ-GPS) 50부를 포함하는 일반적인 배합물을 약 950부의 메탄올로 희석하고, pH 4.5(아세트산으로 조절)에서 실란이 가수분해되도록 두었다. 질산세륨 안료로 도핑한 실란의 제조 절차도 동일하였으나, (γ-GPS)를 첨가하기 전에 메탄올 용액에 질산세륨을 1, 2, 3 wt% 첨가한 다음, 이 용액을 실온에서 프로펠러 교반기로 1600 rpm으로 30 min 동안 혼합하였다. 이어서 질산세륨을 함유한 분산액을 외부 냉각조를 사용하여 40°C에서 30 min 동안 초음파 처리하였다. 초음파 처리에는 초음파 처리기 UIP1000hd(1000W, 20 kHz)를 사용하였으며, 투입 초음파 출력은 약 1 W/mL였다. 각 패널을 해당 실란 용액으로 100 sec 동안 헹구어 기판을 전처리하였다. 처리 후 패널을 실온에서 24 h 동안 건조한 다음, 전처리한 패널에 이액형 아민 경화 에폭시(Epon 828, shell Co.)를 도포하여 습윤 도막 두께가 90μm가 되도록 하였다. 에폭시를 코팅한 패널은 115°C에서 1h 동안 경화하였으며, 에폭시 코팅 경화 후 건조 도막 두께는 약 60μm였다.
권장 장치:
UIP1000hd
참고 문헌/연구 논문:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): 질산세륨을 함유한 실란 전처리가 에폭시 코팅 강철의 음극 박리 특성에 미치는 전기화학적 영향. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

구리–알루미늄 골격: 다공성 Cu-Al 골격의 합성

초음파 응용:
금속 산화물로 안정화된 다공성 구리–알루미늄은 귀금속이나 유해 금속을 함유하지 않는, 프로판 탈수소화용으로 유망한 새로운 대체 촉매이다. 산화된 다공성 Cu–Al 합금(금속 스펀지)의 구조는 레이니형 금속과 유사하다. 고출력 초음파는 금속 산화물로 안정화된 다공성 구리–알루미늄 골격을 합성하기 위한 녹색 화학 도구이다. 이 골격은 저렴하며(생산 비용 약 3 EUR/리터), 이 방법은 쉽게 규모를 확대할 수 있다. 이러한 새로운 다공성 재료(또는 “금속 스펀지”)는 합금으로 이루어진 내부와 산화된 표면을 가지며, 저온에서 프로판 탈수소화를 촉진할 수 있다.
초음파를 이용한 촉매 제조 절차:
Al–Cu 합금 분말 다섯 그램을 초순수(50mL)에 분산시키고 Hielscher 프로브형 초음파 처리기 UIP1000hd(20kHz, 최대 출력 1000W)로 60 min 동안 초음파 처리하였다. 이 프로브형 초음파 장치에는 소노트로드 BS2d22(팁 면적 3.8cm²)와 부스터 혼 B2–1.2를 장착하였다. 최대 강도는 57 W/cm² 로 계산되었으며, 이때 기계적 진폭은 81μm였다. 처리 중 시료를 얼음 수조에서 냉각하였다. 처리 후 시료를 120°C에서 24 h 동안 건조하였다.
권장 장치:
UIP1000hd 및 소노트로드 BS2d22와 부스터 혼 B2–1.2
참고 문헌/연구 논문:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): 새롭고 효과적인 구리–알루미늄 프로판 탈수소화 촉매. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

구리 프탈로시아닌 분해

초음파 응용:
금속 프탈로시아닌의 탈색 및 분해
구리 프탈로시아닌을 물 및 유기 용매와 함께 상온 및 대기압에서 촉매량의 산화제가 존재하는 조건으로, 플로우 스루 챔버가 장착된 500W 초음파 처리기 UIP500hd를 사용하여 다음 출력 강도로 초음파 처리한다: 37–59 W/cm²: 시료 5 mL(100 mg/L), 클로로포름 및 피리딘과 함께 사용하는 이중 증류수 50, 초음파 진폭 60%. 반응 온도: 20°C.
권장 장비:
UIP500hd

금: 금 나노입자의 형태 변형

초음파 응용:
강력한 초음파 조사로 금 나노입자의 형태를 변형하였다. 금 나노입자를 아령 모양의 구조로 융합하는 데에는 순수한 물에서 계면활성제가 존재하는 조건으로 20 min 동안 초음파 처리하는 것으로 충분한 것으로 나타났다. 60 min 동안 초음파 처리하면 금 나노입자는 물속에서 벌레 모양 또는 고리 모양의 구조를 갖게 된다. 도데실황산나트륨 또는 도데실아민 용액이 존재하는 조건에서는 초음파에 의해 구형 또는 타원형의 융합 나노입자가 형성되었다.
초음파 처리 프로토콜:
초음파 변형을 위해, 평균 직경이 25nm(± 7nm)인 미리 형성된 시트르산염 보호 금 나노입자로 이루어진 콜로이드 금 용액을 밀폐된 반응기 챔버(부피 약 50mL)에서 초음파 처리하였다. 콜로이드 금 용액(0.97 mmol·L^-1)을 고강도(40 W/cm^-2)로 초음파 조사하였다. 이때 티타늄 합금 소노트로드 BS2d18(팁 직경 0.7 인치)을 장착한 Hielscher UIP1000hdT 초음파 장치(20kHz, 1000W)를 사용하였으며, 소노트로드는 초음파 처리 용액의 표면 아래 약 2 cm 깊이로 침지하였다. 콜로이드 금에는 아르곤(O₂ < 2 ppmv, Air Liquid)을 초음파 처리 전 20 min 동안 및 처리 중에 200 mL·min^-1 의 유량으로 주입하여 용액 내 산소를 제거하였다. 시트르산삼나트륨 이수화물을 첨가하지 않은 각 계면활성제 용액 35-mL 분량에 미리 형성된 콜로이드 금 15 mL를 첨가하고, 초음파 처리 전 20 min 동안 및 처리 중에 아르곤 가스를 기포 형태로 주입하였다.
권장 장비:
UIP1000hd 에 소노트로드 BS2d18 및 플로우 셀 반응기 장착
참고문헌/연구 논문:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): 미리 형성된 금 나노입자의 초음파 보조 융합. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

무기질 비료 – 분석을 위한 Cu, Cd 및 Pb의 침출

초음파 응용:
분석 목적의 무기질 비료 내 Cu, Cd 및 Pb 추출:
구리, 납 및 카드뮴의 초음파 추출을 위해 비료와 용매의 혼합물이 포함된 시료를 간접 초음파 처리용 VialTweeter 초음파 처리기와 같은 초음파 장치로 초음파 처리한다. 비료 시료는 2mL의 50% (v/v) HNO₃ 가 존재하는 조건에서 유리관 내에서 3분 동안 초음파 처리하였다. Cu, Cd 및 Pb 추출물은 불꽃 원자흡수분광법(FAAS)으로 정량할 수 있다.
권장 장비:
VialTweeter
참고문헌/연구 논문:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): 초음파 보조 추출에 기반한 무기질 비료 내 금속 정량을 위한 대체 분석법. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519-1524.

라텍스 합성

초음파 응용:
P(St-BA) 라텍스 제조
계면활성제 DBSA가 존재하는 조건에서 유화중합으로 폴리(스타이렌-r-부틸 아크릴레이트) P(St-BA) 라텍스 입자를 합성하였다. 먼저 삼구 플라스크에서 DBSA 1 g을 물 100mL에 용해하고 용액의 pH 값을 2.0으로 조정하였다. St 2.80g과 BA 8.40g의 혼합 단량체를 개시제 AIBN(0.168g)과 함께 DBSA 용액에 부었다. 1 h 동안 자력 교반한 후, 얼음 욕조에서 초음파 혼(프로브/소노트로드)을 장착한 UIP1000hd 초음파 장치로 추가로 30 min 동안 초음파 처리하여 O/W 에멀션을 제조하였다. 마지막으로 질소 분위기에서 오일 욕조를 사용하여 90degC에서 2h 동안 중합을 수행하였다.
권장 장비:
UIP1000hd
참고문헌/연구 논문:
부직포 기재 위에 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) 유래 유연성 전도성 필름 제조. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143-148.
라텍스의 초음파 합성에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

납 제거(초음파 침출)

초음파 응용:
오염된 토양에서 납의 초음파 침출:
초음파 침출 실험은 20kHz의 주파수로 작동하는 티타늄 초음파 프로브(직경 14mm)가 장착된 초음파 균질기 UP400S로 수행하였다. 초음파 프로브(소노트로드)는 열량 측정법으로 교정하였으며, 초음파 강도는 51 ± 0.4 W cm^-2 로 모든 초음파 침출 실험에서 설정하였다. 초음파 침출 실험은 바닥이 평평한 재킷형 유리 셀을 사용하여 25 ± 1°C로 일정하게 유지하였다. 초음파 처리 중 토양 침출 용액(0.1L)으로 세 가지 계를 사용하였다. 6 mL의 0.3 mol L^-2 아세트산 용액(pH 3.24), 3% (v/v) 질산 용액(pH 0.17), 아세트산/아세트산염 완충액(pH 4.79)을 사용하였으며, 이 완충액은 60mL 0f 0.3 mol L^-1 아세트산과 19 mL의 0.5 mol L^-1 NaOH를 혼합하여 제조하였다. 초음파 침출 공정 후 시료를 여과지로 여과하여 토양에서 침출액을 분리한 다음, 침출액의 납을 전착시키고 초음파 처리한 토양을 분해하였다.
초음파는 오염된 토양에서 납의 침출을 증진하는 유용한 도구임이 입증되었다. 또한 초음파는 토양에서 침출 가능한 납을 거의 전량 제거하여 토양의 유해성을 크게 낮추는 효과적인 방법이다.
권장 장치:
UP400S 와 소노트로드 H14
참고 문헌/연구 논문:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): 토양의 납 제거를 위한 초음파 침출과 전기화학적 처리의 결합. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – 황화납 나노입자 합성

초음파 응용:
실온에서 아세트산납 0.151 g(Pb(CH₃COO)2.3H₂O)과 TAA 0.03 g(CH₃CSNH₂)을 이온성 액체 5mL( [EMIM] [EtSO₄])와 이중 증류수 15mL가 담긴 50mL 비커에 첨가하고 Hielscher 초음파 처리기 UP200S로 7 min 동안 초음파를 조사하였다. 초음파 프로브/소노트로드 S1의 팁을 반응 용액에 직접 담갔다. 생성된 암갈색 현탁액을 원심분리하여 침전물을 분리하고, 미반응 시약을 제거하기 위해 이중 증류수와 에탄올로 각각 두 번 세척하였다. 초음파가 생성물의 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해, 초음파 조사 없이 24 h 동안 연속 교반하여 생성물을 제조한다는 점을 제외하고 반응 매개변수를 일정하게 유지하여 비교 시료를 하나 더 준비하였다.
PbS 나노입자를 제조하기 위해 실온에서 이온성 액체 수용액 내 초음파 보조 합성이 제안되었다. 실온에서 수행되는 이 친환경적 녹색 합성법은 빠르고 주형이 필요하지 않아 합성 시간을 현저히 단축하고 복잡한 합성 절차를 피할 수 있다. 이렇게 제조된 나노클러스터는 3.86 eV의 매우 큰 청색 편이를 보이며, 이는 매우 작은 입자 크기와 양자 구속 효과에 기인할 수 있다.
권장 장치:
UP200S
참고 문헌/연구 논문:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): 초음파 조사를 이용한 수성 [EMIM][EtSO4] 이온성 액체 내 PbS 나노입자의 간편한 실온 제조 및 특성 분석. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

페놀 분해

초음파 응용:
Rokhina 등(2013)은 과아세트산(PAA)과 불균일 촉매(MnO₂)를 함께 사용하여 초음파 조사하에서 수용액 내 페놀을 분해하였다. 초음파 처리는 24 kHz의 고정 주파수에서 연속 모드 또는 펄스 모드(즉, 4 sec. 작동 후 2 sec. 정지)로 초음파를 가할 수 있는 400W 프로브형 초음파 처리기 UP400S를 사용하여 수행하였다. 계산된 시스템의 총 투입 전력과 시스템에 소산된 전력 밀도 및 전력 강도는 20 W, 9.5×10^-2 W/cm^-3, 14.3 W/cm^-2로 각각 계산되었다. 실험 전반에 걸쳐 일정한 출력을 사용하였다. 반응기 내부의 온도를 제어하기 위해 침지형 순환 장치를 사용하였다. 펄스 모드로 작동했기 때문에 실제 반응 시간은 6 h였지만, 실제 초음파 처리 시간은 4 h였다. 일반적인 실험에서는 유리 반응기에 페놀 용액(1.05 mM) 100mL와 적정량의 촉매 MnO2 및 PAA(2%)를 채웠으며, 이들의 투입 농도 범위는 각각 0–2 g L^-1 및 0–150 ppm이었다. 모든 반응은 중성 부근의 pH, 대기압 및 실온(22 ± 1 °C)에서 수행하였다.
초음파 처리로 촉매의 구조 변화 없이 표면적이 4배로 증가하였다. 촉매 회전 빈도(TOF)는 초음파를 사용하지 않은 공정과 비교하여 7 x 10^-3 에서 12.2 x 10^-3 min^-1로 증가하였다. 또한 촉매의 유의한 용출은 검출되지 않았다. 비교적 낮은 시약 농도에서 수행한 페놀의 등온 산화는 온화한 조건에서 높은 페놀 제거율(최대 89%)을 보였다. 전반적으로 초음파는 처음 60 min 동안 산화 공정을 가속하였다(페놀 제거율 70%, 초음파를 사용하지 않은 처리에서는 40%).
권장 장치:
UP400S
참고 문헌/연구 논문:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): 페놀 분해를 위한 초음파 보조 MnO₂ 촉매 기반 과아세트산의 균일 결합 분해: 공정 화학 및 반응 속도론 평가. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

페놀: RuI₃ 를 촉매로 사용한 페놀 산화

초음파 응용:
RuI₃ 상에서 과산화수소(H₂O₂)를 이용한 페놀의 불균일계 수상 산화: 페놀(100 ppm)의 촉매 산화는 RuI₃ 를 촉매로 사용하여 자석 교반기와 온도 제어기가 장착된 100 mL 유리 반응기에서 연구하였다. 촉매 입자를 균일하게 분포시키고 완전히 부유시키기 위한 충분한 혼합이 이루어지도록 반응 혼합물을 800 rpm의 속도로 1–6시간 동안 교반하였다. 초음파 처리 중에는 캐비테이션 기포의 진동과 붕괴에 따른 교란 자체가 매우 효율적인 혼합을 제공하므로 용액을 기계적으로 교반하지 않았다. 용액에 대한 초음파 조사는 고정 주파수 24 kHz 및 최대 출력 400W에서 연속 모드 또는 펄스 모드로 작동할 수 있는 초음파 장치(이른바 프로브형 초음파 처리기)가 장착된 초음파 변환기 UP400S로 수행하였다.
실험에서는 미처리 RuI₃ 촉매(0.5–2 gL^-1)를 현탁액 형태로 반응 매질에 도입한 다음 H2O2(30%, 농도 범위 200–1200 ppm)를 첨가하였다.
Rokhina 등의 연구에서는 초음파 조사가 촉매의 조직적 특성을 변화시키는 데 중요한 역할을 하며, 촉매 입자의 파쇄로 인해 표면적이 더 큰 미세기공 구조를 형성하는 것으로 나타났다. 또한 촉매 입자의 응집을 방지하고 페놀과 과산화수소가 촉매의 활성점에 더 쉽게 접근할 수 있도록 하여 촉진 효과를 나타냈다.
초음파를 사용하지 않은 산화 공정에 비해 초음파 보조 공정의 효율이 두 배로 증가한 것은 촉매의 촉매 작용이 개선되고, 수소 결합의 절단과 라디칼의 재결합을 통해 •OH, •HO2 및 •I₂ 와 같은 산화종이 생성되었기 때문이었다.
권장 장치:
UP400S
참고 문헌/연구 논문:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): 초음파 보조 불균일계 루테늄 촉매를 이용한 페놀의 습식 과산화물 산화. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

PLA로 코팅된 Ag/ZnO 입자

초음파 응용:
Ag/ZnO 입자의 PLA 코팅: PLA로 코팅된 Ag/ZnO 마이크로 입자 및 서브마이크로 입자를 수중유형 에멀젼 용매 증발법으로 제조하였다. 이 방법은 다음과 같이 수행하였다. 먼저, 고분자 400 mg을 클로로포름 4 ml에 용해하였다. 클로로포름 내 고분자의 최종 농도는 100 mg/ml였다. 다음으로, 균질기로 24,000 rpm의 교반 속도에서 연속 교반하면서 다양한 계면활성제 시스템(유화제, PVA 8-88)의 수용액에 고분자 용액을 유화하였다. 혼합물을 5 min 동안 교반하였으며, 이 시간 동안 형성되는 에멀젼을 얼음으로 냉각하였다. 계면활성제 수용액과 PLA 클로로포름 용액의 비율은 모든 실험에서 동일하였다(4:1). 이어서, 얻어진 에멀젼을 프로브형 초음파 장치 UP400S(400W, 24kHz)로 사이클 0.5, 진폭 35%에서 5 min 동안 초음파 처리하였다. 마지막으로, 제조된 에멀젼을 삼각 플라스크로 옮겨 교반하고, 감압하에서 에멀젼의 유기 용매를 증발시켜 최종적으로 입자 현탁액을 형성하였다. 용매를 제거한 후 현탁액을 세 번 원심분리하여 유화제를 제거하였다.
권장 장치:
UP400S
참고문헌/연구 논문:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): 폴리(L-락트산)로 코팅된 마이크로파 합성 하이브리드 항균 입자. Nanocon 2011.

폴리아닐린 복합체

초음파 응용:
수성 자기 도핑 나노 폴리아닐린(SPAni) 복합체(Sc-WB)의 제조
수성 SPAni 복합체를 제조하기 위해 ScCO2 매질에서 제자리 중합으로 합성한 SPAni 0.3 gr을 물로 희석하고 1000W 초음파 균질기 UIP1000hd로 2분 동안 초음파 처리하였다. 그런 다음, 생성된 현탁액에 수성 경화제 매트릭스 125 gr을 첨가하여 15 min 동안 균질화하였으며, 최종 초음파 처리는 주위 온도에서 5 min 동안 수행하였다.
권장 장치:
UIP1000hd
참고문헌/연구 논문:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): ScCO2에서 합성한 자기 도핑 나노폴리아닐린을 함유한 수성 에폭시 코팅의 보호 성능. 2013.

다환 방향족 탄화수소: 나프탈렌, 아세나프틸렌 및 페난트렌의 초음파화학적 분해

초음파 응용:
물속의 다환 방향족 탄화수소(PAH)인 나프탈렌, 아세나프틸렌 및 페난트렌을 초음파화학적으로 분해하기 위해 각 대상 PAH의 농도가 50 µg/l인 시료 혼합물(총 초기 농도 150 µg/l)을 20◦C에서 초음파 처리하였다. 연속 모드 또는 펄스 모드로 작동할 수 있는 UP400S 혼 타입 초음파 장치(400W, 24kHz)를 사용하여 초음파를 조사하였다. 초음파 장치 UP400S에는 팁 직경이 7 mm인 티타늄 프로브 H7을 장착하였다. 반응은 200 mL 원통형 유리 반응 용기에서 수행하였으며, 티타늄 혼을 반응 용기 상단에 장착하고 O링과 테플론 밸브로 밀봉하였다. 공정 온도를 제어하기 위해 반응 용기를 수조에 넣었다. 광화학 반응을 방지하기 위해 용기를 알루미늄박으로 덮었다.
분석 결과, 초음파 처리 시간이 길어질수록 PAH의 전환율이 증가하는 것으로 나타났다.
나프탈렌의 경우, 초음파 보조 전환율(초음파 출력을 150W로 설정)은 초음파 처리 30 min. 후 달성한 77.6%에서 초음파 처리 60 min. 후 84.4%로 증가하였다.
아세나프틸렌의 경우, 초음파 보조 전환율(초음파 출력을 150W로 설정)은 150W 초음파 출력으로 초음파 처리 30 min. 후 달성한 77.6%에서 150W 초음파로 초음파 처리 60 min. 후 84.4%로 증가하였으며, 150W 초음파 출력으로 초음파 처리 30 min. 후 달성한 80.7%에서 초음파 처리 60 min. 후 96.6%로 증가하였다.
페난트렌의 경우, 초음파 보조 전환율(초음파 출력을 150W로 설정)은 초음파 처리 30 min. 후 달성한 73.8%에서 초음파 처리 60 min. 후 83.0%로 증가하였다.
분해 효율을 높이기 위해 제일철 이온을 첨가하면 과산화수소를 더욱 효율적으로 활용할 수 있다. 제일철 이온의 첨가는 펜톤 유사 반응을 모사하는 상승 효과를 나타내는 것으로 확인되었다.
권장 장치:
UP400S H7 장착
참고 문헌/연구 논문:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): 초음파 조사에 의한 수용액 내 다환 방향족 탄화수소의 분해. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

기판의 산화물층 제거

초음파 응용:
Cu 기판에서 CuO 나노와이어를 성장시키기 전에 기판을 준비하기 위해, Hielscher UP200S를 사용하여 0.7 M 염산에서 시료를 2 min. 동안 초음파 처리함으로써 Cu 표면의 고유 산화물층을 제거하였다. 유기 오염물을 제거하기 위해 아세톤에서 시료를 5 min. 동안 초음파 세척한 후, 탈이온(DI)수로 충분히 헹구고 압축 공기로 건조하였다.
권장 장치:
UP200S 또는 UP200St
참고 문헌/연구 논문:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): CuO 나노와이어 표면에 개별 나노 크기 p−n 접합을 형성하여 가스 감지 특성 조절. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192−4199.

전압전류법 실험

초음파 응용:
초음파로 성능을 향상시킨 전압전류법 실험에는 유리 혼(팁 직경 13 mm)을 장착한 Hielscher의 200와트 초음파 장치 UP200S를 사용하였다. 초음파는 다음 강도로 조사하였다: 8 W/cm^–2.
수용액에서 나노입자의 확산 속도가 느리고 나노입자당 산화환원 중심의 수가 많기 때문에, 나노입자의 직접 용액상 전압전류법에서는 흡착 효과가 지배적입니다. 흡착에 의한 축적 없이 나노입자를 검출하려면 (i) 충분히 높은 나노입자 농도, (ii) 신호 대 배경 비율을 개선하기 위한 작은 전극 또는 (iii) 매우 빠른 물질 전달을 이용하는 실험적 접근법을 선택해야 합니다.
따라서 McKenzie 등(2012)은 전극 표면을 향한 나노입자의 물질 전달 속도를 획기적으로 높이기 위해 고출력 초음파를 사용했습니다. 이들의 실험 장치에서는 전극과 혼 사이의 거리가 5 mm이고 초음파 처리 강도가 8 W/cm^–2 인 고강도 초음파에 전극을 직접 노출하여 교반과 캐비테이션 세척이 일어나도록 했습니다. 시험용 산화환원계로 Ru(NH3)₆³⁺ 의 0.1 M KCl 수용액 내 일전자 환원 반응을 사용하여 이러한 조건에서 달성된 물질 전달 속도를 보정했습니다.
권장 장비:
UP200S 또는 UP200St
참고 문헌/연구 논문:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): 수용액 내 및 주석 도핑 산화인듐에 흡착된 나노입자형 Fe2O3의 직접 전기화학. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

실험실부터 산업 규모까지 초음파 화학 반응을 위한 초음파 처리기

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