Sonoķīmija: lietojuma piezīmes

Sonoķīmija ir ultraskaņas kavitācijas iedarbība uz ķīmiskām sistēmām. Ekstremālo apstākļu dēļ, kas rodas kavitācijas „karstajā punktā”, lieljaudas ultraskaņa ir ļoti efektīva metode ķīmiskās reakcijas rezultāta (lielāks iznākums, labāka kvalitāte), konversijas un ilguma uzlabošanai. Dažas ķīmiskās pārmaiņas var panākt tikai ar ultraskaņas apstrādi, piemēram, titāna vai alumīnija pārklāšanu ar nanomēroga alvas slāni.

Tālāk ir sniegta daļiņu un šķidrumu izlase ar attiecīgiem ieteikumiem materiāla apstrādei, lai, izmantojot ultraskaņas homogenizatoru, daļiņas sasmalcinātu, disperģētu, deaglomerētu vai modificētu.

Tālāk ir sniegti daži ultraskaņas apstrādes protokoli veiksmīgu sonoķīmisko reakciju veikšanai!

Alfabētiskā secībā:

α-epoksiketoni – gredzena atvēršanas reakcija

Ultraskaņas lietojums:
α-epoksiketonu katalītiskā gredzena atvēršana tika veikta, kombinējot ultraskaņu un fotoķīmiskās metodes. Kā fotokatalizators tika izmantots 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridīnija tetrafluorborāts (NBTPT). Kombinējot šo savienojumu apstrādi ar ultraskaņu (sonoķīmiju) un fotoķīmiju NBTPT klātbūtnē, tika panākta epoksīda gredzena atvēršana. Tika pierādīts, ka ultraskaņas izmantošana būtiski palielināja fotoinducētās reakcijas ātrumu. Ultraskaņa var ievērojami ietekmēt α-epoksiketonu fotokatalītisko gredzena atvēršanu, galvenokārt reaģentu efektīvās masas pārneses un NBTPT ierosinātā stāvokļa dēļ. Arī elektronu pārnese starp aktīvajām daļiņām šajā homogēnajā sistēmā, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu, notiek
ātrāk nekā sistēmā bez ultraskaņas apstrādes. Šīs metodes priekšrocības ir lielāks iznākums un īsāks reakcijas laiks.

Ultraskaņas veicināta α-epoksiketonu fotokatalītiskā gredzena atvēršana (pētījums un attēls: ©Memarian et al 2007)

Ultraskaņas apstrādes protokols:
α-epoksiketoni 1a-f un 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridīnija tetrafluorborāts 2 tika sagatavoti saskaņā ar aprakstītajām procedūrām. Metanols tika iegādāts no Merck un pirms lietošanas destilēts. Izmantotā ultraskaņas ierīce bija Hielscher Ultrasonics GmbH zondes tipa ultraskaņas ierīce UP400S. Ultraskaņas iegremdējamais viļņvads S3 (pazīstams arī kā zonde vai sonotrode), kas izstaro 24 kHz ultraskaņu ar regulējamu intensitāti līdz maksimālajam akustiskās jaudas blīvumam 460Wcm^-2 tika izmantots apstrādei. Apstrāde ar ultraskaņu tika veikta pie 100% iestatījuma (maksimālā amplitūda 210μm). Sonotrode S3 (maksimālais iegremdēšanas dziļums 90mm) tika iegremdēta tieši reakcijas maisījumā. UV apstarošana tika veikta ar Narva 400W augstspiediena dzīvsudraba lampu, dzesējot paraugus Duran stikla traukos. Fotoproduktu maisījuma ¹H KMR spektri tika mērīti CDCl₃ šķīdumos, kas satur tetrametilsilānu (TMS) kā iekšējo standartu, izmantojot Bruker drx-500 (500 MHz). Preparatīvā slāņa hromatogrāfija (PLC) tika veikta uz 20 × 20cm² plāksnēm, kas pārklātas ar 1mm biezu Merck silikagela PF₂₅₄ slāni, kuru sagatavoja, uzklājot silikagelu suspensijas veidā un žāvējot gaisā. Visi produkti ir zināmi, un to spektrālie dati ir publicēti iepriekš.
Ieteicamā ierīce:
UP400S ar ultraskaņas viļņvadu S3
Atsauce / zinātniskā publikācija:
Memarians, Hamids R.; Saffar-Teluri, A. (2007): α-epoksiketonu fotonoķīmiskā katalītiskā gredzena atvēršana. Beilšteina organiskās ķīmijas žurnāls 3/2, 2007.

Alumīnija/niķeļa katalizators: Al/Ni sakausējuma nanostrukturēšana

Ultraskaņas lietojums:
Al/Ni daļiņas var sonoķīmiski modificēt, nanostrukturējot sākotnējo Al/Ni sakausējumu. Tādējādi tiek iegūts efektīvs katalizators acetofenona hidrogenēšanai.
Al/Ni katalizatora sagatavošana ar ultraskaņu:
5g komerciālā Al/Ni sakausējuma tika disperģēti attīrītā ūdenī (50mL) un apstrādāti ar ultraskaņu līdz 50 min., izmantojot zondes tipa ultraskaņas ierīci UIP1000hd (1kW, 20kHz), kas aprīkota ar ultraskaņas viļņvadu BS2d22 (gala virsmas laukums 3,8 cm²) un amplitūdas pastiprinātāju B2-1.8. Aprēķinātā maksimālā intensitāte bija 140 Wcm⁻² pie mehānisko svārstību amplitūdas 106μm. Lai novērstu temperatūras paaugstināšanos apstrādes ar ultraskaņu laikā, eksperiments tika veikts termostatētā šūnā. Pēc apstrādes ar ultraskaņu paraugs tika žāvēts vakuumā, izmantojot karstā gaisa pistoli.
Ieteicamā ierīce:
UIP1000hd ar sonotrodi BS2d22 un amplitūdas pastiprinātāju B2–1,2
Atsauce/ pētnieciskais raksts:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Al/Ni hidrogenēšanas katalizatora sonoķīmiskā aktivēšana. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Biodīzeļdegvielas iegūšana ar pāresterificēšanu, izmantojot MgO katalizatoru

Ultraskaņas pielietojums:
Pāresterificēšanas reakcija tika pētīta, nepārtraukti maisot ar ultraskaņas ierīci UP200S un mainot tādus parametrus kā katalizatora daudzums, metanola un eļļas molārā attiecība, reakcijas temperatūra un reakcijas ilgums. Periodiskas darbības eksperimenti tika veikti cietā stikla reaktorā (300 ml, iekšējais diametrs 7 cm) ar pieslīpētu vāku ar diviem kakliem. Viens kakls tika savienots ar ultraskaņas procesora UP200S (200W, 24kHz) titāna sonotrodi S7 (uzgaļa diametrs 7 mm). Ultraskaņas amplitūda tika iestatīta uz 50% ar 1 ciklu sekundē. Reakcijas maisījums tika apstrādāts ar ultraskaņu visu reakcijas laiku. Otrs reaktora kameras kakls tika aprīkots ar īpaši pielāgotu, ar ūdeni dzesējamu nerūsējošā tērauda atteces dzesinātāju, lai kondensētu iztvaikojušo metanolu un atgrieztu to reakcijas maisījumā. Visa iekārta tika ievietota nemainīgas temperatūras eļļas vannā, kuras temperatūru regulēja proporcionāli integrāli diferenciāls temperatūras regulators. Temperatūru var paaugstināt līdz 65°C ar precizitāti ±1°C. Par izejvielām biodīzeļdegvielas iegūšanai ar pāresterificēšanu tika izmantota lietota eļļa un 99,9% tīrs metanols. Kā katalizators tika izmantots ar dūmu izgulsnēšanu iegūts nanoizmēra MgO (magnija lente).
Izcils konversijas rezultāts tika iegūts, izmantojot 1,5 masas % katalizatora un metanola un eļļas molāro attiecību 5:1 pie 55°C; pēc 45 min. tika sasniegta 98,7% konversija.
Ieteicamā ierīce:
UP200S ar ultraskaņas sonotrodi S7
Atsauce/ pētnieciskais raksts:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Pētījumi par biodīzeļdegvielas sonoķīmisko ražošanu, izmantojot ar dūmu izgulsnēšanu iegūtu nanoizmēra MgO katalizatoru. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Kadmija(II)–tioacetamīda nanokompozīta sintēze

Ultraskaņas pielietojums:
Kadmija(II)–tioacetamīda nanokompozīti tika sintezēti sonoķīmiskā ceļā polivinilspirta klātbūtnē un bez tā. Sonoķīmiskajai sintēzei (sonosintēzei) 0,532 g kadmija(II) acetāta dihidrāta (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioacetamīda (TAA, CH3CSNH2) un 0,664 g kālija jodīda (KI) izšķīdināja 20mL divreiz destilēta dejonizēta ūdens. Šo šķīdumu 1 h istabas temperatūrā apstrādāja ar lieljaudas zondes tipa ultraskaņas ierīci UP400S (24 kHz, 400W). Reakcijas maisījuma apstrādes laikā ar ultraskaņu temperatūra paaugstinājās līdz 70–80degC, kā tika noteikts ar dzelzs–konstantāna termopāri. Pēc vienas stundas izveidojās spilgti dzeltenas nogulsnes. Tās atdalīja centrifugējot (4 000 rpm, 15 min), mazgāja ar divreiz destilētu ūdeni un pēc tam ar absolūto etanolu, lai noņemtu atlikušos piemaisījumus, un visbeidzot žāvēja gaisā (iznākums: 0,915 g, 68%). Sadalīšanās temperatūra: 200°C. Polimēra nanokompozīta pagatavošanai 1,992 g polivinilspirta izšķīdināja 20 mL divreiz destilēta dejonizēta ūdens un pēc tam pievienoja iepriekš minētajam šķīdumam. Šo maisījumu 1 h apstrādāja ar ultraskaņas zondi UP400S, un izveidojās spilgti oranžs produkts.
SEM rezultāti parādīja, ka PVA klātbūtnē daļiņu izmērs samazinājās no aptuveni 38 nm līdz 25 nm. Pēc tam mēs sintezējām heksagonālas CdS nanodaļiņas ar sfērisku morfoloģiju, termiski sadalot polimēra nanokompozītu kadmija(II)–tioacetamīdu/PVA, ko izmantoja kā prekursoru. CdS nanodaļiņu izmēru noteica gan ar XRD, gan ar SEM, un rezultāti savstarpēji ļoti labi saskanēja.
Ranjbar et al. (2013) arī konstatēja, ka polimēra Cd(II) nanokompozīts ir piemērots prekursors kadmija sulfīda nanodaļiņu ar interesantu morfoloģiju iegūšanai. Visi rezultāti parādīja, ka ultraskaņas sintēzi var veiksmīgi izmantot kā vienkāršu, efektīvu, lētu, videi draudzīgu un ļoti perspektīvu metodi nanomēroga materiālu sintēzei bez nepieciešamības nodrošināt īpašus apstākļus, piemēram, augstu temperatūru, ilgu reakcijas laiku un augstu spiedienu.
Ieteicamā ierīce:
UP400S
Atsauce / zinātniskais raksts:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Kadmija–tioacetamīda nanokompozītu sintēze un raksturošana. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – pārklāšana ar stearīnskābi, izmantojot ultraskaņu

Ultraskaņas pielietojums:
Nanodaļiņu veidā izgulsnēta CaCO₃ (NPCC) pārklāšana ar stearīnskābi, izmantojot ultraskaņu, lai uzlabotu tā dispersiju polimērā un samazinātu aglomerāciju. 2g nepārklāta nanodaļiņu veidā izgulsnēta CaCO₃ (NPCC) apstrādāja ar ultraskaņas ierīci UP400S 30ml etanola. Etanolā izšķīdināja 9 masas % stearīnskābes. Pēc tam etanolu ar stearīnskābi sajauca ar ultraskaņu apstrādāto suspensiju.
Ieteicamā ierīce:
UP400S ar 22mm diametra sonotrodi (H22D) un plūsmas šūnu ar dzesēšanas apvalku
Atsauce / zinātniskais raksts:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Ultraskaņas ietekme uz nanodaļiņu veidā izgulsnēta CaCO3 pārklāšanu ar stearīnskābi. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Ar cērija nitrātu leģēts silāns

Ultraskaņas pielietojums:
Kā metāla pamatnes izmantoja auksti velmētas oglekļa tērauda plāksnes (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; ķīmiski attīrītas un mehāniski pulētas). Pirms pārklājuma uzklāšanas plāksnes tīrīja ar acetonu, izmantojot ultraskaņu, un pēc tam 10 min tīrīja ar sārmainu šķīdumu (0,3mol L1 NaOH šķīdumu) 60°C temperatūrā. Izmantošanai par grunti pirms pamatnes priekšapstrādes tipisku sastāvu, kas saturēja 50 daļas γ-glicidoksipropiltrimetoksisilāna (γ-GPS), atšķaidīja ar aptuveni 950 daļām metanola pie pH 4,5 (koriģēts ar etiķskābi) un ļāva notikt silāna hidrolīzei. Ar cērija nitrāta pigmentiem leģēta silāna sagatavošanas procedūra bija tāda pati, izņemot to, ka pirms (γ-GPS) pievienošanas metanola šķīdumam pievienoja 1, 2, 3 masas % cērija nitrāta, pēc tam šo šķīdumu 30 min maisīja ar propellera maisītāju pie 1600 apgr./min istabas temperatūrā. Pēc tam cērija nitrātu saturošās dispersijas 30 min apstrādāja ar ultraskaņu 40°C temperatūrā, izmantojot ārēju dzesēšanas vannu. Apstrādi ar ultraskaņu veica ar ultraskaņas aparātu UIP1000hd (1000W, 20 kHz), nodrošinot aptuveni 1 W/mL ievadīto ultraskaņas jaudu. Pamatnes priekšapstrādi veica, katru plāksni 100 sek. skalojot ar attiecīgo silāna šķīdumu. Pēc apstrādes plāksnes 24 h žāvēja istabas temperatūrā, pēc tam iepriekš apstrādātās plāksnes pārklāja ar divkomponentu epoksīda pārklājumu ar amīna cietinātāju (Epon 828, shell Co.), iegūstot 90μm biezu mitro slāni. Ar epoksīdu pārklātās plāksnes cietināja 1h 115°C temperatūrā; pēc epoksīda pārklājumu sacietēšanas sausā slāņa biezums bija aptuveni 60μm.
Ieteicamā ierīce:
UIP1000hd
Atsauce / pētnieciskais raksts:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Cērija nitrātu saturošu silāna pirmapstrādes elektroķīmiskā iedarbība uz epoksīda pārklājuma tērauda katoda atkaulošanas īpašībām. Adhēzijas zinātnes un tehnoloģijas žurnāls 27/22, 2013. 2411–2420.

Vara–alumīnija karkasi: porainu Cu-Al karkasu sintēze

Ultraskaņas pielietojums:
Ar metāla oksīdu stabilizēts porains varš–alumīnijs ir daudzsološs jauns alternatīvs katalizators propāna dehidrogenēšanai, kas nesatur cēlmetālus vai bīstamus metālus. Oksidētā porainā Cu–Al sakausējuma (metāla sūkļa) struktūra ir līdzīga Renē tipa metālu struktūrai. Lieljaudas ultraskaņa ir zaļās ķīmijas rīks ar metāla oksīdu stabilizētu porainu vara–alumīnija karkasu sintēzei. Tie ir lēti (ražošanas izmaksas ir aptuveni 3 EUR/litrā), un metodi var viegli mērogot. Šiem jaunajiem porainajiem materiāliem (jeb “metāla sūkļiem”) ir sakausējuma pamatmasa un oksidēta virsma, un tie var katalizēt propāna dehidrogenēšanu zemā temperatūrā.
Katalizatora sagatavošanas procedūra, izmantojot ultraskaņu:
Piecus gramus Al–Cu sakausējuma pulvera disperģēja ultra tīrā ūdenī (50mL) un 60 min apstrādāja ar ultraskaņu, izmantojot Hielscher zondes tipa ultraskaņas aparātu UIP1000hd (20kHz, maks. izejas jauda 1000W). Zondes tipa ultraskaņas ierīce bija aprīkota ar sonotrodi BS2d22 (uzgaļa laukums 3,8cm²) un amplitūdas pastiprinātāju B2–1,2. Aprēķinātā maksimālā intensitāte bija 57 W/cm² pie mehānisko svārstību amplitūdas 81μm. Apstrādes laikā paraugu dzesēja ledus vannā. Pēc apstrādes paraugu 24 h žāvēja 120°C temperatūrā.
Ieteicamā ierīce:
UIP1000hd ar sonotrodi BS2d22 un amplitūdas pastiprinātāju B2–1,2
Atsauce / pētnieciskais raksts:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Novel and Effective Copper–Aluminum Propane Dehydrogenation Catalysts. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Vara ftalocianīna noārdīšana

Ultraskaņas pielietojums:
Metālu ftalocianīnu atkrāsošana un noārdīšana
Vara ftalocianīnu ūdenī un organiskajos šķīdinātājos apstrādā ar ultraskaņu apkārtējās vides temperatūrā un atmosfēras spiedienā oksidētāja katalītiska daudzuma klātbūtnē, izmantojot 500W ultraskaņas aparātu UIP500hd ar “fold-trough” kameru pie jaudas līmeņa 37–59 W/cm²: 5 mL parauga (100 mg/L), 50 divkārt destilēta ūdens ar hloroformu un piridīnu pie 60% ultraskaņas amplitūdas. Reakcijas temperatūra: 20°C.
Ieteicamā ierīce:
UIP500hd

Zelts: zelta nanodaļiņu morfoloģiskā modificēšana

Ultraskaņas pielietojums:
Zelta nanodaļiņas tika morfoloģiski modificētas intensīvas ultraskaņas iedarbībā. Tika konstatēts, ka zelta nanodaļiņu sakausēšanai hanteles formas struktūrā pietiek ar 20 min. ilgu apstrādi ar ultraskaņu tīrā ūdenī un virsmaktīvo vielu klātbūtnē. Pēc 60 min. ilgas apstrādes ar ultraskaņu zelta nanodaļiņas ūdenī iegūst tārpveida vai gredzenveida struktūru. Nātrija dodecilsulfāta vai dodecilamīna šķīdumu klātbūtnē ar ultraskaņu tika izveidotas sakausētas nanodaļiņas ar sfērisku vai ovālu formu.
Apstrādes ar ultraskaņu protokols:
Modificēšanai ar ultraskaņu koloidālā zelta šķīdums, kas sastāvēja no iepriekš izveidotām, ar citrātu aizsargātām zelta nanodaļiņām ar vidējo diametru 25nm (± 7nm), tika apstrādāts ar ultraskaņu slēgtā reaktora kamerā (tilpums aptuveni 50mL). Koloidālā zelta šķīdums (0,97 mmol·L^-1) tika pakļauts augstas intensitātes ultraskaņas iedarbībai (40 W/cm^-2), izmantojot Hielscher UIP1000hdT ultraskaņas ierīci (20kHz, 1000W), kas aprīkota ar titāna sakausējuma sonotrodi BS2d18 (gala diametrs 0,7 collas), kura bija iegremdēta aptuveni 2 cm zem ar ultraskaņu apstrādājamā šķīduma virsmas. Caur koloidālo zeltu tika laists argons (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. pirms apstrādes ar ultraskaņu un tās laikā ar plūsmas ātrumu 200 mL·min^-1 , lai izvadītu no šķīduma skābekli. Katra virsmaktīvās vielas šķīduma 35-mL porcijai bez trinātrija citrāta dihidrāta piedevas tika pievienoti 15 mL iepriekš sagatavota koloidālā zelta, un 20 min. pirms apstrādes ar ultraskaņu un tās laikā caur maisījumu tika burbuļots argons.
Ieteicamā ierīce:
UIP1000hd ar sonotrodi BS2d18 un plūsmas šūnas reaktoru
Atsauce / zinātniskais raksts:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Iepriekš izveidotu zelta nanodaļiņu sakausēšana ar ultraskaņas palīdzību. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Neorganiskais mēslojums – Cu, Cd un Pb izskalošana analīzei

Ultraskaņas pielietojums:
Cu, Cd un Pb ekstrakcija no neorganiskā mēslojuma analītiskiem mērķiem:
Vara, svina un kadmija ekstrakcijai ar ultraskaņu paraugi, kas satur mēslojuma un šķīdinātāja maisījumu, tiek apstrādāti ar ultraskaņas ierīci, piemēram, VialTweeter ierīci netiešai apstrādei ar ultraskaņu. Mēslojuma paraugi tika apstrādāti ar ultraskaņu 2mL 50% (v/v) HNO₃ klātbūtnē stikla mēģenēs 3 minūtes. Cu, Cd un Pb ekstraktus var noteikt ar liesmas atomabsorbcijas spektrometriju (FAAS).
Ieteicamā ierīce:
VialTweeter
Atsauce / zinātniskais raksts:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternatīva analītiskā metode metālu noteikšanai neorganiskajā mēslojumā, kuras pamatā ir ekstrakcija ar ultraskaņas palīdzību. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Lateksa sintēze

Ultraskaņas pielietojums:
P(St-BA) lateksa iegūšana
Poli(stirola-r-butilakrilāta) P(St-BA) lateksa daļiņas tika sintezētas ar emulsijas polimerizāciju virsmaktīvās vielas DBSA klātbūtnē. Vispirms trīskaklu kolbā 100mL ūdens tika izšķīdināts 1 g DBSA, un šķīduma pH vērtība tika noregulēta līdz 2,0. DBSA šķīdumā tika ieliets monomēru maisījums, kas saturēja 2,80g St un 8,40g BA, kopā ar iniciatoru AIBN (0,168g). Eļļa ūdenī (O/W) emulsija tika sagatavota, 1 h maisot ar magnētisko maisītāju un pēc tam vēl 30 min. apstrādājot ledus vannā ar ultraskaņas ierīci UIP1000hd, kas aprīkota ar ultraskaņas ragu (zondi / sonotrodi). Visbeidzot polimerizācija tika veikta eļļas vannā 90degC temperatūrā 2h slāpekļa atmosfērā.
Ieteicamā ierīce:
UIP1000hd
Atsauce / zinātniskais raksts:
Elastīgu, elektrovadošu plēvju izgatavošana no poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) uz neausta auduma pamatnes. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par lateksa sintēzi ar ultraskaņu!

Svina atdalīšana (izskalošana ar ultraskaņu)

Ultraskaņas lietojums:
Svina izskalošana no piesārņotas augsnes ar ultraskaņu:
Izskalošanas ar ultraskaņu eksperimentus veica ar ultraskaņas homogenizatoru UP400S, kas aprīkots ar titāna ultraskaņas zondi (diametrs 14mm) un darbojas ar 20kHz frekvenci. Ultraskaņas zondi (sonotrodi) kalibrēja kalorimetriski, iestatot ultraskaņas intensitāti 51 ± 0,4 W cm^-2 visiem izskalošanas ar ultraskaņu eksperimentiem. Izskalošanas ar ultraskaņu eksperimentos uzturēja 25 ± 1°C temperatūru, izmantojot stikla šūnu ar plakanu dibenu un termostatēšanas apvalku. Augsnes izskalošanai ultraskaņas iedarbībā izmantoja trīs šķīdumu sistēmas (0,1L): 6 mL 0,3 mol L^-2 etiķskābes šķīduma (pH 3,24), 3% (v/v) slāpekļskābes šķīdumu (pH 0,17) un etiķskābes/acetāta buferšķīdumu (pH 4,79), ko pagatavoja, sajaucot 60mL 0,3 mol L^-1 etiķskābes ar 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH. Pēc izskalošanas ar ultraskaņu paraugus filtrēja caur filtrpapīru, lai atdalītu izskalojuma šķīdumu no augsnes, pēc tam veica svina elektrolītisku izgulsnēšanu no izskalojuma šķīduma un pēc ultraskaņas iedarbības iegūtās augsnes mineralizāciju.
Ir pierādīts, ka ultraskaņa ir vērtīgs līdzeklis svina izskalošanas uzlabošanai no piesārņotas augsnes. Ultraskaņa ir arī efektīva metode gandrīz pilnīgai izskalojamā svina atdalīšanai no augsnes, tādējādi iegūstot daudz mazāk bīstamu augsni.
Ieteicamā ierīce:
UP400S ar sonotrodi H14
Atsauce / zinātniskais raksts:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultraskaņas izskalošanas un elektroķīmiskās apstrādes apvienošana svina atdalīšanai no augsnes. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – svina sulfīda nanodaļiņu sintēze

Ultraskaņas lietojums:
Istabas temperatūrā 0,151 g svina acetāta (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) un 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) pievienoja 5mL jonu šķidruma, [EMIM] [EtSO₄], un 15mL divreiz destilēta ūdens 50mL vārglāzē un 7 min. apstrādāja ar ultraskaņu, izmantojot Hielscher ultraskaņas ierīci UP200S. Ultraskaņas zondes / sonotrodes S1 galu iegremdēja tieši reakcijas šķīdumā. Izveidojušos tumši brūno suspensiju centrifugēja, lai atdalītu nogulsnes, un divreiz mazgāja attiecīgi ar divreiz destilētu ūdeni un etanolu, lai atdalītu neizreaģējušos reaģentus. Lai izpētītu ultraskaņas ietekmi uz produktu īpašībām, pagatavoja vēl vienu salīdzinājuma paraugu, saglabājot nemainīgus reakcijas parametrus, izņemot to, ka produktu pagatavoja, nepārtraukti maisot 24 h bez ultraskaņas iedarbības.
PbS nanodaļiņu iegūšanai tika ierosināta ultraskaņas veicināta sintēze jonu šķidruma ūdens šķīdumā istabas temperatūrā. Šī videi nekaitīgā zaļās ķīmijas metode, ko veic istabas temperatūrā, ir ātra un neprasa šablonu izmantošanu, tādējādi ievērojami saīsinot sintēzes laiku un ļaujot izvairīties no sarežģītām sintēzes procedūrām. Šādi iegūtajām nanokopām novēro milzīgu zilo nobīdi 3,86 eV apmērā, ko var skaidrot ar ļoti mazo daļiņu izmēru un kvantu ierobežojuma efektu.
Ieteicamā ierīce:
UP200S
Atsauce / zinātniskais raksts:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Vienkārša PbS nanodaļiņu iegūšana istabas temperatūrā un to raksturošana, izmantojot ultraskaņas iedarbību [EMIM][EtSO4] jonu šķidruma ūdens šķīdumā. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Fenola noārdīšana

Ultraskaņas lietojums:
Rokhina et al. (2013) izmantoja peretiķskābes (PAA) un heterogēna katalizatora (MnO₂) kombināciju fenola noārdīšanai ūdens šķīdumā ultraskaņas iedarbībā. Apstrādi ar ultraskaņu veica, izmantojot 400W zondes tipa ultraskaņas ierīci UP400S, kas spēj veikt apstrādi gan nepārtraukti, gan impulsu režīmā (t. i., 4 sek. ieslēgta un 2 sek. izslēgta) ar fiksētu 24 kHz frekvenci. Aprēķinātā kopējā sistēmai pievadītā jauda, jaudas blīvums un jaudas intensitāte bija attiecīgi 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, un 14,3 W/cm^-2, attiecīgi. Visos eksperimentos tika izmantota nemainīga jauda. Temperatūras regulēšanai reaktorā tika izmantots iegremdējams cirkulācijas termostats. Faktiskais apstrādes ar ultraskaņu laiks bija 4 h, lai gan reālais reakcijas laiks bija 6 h, jo ierīce darbojās impulsu režīmā. Tipiskā eksperimentā stikla reaktorā iepildīja 100mL fenola šķīduma (1,05 mM) un atbilstošas katalizatora MnO2 un PAA (2%) devas attiecīgi diapazonā 0–2 g L^-1 un 0–150 ppm. Visas reakcijas tika veiktas pie gandrīz neitrāla pH, atmosfēras spiediena un istabas temperatūrā (22 ± 1 °C).
Apstrādājot ar ultraskaņu, katalizatora virsmas laukums palielinājās 4 reizes, nemainoties tā struktūrai. Katalītisko ciklu frekvences (TOF) palielinājās no 7 x 10^-3 līdz 12,2 x 10^-3 min^-1, salīdzinot ar procesu bez ultraskaņas. Turklāt netika konstatēta būtiska katalizatora izskalošanās. Fenola izotermiskā oksidēšana salīdzinoši zemās reaģentu koncentrācijās uzrādīja augstu fenola atdalīšanas pakāpi (līdz 89%) saudzīgos apstākļos. Kopumā ultraskaņa paātrināja oksidēšanas procesu pirmajās 60 min. (70% fenola atdalīšana salīdzinājumā ar 40% apstrādē bez ultraskaņas).
Ieteicamā ierīce:
UP400S
Atsauce / zinātniskā publikācija:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ar ultraskaņu veicināta, ar MnO₂ katalizēta peretiķskābes homolīze fenola noārdīšanai: procesa ķīmijas un kinētikas novērtējums. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenols: fenola oksidēšana, izmantojot RuI₃ kā katalizatoru

Ultraskaņas pielietojums:
Fenola heterogēna oksidēšana ūdens vidē RuI₃ klātbūtnē ar ūdeņraža peroksīdu (H₂O₂): fenola (100 ppm) katalītiskā oksidēšana ar RuI₃ kā katalizatoru tika pētīta 100 mL stikla reaktorā, kas aprīkots ar magnētisko maisītāju un temperatūras regulatoru. Reakcijas maisījumu maisīja ar ātrumu 800 rpm 1–6 stundas, lai nodrošinātu pilnīgu sajaukšanos, vienmērīgu sadalījumu un visu katalizatora daļiņu uzturēšanu suspensijā. Apstrādes ar ultraskaņu laikā šķīdums netika mehāniski maisīts, jo kavitācijas burbuļu svārstību un sabrukšanas izraisītās plūsmas pašas nodrošināja ārkārtīgi efektīvu sajaukšanos. Šķīdumu apstaroja ar ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas pārveidotāju UP400S ar ultraskaņas aprīkojumu (tā saukto zondes tipa ultraskaņas ierīci), kas spēj darboties gan nepārtrauktā, gan impulsu režīmā ar nemainīgu frekvenci 24 kHz un maksimālo izejas jaudu 400W.
Eksperimentā neapstrādātu RuI₃ kā katalizatoru (0,5–2 gL^-1) ievadīja reakcijas vidē suspensijas veidā, pēc tam pievienojot H2O2 (30%, koncentrācija diapazonā 200–1200 ppm).
Rokhina un līdzautori savā pētījumā konstatēja, ka apstarošanai ar ultraskaņu bija nozīmīga loma katalizatora teksturālo īpašību modificēšanā, katalizatora daļiņu fragmentācijas rezultātā veidojot mikroporainu struktūru ar lielāku virsmas laukumu. Turklāt tā veicināja procesu, novēršot katalizatora daļiņu aglomerāciju un uzlabojot fenola un ūdeņraža peroksīda piekļuvi katalizatora aktīvajiem centriem.
Ar ultraskaņu veicinātā procesa efektivitātes divkāršais pieaugums salīdzinājumā ar oksidēšanas procesu bez ultraskaņas tika skaidrots ar katalizatora uzlaboto katalītisko darbību un tādu oksidējošu daļiņu kā •OH, •HO2 un •I₂ veidošanos ūdeņraža saišu šķelšanas un radikāļu rekombinācijas rezultātā.
Ieteicamā ierīce:
UP400S
Atsauce / zinātniskā publikācija:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ar ultraskaņu veicināta heterogēna, ar rutēniju katalizēta fenola oksidēšana ar peroksīdu ūdens vidē. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Ar PLA pārklātas Ag/ZnO daļiņas

Ultraskaņas pielietojums:
Ag/ZnO daļiņu pārklāšana ar PLA: ar PLA pārklātas Ag/ZnO mikrodaļiņas un submikrodaļiņas tika iegūtas, izmantojot šķīdinātāja iztvaicēšanas metodi no emulsijas „eļļa ūdenī”. Šo metodi īstenoja šādi. Vispirms 400 mg polimēra izšķīdināja 4 ml hloroforma. Iegūtā polimēra koncentrācija hloroformā bija 100 mg/ml. Pēc tam polimēra šķīdumu emulģēja dažādu virsmaktīvo vielu sistēmu ūdens šķīdumā (emulgators PVA 8-88), nepārtraukti maisot ar homogenizatoru ar ātrumu 24 000 rpm. Maisījumu maisīja 5 min., un šajā laikā veidojošos emulsiju dzesēja ar ledu. Virsmaktīvās vielas ūdens šķīduma un PLA šķīduma hloroformā attiecība visos eksperimentos bija vienāda (4:1). Pēc tam iegūto emulsiju 5 min. apstrādāja ar zondes tipa ultraskaņas ierīci UP400S (400W, 24kHz), izmantojot cikla iestatījumu 0,5 un amplitūdu 35%. Visbeidzot sagatavoto emulsiju pārlēja Erlenmeijera kolbā, maisīja un pazeminātā spiedienā iztvaicēja organisko šķīdinātāju no emulsijas, tādējādi iegūstot daļiņu suspensiju. Pēc šķīdinātāja atdalīšanas suspensiju trīs reizes centrifugēja, lai atdalītu emulgatoru.
Ieteicamā ierīce:
UP400S
Atsauce / zinātniskā publikācija:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Ar poli(L-pienskābi) pārklātas, mikroviļņu iedarbībā sintezētas hibrīdas antibakteriālas daļiņas. Nanocon 2011.

Polianilīna kompozīts

Ultraskaņas pielietojums:
Ūdens bāzes pašleģēta nanopolianilīna (SPAni) kompozīta (Sc-WB) sagatavošana
Lai sagatavotu ūdens bāzes SPAni kompozītu, 0,3 gr SPAni, kas sintezēts, izmantojot in situ polimerizāciju ScCO2 vidē, atšķaidīja ar ūdeni un 2 minūtes apstrādāja ar 1000W ultraskaņas homogenizatoru UIP1000hd. Pēc tam iegūto suspensiju homogenizēja 15 min., pievienojot 125 gr ūdens bāzes cietinātāja matricas, un noslēdzošo apstrādi ar ultraskaņu veica apkārtējās vides temperatūrā 5 min.
Ieteicamā ierīce:
UIP1000hd
Atsauce / zinātniskā publikācija:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Ūdens bāzes epoksīda pārklājuma aizsargājošās īpašības, ja tas satur ScCO2 vidē sintezētu pašleģētu nanopolianilīnu. 2013.

Policikliskie aromātiskie ogļūdeņraži: naftalīna, acenaftilēna un fenantrēna sonoķīmiskā noārdīšana

Ultraskaņas pielietojums:
Policiklisko aromātisko ogļūdeņražu (PAO) – naftalīna, acenaftilēna un fenantrēna – sonoķīmiskai noārdīšanai ūdenī paraugu maisījumus apstrādāja ar ultraskaņu 20◦C temperatūrā, katra mērķa PAO koncentrācijai esot 50 µg/l (kopējā sākotnējā koncentrācija 150 µg/l). Apstrādei izmantoja ultraskaņas ierīci UP400S ar uzgali (400W, 24kHz), kas spēj darboties gan nepārtrauktā, gan impulsu režīmā. Ultraskaņas ierīce UP400S bija aprīkota ar titāna zondi H7, kuras gala diametrs bija 7 mm. Reakcijas veica 200 mL cilindriskā stikla reakcijas traukā ar titāna uzgali, kas bija uzstādīts reakcijas trauka augšpusē un noblīvēts, izmantojot O veida blīvgredzenus un teflona vārstu. Reakcijas trauku ievietoja ūdens vannā, lai kontrolētu procesa temperatūru. Lai novērstu jebkādas fotoķīmiskas reakcijas, trauku pārklāja ar alumīnija foliju.
Analīžu rezultāti parādīja, ka PAO konversija palielinās, pieaugot apstrādes ar ultraskaņu ilgumam.
Naftalīna konversija ar ultraskaņas palīdzību (ultraskaņas jauda iestatīta uz 150W) palielinājās no 77,6%, kas sasniegti pēc 30 min. ilgas apstrādes ar ultraskaņu, līdz 84,4% pēc 60 min. ilgas apstrādes ar ultraskaņu.
Acenaftilēna konversija ar ultraskaņas palīdzību (ultraskaņas jauda iestatīta uz 150W) palielinājās no 77,6%, kas sasniegti pēc 30 min. ilgas apstrādes ar 150W ultraskaņas jaudu, līdz 84,4% pēc 60 min. ilgas apstrādes ar 150W ultraskaņu, palielinājās no 80,7%, kas sasniegti pēc 30 min. ilgas apstrādes ar 150W ultraskaņas jaudu, līdz 96,6% pēc 60 min. ilgas apstrādes ar ultraskaņu.
Fenantrēna konversija ar ultraskaņas palīdzību (ultraskaņas jauda iestatīta uz 150W) palielinājās no 73,8%, kas sasniegti pēc 30 min. ilgas apstrādes ar ultraskaņu, līdz 83,0% pēc 60 min. ilgas apstrādes ar ultraskaņu.
Lai palielinātu noārdīšanas efektivitāti, ūdeņraža peroksīdu var izmantot efektīvāk, pievienojot dzelzs(II) jonus. Ir pierādīts, ka dzelzs(II) jonu pievienošana rada sinerģisku iedarbību, atdarinot Fentona reakcijai līdzīgu reakciju.
Ieteicamā ierīce:
UP400S ar H7
Atsauce / zinātniskais raksts:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Policiklisko aromātisko ogļūdeņražu noārdīšana ūdens šķīdumos, apstarojot ar ultraskaņu. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Oksīda slāņa noņemšana no pamatnēm

Ultraskaņas lietojums:
Lai sagatavotu pamatni pirms CuO nanovadu audzēšanas uz Cu pamatnēm, dabisko oksīda slāni uz Cu virsmas noņēma, paraugu 2 min. apstrādājot ar ultraskaņu 0,7 M sālsskābē, izmantojot Hielscher UP200S. Paraugu 5 min. tīrīja ar ultraskaņu acetonā, lai noņemtu organiskos piesārņotājus, rūpīgi noskaloja ar dejonizētu (DI) ūdeni un žāvēja ar saspiestu gaisu.
Ieteicamā ierīce:
UP200S vai UP200St
Atsauce / zinātniskais raksts:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): CuO nanovadu gāzu noteikšanas īpašību regulēšana, veidojot uz to virsmām diskrētas nanometru izmēra p−n pārejas. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192−4199.

Voltammetrijas eksperimenti

Ultraskaņas lietojums:
Ar ultraskaņu uzlabotiem voltammetrijas eksperimentiem izmantoja Hielscher 200 vatu ultraskaņas ierīci UP200S, kas bija aprīkota ar stikla uzgali (gala diametrs 13 mm). Ultraskaņu pielietoja ar intensitāti 8 W/cm^–2.
Nanodaļiņu lēnās difūzijas ūdens šķīdumos un lielā redokscentru skaita katrā nanodaļiņā dēļ nanodaļiņu tiešajā voltammetrijā šķīduma fāzē dominē adsorbcijas efekti. Lai noteiktu nanodaļiņas bez to uzkrāšanās adsorbcijas dēļ, jāizvēlas eksperimentāla pieeja ar (i) pietiekami augstu nanodaļiņu koncentrāciju, (ii) maziem elektrodiem, lai uzlabotu signāla un fona attiecību, vai (iii) ļoti ātru masas pārnesi.
Tādēļ McKenzie et al. (2012) izmantoja jaudas ultraskaņu, lai krasi palielinātu nanodaļiņu masas pārneses ātrumu uz elektroda virsmu. Viņu eksperimentālajā iekārtā elektrods ir tieši pakļauts augstas intensitātes ultraskaņai, attālumam starp elektrodu un sonotrodi esot 5 mm un apstrādes ar ultraskaņu intensitātei esot 8 W/cm^–2 , kas nodrošina maisīšanu un kavitācijas izraisītu tīrīšanu. Šajos apstākļos sasniegtā masas pārneses ātruma kalibrēšanai tika izmantota pārbaudes redokssistēma – Ru(NH3)₆³⁺ vienelektrona reducēšana 0,1 M KCl ūdens šķīdumā.
Ieteicamā ierīce:
UP200S vai UP200St
Atsauce / pētnieciskais raksts:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Fe2O3 nanodaļiņu tiešā elektroķīmija ūdens šķīdumā un adsorbētā stāvoklī uz ar alvu leģēta indija oksīda. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Ultraskaņas ierīces sonoķīmiskām reakcijām no laboratorijas līdz rūpnieciskam mērogam

Hielscher piedāvā pilnu ultraskaņas ierīču klāstu – no rokā turama laboratorijas homogenizatora līdz pilnībā rūpnieciskām ultraskaņas ierīcēm liela tilpuma plūsmām. Visus rezultātus, kas iegūti mazā mērogā ultraskaņas procesa testēšanas, pētniecības un izstrādes, kā arī optimizācijas laikā, var >lineāri mērogot līdz pilna apjoma komerciālai ražošanai. Hielscher ultraskaņas ierīces ir uzticamas, izturīgas un paredzētas darbībai 24/7.
Jautājiet mums, kā novērtēt, optimizēt un mērogot jūsu procesu! Mēs labprāt palīdzēsim jums visos posmos – no pirmajiem testiem un procesa optimizācijas līdz uzstādīšanai jūsu rūpnieciskajā ražošanas līnijā!