Sonochemie: Toepassingsadviezen

Sonochemie is het effect van ultrasone cavitatie op chemische systemen. Vanwege de extreme omstandigheden die optreden in de cavitatie “hotspot”Krachtig ultrageluid is een zeer effectieve methode om het reactieresultaat (hogere opbrengst, betere kwaliteit), de conversie en de duur van een chemische reactie te verbeteren. Sommige chemische veranderingen kunnen alleen door middel van sonicatie worden bereikt, zoals het aanbrengen van een nanogrootte tinlaag op titanium of aluminium.

Hieronder vindt u een selectie van deeltjes en vloeistoffen met bijbehorende aanbevelingen, hoe u het materiaal moet behandelen om de deeltjes te malen, dispergeren, deagglomereren of modificeren met behulp van een ultrasone homogenisator.

Hieronder vind je enkele sonicatieprotocollen voor succesvolle sonochemische reacties!

In alfabetische volgorde:

α-Epoxyketonen – Ring-opening reactie

Ultrasone toepassing:
De katalytische ringopening van α-epoxyketonen werd uitgevoerd met behulp van een combinatie van ultrasone en fotochemische methoden. 1-benzyl-2,4,6-trifenylpyridinium tetrafluoroborate (NBTPT) werd gebruikt als fotokatalysator. Door de combinatie van sonicatie (sonochemie) en fotochemie van deze verbindingen in de aanwezigheid van NBTPT werd de opening van de epoxidering bereikt. Aangetoond werd dat het gebruik van ultrageluid de snelheid van de fotogeïnduceerde reactie aanzienlijk verhoogde. Ultrasoon geluid kan de fotokatalytische ringopening van α-epoxyketonen ernstig beïnvloeden, voornamelijk vanwege de efficiënte massaoverdracht van de reactanten en de aangeslagen toestand van NBTPT. Ook de elektronenoverdracht tussen de actieve soorten in dit homogene systeem met behulp van sonicatie vindt plaats.
sneller dan het systeem zonder sonicatie. De hogere opbrengst en kortere reactietijden zijn voordelen van deze methode.

Fotokatalytische ringopening van α-epoxyketonen met behulp van ultrageluid (studie en grafiek: ©Memarian et al 2007)

Sonisch protocol:
α-Epoxyketonen 1a-f en 1-benzyl-2,4,6-trifenylpyridinium tetrafluoroboraat 2 werden bereid volgens de beschreven procedures. Methanol werd gekocht bij Merck en vóór gebruik gedestilleerd. Het gebruikte ultrasone apparaat was een UP400S ultrasone sonde-apparaat van Hielscher Ultrasonics GmbH. Een S3 ultrasone dompelhoorn (ook wel sonde of sonotrode genoemd) die 24 kHz ultrageluid uitzendt bij intensiteitsniveaus die afstembaar zijn tot een maximale sonische vermogensdichtheid van 460 Wcm.^-2 werd gebruikt. Sonificatie werd uitgevoerd op 100% (maximale amplitude 210 μm). De sonotrode S3 (maximale onderdompeldiepte van 90 mm) werd direct in het reactiemengsel ondergedompeld. UV-bestralingen werden uitgevoerd met een 400 W hogedrukkwiklamp van Narva met koeling van de monsters in Duran-glas. De ¹H NMR spectra van het mengsel van fotoproducten werden gemeten in CDCl₃ oplossingen met tetramethylsilaan (TMS) als interne standaard op een Bruker drx-500 (500 MHz). Voorbereidende laagchromatografie (PLC) werd uitgevoerd op 20 × 20cm² platen gecoat met 1 mm laag Merck silicagel PF₂₅₄ bereid door de silica als een slurry aan te brengen en aan de lucht te drogen. Alle producten zijn bekend en hun spectrale gegevens zijn eerder gerapporteerd.
Apparaataanbeveling:
UP400S met ultrasone hoorn S3
Referentie/Onderzoekspaper:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Fotosonochemische katalytische ringopening van α-epoxyketonen. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Aluminium/Nikkel katalysator: Nano-structurering van Al/Ni-legering

Ultrasone toepassing:
Al/Ni-deeltjes kunnen sonochemisch worden gemodificeerd door de nanostructurering van een initiële Al/Ni-legering. Hierdoor wordt een effectieve katalysator voor de hydrogenering van acetofenon geproduceerd.
Ultrasone bereiding van Al/Ni katalysator:
5 g van de commerciële Al/Ni-legering werden gedispergeerd in gezuiverd water (50 ml) en tot 50 min. gesoneerd met de ultrasone sonicator UIP1000hd (1kW, 20kHz) uitgerust met de ultrasone hoorn BS2d22 (kopoppervlak van 3,8 cm).²) en de booster B2-1.8. De maximale intensiteit werd berekend op 140 Wcm^-2 bij een mechanische amplitude van 106 µm. Om de temperatuurstijging tijdens sonicatie te vermijden werd het experiment uitgevoerd in een thermostatische cel. Na sonicatie werd het monster onder vacuüm gedroogd met een warmtepistool.
Apparaataanbeveling:
UIP1000hd met sonotrode BS2d22 en booster hoorn B2-1.2
Referentie/Onderzoekspaper:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonochemische activering van Al/Ni waterstof katalysator. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Biodiesel Transesterificatie met behulp van MgO katalysator

Ultrasone toepassing:
De omesteringsreactie werd bestudeerd onder constant ultrasoon mengen met de sonicator UP200S voor verschillende parameters zoals de hoeveelheid katalysator, de molaire verhouding van methanol en olie, de reactietemperatuur en de reactieduur. De batchtexperimenten werden uitgevoerd in een reactor van hard glas (300 ml, 7 cm inwendige diameter) met een deksel met twee halsopeningen. Eén hals was verbonden met de titanium sonotrode S7 (tipdiameter 7 mm) van de ultrasone processor UP200S (200 W, 24 kHz). De ultrasone amplitude werd ingesteld op 50% met 1 cyclus per seconde. Het reactiemengsel werd gedurende de hele reactietijd met ultrasone trillingen behandeld. De andere hals van de reactorkamer was voorzien van een op maat gemaakte, watergekoelde, roestvrijstalen condensor om de verdampte methanol terug te laten vloeien. Het hele apparaat werd in een oliebad met constante temperatuur geplaatst, geregeld door een proportionele integrale afgeleide temperatuurregelaar. De temperatuur kan worden verhoogd tot 65°C met een nauwkeurigheid van ±1°C. Afgewerkte olie en 99,9% pure methanol werden gebruikt als materiaal voor de omestering van biodiesel. Als katalysator werd MgO (magnesiumlint) van nanogrootte uit de rook gebruikt.
Een uitstekend conversieresultaat werd verkregen bij 1,5 wt% katalysator; 5:1 molaire verhouding methanol-olie bij 55°C, een conversie van 98,7% werd bereikt na 45 min.
Apparaataanbeveling:
UP200S met ultrasone sonotrode S7
Referentie/Onderzoekspaper:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Studies naar Sono-chemische biodieselproductie met behulp van rook gedeponeerde Nano MgO katalysator. Tijdschrift voor chemische reactietechniek & Katalyse 8/2, 2013. 89 – 96.

Synthese van cadmium(II)-thioacetamide nanocomposieten

Ultrasone toepassing:
Cadmium(II)-thioacetamide nanocomposieten werden gesynthetiseerd in aanwezigheid en afwezigheid van polyvinylalcohol via een sonochemische route. Voor de sonochemische synthese (sono-synthese) werden 0,532 g cadmium(II)acetaat dihydraat (Cd(CH3COO)2,2H2O), 0,148 g thioacetamide (TAA, CH3CSNH2) en 0,664 g kaliumjodide (KI) opgelost in 20 ml dubbel gedestilleerd gedeïoniseerd water. Deze oplossing werd gedurende 1 uur bij kamertemperatuur gesoneerd met een krachtige ultrasoon van het probe-type UP400S (24 kHz, 400 W). Tijdens het sonificeren van het reactiemengsel steeg de temperatuur tot 70-80 °C, zoals gemeten door een ijzerconstantinethermokoppel. Na een uur vormde zich een heldergeel neerslag. Het werd geïsoleerd door centrifugeren (4000 rpm, 15 min), gewassen met dubbel gedestilleerd water en vervolgens met absolute ethanol om resterende onzuiverheden te verwijderen en ten slotte gedroogd in lucht (opbrengst: 0,915 g, 68%). Dec. p.200°C. Voor de bereiding van polymeer nanocomposiet werd 1,992 g polyvinylalcohol opgelost in 20 mL dubbel gedestilleerd gedeïoniseerd water en vervolgens toegevoegd aan de bovenstaande oplossing. Dit mengsel werd 1 uur lang ultrasoon bestraald met de ultrasone sonde UP400S toen zich een helderoranje product vormde.
De SEM-resultaten toonden aan dat in aanwezigheid van PVA de grootte van de deeltjes afnam van ongeveer 38 nm tot 25 nm. Vervolgens synthetiseerden we hexagonale CdS-nanodeeltjes met sferische morfologie uit thermische ontbinding van het polymere nanocomposiet, cadmium(II)-thioacetamide/PVA als precursor. De grootte van de CdS-nanodeeltjes werd gemeten met zowel XRD als SEM en de resultaten kwamen zeer goed met elkaar overeen.
Ranjbar et al. (2013) ontdekten ook dat het polymere Cd(II) nanocomposiet een geschikte precursor is voor de bereiding van cadmiumsulfide nanodeeltjes met interessante morfologieën. Alle resultaten toonden aan dat ultrasone synthese met succes kan worden gebruikt als een eenvoudige, efficiënte, goedkope, milieuvriendelijke en veelbelovende methode voor de synthese van nanoschaalmaterialen zonder dat speciale omstandigheden nodig zijn, zoals hoge temperatuur, lange reactietijden en hoge druk.
Apparaataanbeveling:
UP400S
Referentie/Onderzoekspaper:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Synthese en karakterisering van cadmium-thioacetamide nanocomposieten. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203-212.

CaCO3 – Ultrasoon gecoat met stearinezuur

Ultrasone toepassing:
Ultrasone coating van nano-geprecipiteerd CaCO₃ (NPCC) met stearinezuur om de dispersie in polymeer te verbeteren en agglomeratie te verminderen. 2 g ongecoate nano-geprecipiteerde CaCO₃ (NPCC) is gesoneerd met de sonicator UP400S in 30 ml ethanol. 9 wt% stearinezuur is opgelost in ethanol. Ethanol met stearinezuur werd vervolgens gemengd met de gesoniseerde suspensie.
Apparaataanbeveling:
UP400S met sonotrode met een diameter van 22 mm (H22D) en flowcel met koelmantel
Referentie/Onderzoekspaper:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Effects of ultrasound in coating nano geprecipiteerd CaCO3 met stearinezuur. Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807-813.

Cerium nitraat gedoopt silaan

Ultrasone toepassing:
Koudgewalste koolstofstalen panelen (6,5 cm, 6,5 cm, 0,3 cm; chemisch gereinigd en mechanisch gepolijst) werden gebruikt als metalen substraten. Voorafgaand aan het aanbrengen van de coating werden de panelen ultrasoon gereinigd met aceton en vervolgens gereinigd met een alkalische oplossing (0,3mol L1 NaOH oplossing) bij 60°C gedurende 10 minuten. Voor gebruik als een primer, voorafgaand aan de voorbehandeling van het substraat, werd een typische formulering met 50 delen γ-glycidoxypropyltrimethoxysilaan (γ-GPS) verdund met ongeveer 950 delen methanol, in pH 4,5 (aangepast met azijnzuur) en toegelaten voor de hydrolyse van silaan. De bereidingsprocedure voor gedopeerd silaan met ceriumnitraatpigmenten was hetzelfde, behalve dat 1, 2, 3 wt% ceriumnitraat werd toegevoegd aan de methanoloplossing vóór de toevoeging van (γ-GPS), waarna deze oplossing werd gemengd met een propellerroerder bij 1600 rpm gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur. Daarna werden de ceriumnitraat bevattende dispersies gedurende 30 minuten bij 40 °C met een extern koelbad gesoneerd. Het ultrasoonproces werd uitgevoerd met de ultrasone UIP1000hd (1000 W, 20 kHz) met een inlaat ultrageluidvermogen van ongeveer 1 W/mL. De voorbehandeling van het substraat werd uitgevoerd door elk paneel gedurende 100 sec. af te spoelen met de geschikte silaanoplossing. Na de behandeling werden de panelen gedurende 24 uur bij kamertemperatuur gedroogd, waarna de voorbehandelde panelen werden gecoat met een tweecomponenten aminehardende epoxy. (Epon 828, shell Co.) om een natte laagdikte van 90 μm te verkrijgen. De met epoxy gecoate panelen mochten 1 uur uitharden bij 115°C, na uitharding van de epoxycoatings was de droge laagdikte ongeveer 60 μm.
Apparaataanbeveling:
UIP1000hd
Referentie/Onderzoekspaper:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Electrochemical effects of silane pretreatments containing cerium nitrate on cathodic disbonding properties of epoxy coated steel. Tijdschrift voor hechtingswetenschap en -technologie 27/22, 2013. 2411-2420.

Koper-Aluminium raamwerken: Synthese van poreuze Cu-Al raamwerken

Ultrasone toepassing:
Poreus koper-aluminium gestabiliseerd door metaaloxide is een veelbelovende nieuwe alternatieve katalysator voor propaandehydrogenering die geen edele of gevaarlijke metalen bevat. De structuur van de geoxideerde poreuze Cu-Al-legering (metaalspons) is vergelijkbaar met metalen van het Raney-type. Ultrasoon geluid met hoog vermogen is een groen chemisch hulpmiddel voor de synthese van poreuze koper-aluminiumframes gestabiliseerd door metaaloxide. Ze zijn goedkoop (productiekosten van ongeveer 3 EUR/liter) en de methode kan gemakkelijk worden opgeschaald. Deze nieuwe poreuze materialen (of "metaalsponzen") hebben een gelegeerde bulk en een geoxideerd oppervlak en kunnen propaandehydrogenering bij lage temperaturen katalyseren.
Procedure voor de ultrasone katalysatorbereiding:
Vijf gram van het Al-Cu legeringspoeder werd gedispergeerd in ultrapuur water (50 ml) en gedurende 60 minuten gesoneerd met de Hielscher sonde-type sonicator UIP1000hd (20 kHz, max. uitgangsvermogen 1000 W). Het ultrasone probe-type apparaat was uitgerust met een sonotrode BS2d22 (tipoppervlak 3,8cm²) en de boosterhoorn B2-1.2. De maximale intensiteit werd berekend op 57 W/cm² bij een mechanische amplitude van 81 μm. Tijdens de behandeling werd het monster gekoeld in een ijsbad. Na de behandeling werd het monster gedroogd bij 120°C gedurende 24 uur.
Apparaataanbeveling:
UIP1000hd met sonotrode BS2d22 en booster hoorn B2-1.2
Referentie/Onderzoekspaper:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Nieuwe en effectieve koper-aluminium propaan dehydrogenering katalysatoren. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254-12256.

Koper Phathlocyanine Afbraak

Ultrasone toepassing:
Ontkleuring en vernietiging van metallofthalocyanines
Koperfathlocyanine wordt gesoneerd met water en organische oplosmiddelen bij omgevingstemperatuur en atmosferische druk in aanwezigheid van een katalytisch oxidatiemiddel met behulp van de 500 W ultrasoon UIP500hd met trogkamer bij een vermogen van 37-59 W/cm.²: 5 mL monster (100 mg/L), 50 D/D water met choloform en pyridine bij 60% van de ultrasone amplitude. Reactietemperatuur: 20°C.
Apparaataanbeveling:
UIP500hd

Goud: Morfologische modificatie van gouden nanodeeltjes

Ultrasone toepassing:
Gouden nanodeeltjes werden morfologisch gemodificeerd onder intense ultrasone bestraling. Om gouden nanodeeltjes te versmelten tot een halterachtige structuur bleek een ultrasone behandeling van 20 min. in zuiver water en in aanwezigheid van oppervlakteactieve stoffen voldoende. Na 60 min. sonicatie krijgen de gouden nanodeeltjes een wormachtige of ringvormige structuur in water. Gesmolten nanodeeltjes met een bol- of ovale vorm werden ultrasoon gevormd in aanwezigheid van natriumdodecylsulfaat- of dodecylamineoplossingen.
Protocol van de ultrasone behandeling:
Voor de ultrasone modificatie werd de colloïdale goudoplossing, bestaande uit voorgevormde citraatbeschermde gouden nanodeeltjes met een gemiddelde diameter van 25 nm (± 7 nm), gesonitiseerd in een gesloten reactorkamer (ca. 50 ml volume). De colloïdale goudoplossing (0,97 mmol-L^-1) werd ultrasoon bestraald met een hoge intensiteit (40 W/cm^-2) met behulp van een Hielscher UIP1000hdT ultrasoonapparaat (20 kHz, 1000 W) uitgerust met een titaniumlegering sonotrode BS2d18 (0,7 inch tipdiameter), die ongeveer 2 cm onder het oppervlak van de gesoneerde oplossing werd gedompeld. Het colloïdale goud werd vergast met argon (O₂ < 2 ppmv, luchtvloeistof) 20 min. voor en tijdens sonicatie met een snelheid van 200 ml-min.^-1 om de zuurstof in de oplossing te elimineren. Een portie van 35 ml van elke oppervlakteactieve oplossing zonder toevoeging van trinatriumcitraat-dihydraat werd toegevoegd met 15 ml voorgevormd colloïdaal goud, dat 20 minuten voor en tijdens de ultrasone behandeling werd doorgeblazen met argongas.
Apparaataanbeveling:
UIP1000hd met sonotrode BS2d18 en doorstroomcelreactor
Referentie/Onderzoekspaper:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ultrasone fusie van voorgevormde gouden nanodeeltjes. Tijdschrift voor Fysische Chemie C 114, 2010. 1835-1843.

Anorganische meststof – Uitlogen van Cu, Cd en Pb voor analyse

Ultrasone toepassing:
Extractie van Cu, Cd en Pb uit anorganische meststoffen voor analytische doeleinden:
Voor de ultrasone extractie van koper, lood en cadmium worden monsters met een mengsel van meststof en oplosmiddel gesoneerd met een ultrasoon apparaat zoals de VialTweeter sonicator voor indirecte sonicatie. De meststofmonsters werden gesoneerd in aanwezigheid van 2 ml 50% (v/v) HNO₃ in glazen buisjes gedurende 3 minuten. De extracten van Cu, Cd en Pb kunnen worden bepaald met vlamatometrische atoomabsorptiespectrometrie (FAAS).
Apparaataanbeveling:
VialTweeter
Referentie/Onderzoekspaper:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternatieve analysemethode voor de bepaling van metalen in anorganische meststoffen op basis van ultrasone extractie. Tijdschrift van de Braziliaanse Chemische Vereniging 22/8. 2011. 1519-1524.

Latex Synthese

Ultrasone toepassing:
Bereiding van P(St-BA) latex
Poly(styreen-r-butylacrylaat) P(St-BA) latexdeeltjes werden gesynthetiseerd door emulsiepolymerisatie in aanwezigheid van oppervlakteactieve stof DBSA. 1 g DBSA werd eerst opgelost in 100 ml water in een driehalskolf en de pH-waarde van de oplossing werd ingesteld op 2,0. Gemengde monomeren van 2,80 g St en 8,40 g BA met de initiator AIBN (0,168 g) werden in de DBSA-oplossing gegoten. De O/W-emulsie werd bereid door magnetisch roeren gedurende 1 uur, gevolgd door sonicatie met de sonicator UIP1000hd uitgerust met ultrasone hoorn (sonde/sonotrode) gedurende nog eens 30 minuten in het ijsbad. Ten slotte werd de polymerisatie uitgevoerd bij 90°C in een oliebad gedurende 2 uur onder een stikstofatmosfeer.
Apparaataanbeveling:
UIP1000hd
Referentie/Onderzoekspaper:
Fabricage van flexibele geleidende films op basis van poly(3,4-ethyleendioxythiofeen)epoly(styreen-sulfonzuur) (PEDOT:PSS) op een substraat van niet-geweven stof. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143-148.
Klik hier om meer te lezen over de sono-synthese van latex!

Loodverwijdering (Sono-Leaching)

Ultrasone toepassing:
Ultrasone uitloging van lood uit verontreinigde grond:
De ultrasone uitlogingsexperimenten werden uitgevoerd met een ultrasone homogenisator UP400S met een titanium sonische sonde (diameter 14 mm), die werkt met een frequentie van 20 kHz. De ultrasone sonde (sonotrode) werd calorimetrisch gekalibreerd met de ultrasone intensiteit ingesteld op 51 ± 0,4 W cm^-2 voor alle sono-loogexperimenten. De sono-loogexperimenten werden gethermosteerd met behulp van een glazen cel met vlakke bodem bij 25 ± 1°C. Er werden drie systemen gebruikt als bodemuitloogoplossingen (0,1 l) onder sonicatie: 6 ml 0,3 mol L^-2 van azijnzuuroplossing (pH 3,24), 3% (v/v) salpeterzuuroplossing (pH 0,17) en een buffer van azijnzuur/acetaat (pH 4,79) bereid door het mengen van 60mL 0f 0,3 mol L^-1 azijnzuur met 19 ml 0,5 mol L^-1 NaOH. Na het sono-loogproces werden de monsters gefilterd met filtreerpapier om de percolaatoplossing te scheiden van de bodem, gevolgd door elektrodepositie van lood in de percolaatoplossing en ontsluiting van de bodem na toepassing van ultrageluid.
Ultrasoon geluid is een waardevol hulpmiddel gebleken bij het verbeteren van de uitloging van lood uit verontreinigde grond. Ultrasoon geluid is ook een effectieve methode voor de bijna volledige verwijdering van uitloogbaar lood uit de bodem, wat resulteert in een veel minder gevaarlijke bodem.
Apparaataanbeveling:
UP400S met sonotrode H14
Referentie/Onderzoekspaper:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultrasound Leaching and Electrochemical Treatment Combined for Lead Removal Soil. Tijdschrift voor Nieuwe Materialen voor Elektrochemische Systemen 10, 2007. 195-199.

PbS – Synthese van loodsulfide nanodeeltjes

Ultrasone toepassing:
Bij kamertemperatuur werd 0,151 g loodacetaat (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) en 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) werden toegevoegd aan 5mL van de ionische vloeistof, [EMIM] [EtSO₄] en 15 ml dubbel gedestilleerd water in een bekerglas van 50 ml gedurende 7 minuten blootgesteld aan ultrasone bestraling met de Hielscher UP200S sonicator. De punt van de ultrasone sonde/sonotrode S1 werd direct in de reactieoplossing gedompeld. De gevormde donkerbruine kleurensuspensie werd gecentrifugeerd om het neerslag eruit te krijgen en twee keer gewassen met respectievelijk dubbel gedestilleerd water en ethanol om de niet-gereageerde reagentia te verwijderen. Om het effect van ultrageluid op de eigenschappen van de producten te onderzoeken, werd nog een vergelijkend monster bereid, waarbij de reactieparameters constant werden gehouden, behalve dat het product werd bereid onder continu roeren gedurende 24 uur zonder de hulp van ultrasone bestraling.
Voor de bereiding van PbS-nanodeeltjes werd ultrasoon-ondersteunde synthese in waterige ionische vloeistof bij kamertemperatuur voorgesteld. Deze milieuvriendelijke groene methode bij kamertemperatuur is snel en sjabloonvrij, waardoor de synthesetijd opmerkelijk verkort wordt en ingewikkelde syntheseprocedures vermeden worden. De bereide nanoclusters vertonen een enorme blauwe verschuiving van 3,86 eV die kan worden toegeschreven aan de zeer kleine deeltjesgrootte en het kwantumopsluitingseffect.
Apparaataanbeveling:
UP200S
Referentie/Onderzoekspaper:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Facile and Room Temperature Preparation and Characterization of PbS Nanoparticles in Aqueous [EMIM] [EtSO4] Ionic Liquid Using Ultrasonic Irradiation. Bulletin van de Korean Chemical Society 29/1, 2008. 53-56.

fenolafbraak

Ultrasone toepassing:
Rokhina et al. (2013) gebruikten de combinatie van perazijnzuur (PAA) en heterogene katalysator (MnO₂) voor de afbraak van fenol in een waterige oplossing onder ultrasone bestraling. Ultrasoonstraling werd uitgevoerd met een 400 W ultrasoonapparaat van het probe-type UP400S, dat in staat is om continu of in pulsmodus (d.w.z. 4 sec. aan en 2 sec. uit) te ultrasoonstraling bij een vaste frequentie van 24 kHz. Het berekende totale opgenomen vermogen, de vermogensdichtheid en de vermogensintensiteit die naar het systeem werden afgevoerd, waren 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3en 14,3 W/cm^-2respectievelijk. Het vaste vermogen is tijdens alle experimenten gebruikt. Een dompelcirculatiepomp werd gebruikt om de temperatuur in de reactor te regelen. De werkelijke sonificatietijd was 4 uur, hoewel de werkelijke reactietijd 6 uur was vanwege de werking in de gepulseerde modus. In een typisch experiment werd de glazen reactor gevuld met 100 ml fenoloplossing (1,05 mM) en geschikte doses van de katalysator MnO2 en PAA (2%), variërend tussen 0-2 g L^-1 en 0-150 ppm, respectievelijk. Alle reacties werden uitgevoerd bij een neutrale pH-waarde, atmosferische druk en kamertemperatuur (22 ± 1 °C).
Door ultrasoonbehandeling werd het oppervlak van de katalysator vergroot, wat resulteerde in een 4-voudig groter oppervlak zonder verandering in de structuur. De omzetfrequenties (TOF) werden verhoogd van 7 x 10^-3 tot 12,2 x 10^-3 min^-1in vergelijking met het stille proces. Bovendien werd er geen significante uitloging van de katalysator gedetecteerd. De isotherme oxidatie van fenol bij relatief lage concentraties reagentia toonde hoge verwijderingspercentages van fenol (tot 89%) bij milde omstandigheden. Over het algemeen versnelde ultrageluid het oxidatieproces gedurende de eerste 60 minuten (70% fenolverwijdering vs. 40% tijdens de stille behandeling).
Apparaataanbeveling:
UP400S
Referentie/Onderzoekspaper:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultrasoon-ondersteunde MnO₂ gekatalyseerde homolyse van perazijnzuur voor fenolafbraak: De beoordeling van proceschemie en kinetiek. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476-486.

Fenol: Oxidatie van fenol met RuI₃ als katalysator

Ultrasone toepassing:
Heterogene waterige oxidatie van fenol over RuI₃ met waterstofperoxide (H₂O₂): De katalytische oxidatie van fenol (100 ppm) over RuI₃ als katalysator werd bestudeerd in een glazen reactor van 100 ml, uitgerust met een magneetroerder en een temperatuurregelaar. Het reactiemengsel werd geroerd met een snelheid van 800 rpm gedurende 1-6 uur om een volledige menging te verkrijgen voor een uniforme verdeling en volledige suspensie van katalysatordeeltjes. Tijdens de sonicatie werd de oplossing niet mechanisch geroerd vanwege de verstoring die veroorzaakt werd door de trilling en ineenstorting van cavitatiebellen, wat zelf een uiterst efficiënte menging oplevert. Ultrasone bestraling van de oplossing werd uitgevoerd met een ultrasone transducer UP400S uitgerust met ultrasone (zogenaamde sonde-type sonicator), die zowel continu als in een pulsmodus kan werken bij een vaste frequentie van 24 kHz en een maximaal uitgangsvermogen van 400 W.
Voor het experiment werd onbehandeld RuI₃ als katalysator (0,5-2 gL^-1) werd als suspensie aan het reactiemedium toegevoegd, gevolgd door H2O2 (30%, concentratie 200-1200 ppm).
Rokhina et al. ontdekten in hun onderzoek dat ultrasone bestraling een prominente rol speelde bij de wijziging van de textuureigenschappen van de katalysator, waardoor de microporeuze structuur met een hoger oppervlak ontstond als gevolg van fragmentatie van de katalysatordeeltjes. Bovendien had het een bevorderend effect door samenklontering van de katalysatordeeltjes te voorkomen en de toegankelijkheid van fenol en waterstofperoxide tot de actieve sites van de katalysator te verbeteren.
De tweevoudige toename van de ultrasone procesefficiëntie in vergelijking met het stille oxidatieproces werd toegeschreven aan het verbeterde katalytische gedrag van de katalysator en de generatie van oxiderende stoffen zoals -OH, -HO2 en -I₂ via splitsing van waterstofbruggen en recombinatie van radicalen.
Apparaataanbeveling:
UP400S
Referentie/Onderzoekspaper:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ultrasound-Assisted Heterogene Ruthenium Catalyzed Wet Peroxide Oxidation of Phenol. Toegepaste katalyse B: Environmental 87, 2009. 162- 170.

PLA-gecoate Ag/ZnO-deeltjes

Ultrasone toepassing:
PLA-coating van Ag/ZnO-deeltjes: Micro- en submicrodeeltjes van Ag/ZnO gecoat met PLA werden bereid met de olie-in-water emulsie oplosmiddelverdampingstechniek. Deze methode werd op de volgende manier uitgevoerd. Eerst werd 400 mg polymeer opgelost in 4 ml chloroform. De resulterende concentratie polymeer in chloroform was 100 mg/ml. Ten tweede werd de polymeeroplossing geëmulgeerd in een wateroplossing van verschillende oppervlakteactieve stoffen (emulgeermiddel, PVA 8-88) onder voortdurend roeren met een homogenisator bij een roersnelheid van 24.000 tpm. Het mengsel werd 5 minuten geroerd en gedurende deze periode werd de gevormde emulsie gekoeld met ijs. De verhouding tussen de wateroplossing van oppervlakteactieve stof en de chloroformoplossing van PLA was identiek in alle experimenten (4:1). Vervolgens werd de verkregen emulsie ultrasoon gemaakt met een ultrasoon probeapparaat UP400S (400 W, 24 kHz) gedurende 5 minuten bij cyclus 0,5 en amplitude 35%. Ten slotte werd de bereide emulsie overgebracht in de erlenmeyer, geroerd en het organische oplosmiddel werd onder verminderde druk uit de emulsie verdampt, wat uiteindelijk leidde tot de vorming van de deeltjes suspensie. Na verwijdering van het oplosmiddel werd de suspensie drie keer gecentrifugeerd om de emulgator te verwijderen.
Apparaataanbeveling:
UP400S
Referentie/Onderzoekspaper:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Poly (L-Lactic Acid) Coated Microwave Synthesized Hybrid Antibacterial Particles. Nanocon 2011.

Polyaniline composiet

Ultrasone toepassing:
Bereiding van op water gebaseerd zelf-gedoteerd nanopolyaniline (SPAni) composiet (Sc-WB)
Voor de bereiding van het SPAni composiet op waterbasis werd 0,3 g SPAni, gesynthetiseerd met in-situ polymerisatie in ScCO2-medium, verdund met water en gedurende 2 minuten gesoneerd met een 1000 W ultrasone homogenisator UIP1000hd. Vervolgens werd het suspensieproduct gehomogeniseerd door toevoeging van 125 g op water gebaseerde verhardingsmatrix gedurende 15 minuten en de laatste sonicatie werd uitgevoerd bij omgevingstemperatuur gedurende 5 minuten.
Apparaataanbeveling:
UIP1000hd
Referentie/Onderzoekspaper:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Protective Performance of Water-Based Epoxy Coating Containing ScCO2 Synthesized Self-Doped Nanopolyaniline. 2013.

Polycyclische aromatische koolwaterstoffen: Sonochemische afbraak van naftaleen, acenaftyleen en fenantreen

Ultrasone toepassing:
Voor de sonochemische afbraak van polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) naftaleen, acenaftyleen en fenantreen in water werden monstermengsels gesonchroniseerd bij 20◦C en 50 µg/l van elke doel-PAK (150 µg/l van de totale beginconcentratie). Ultrasoon werd toegepast door een UP400S hoornvormige ultrasoon (400 W, 24 kHz), die zowel in continue als in pulsmodus kan werken. De sonicator UP400S was uitgerust met een titanium sonde H7 met een punt met een diameter van 7 mm. De reacties werden uitgevoerd in een cilindrisch glazen reactievat van 200 ml met de titanium hoorn bovenop het reactievat gemonteerd en afgedicht met O-ringen en een Teflon klep. Het reactievat werd in een waterbad geplaatst om de procestemperatuur te regelen. Om fotochemische reacties te voorkomen werd het vat afgedekt met aluminiumfolie.
De analyseresultaten toonden aan dat de omzetting van PAK's toeneemt naarmate de sonicatieduur toeneemt.
Voor naftaleen nam de ultrasoon ondersteunde omzetting (ultrageluidvermogen ingesteld op 150 W) toe van 77,6% na 30 minuten sonicatie tot 84,4% na 60 minuten sonicatie.
Voor acenaftyleen steeg de ultrasoon ondersteunde conversie (ultrageluidvermogen ingesteld op 150 W) van 77,6% bereikt na 30 min. sonicatie met 150 W ultrageluidvermogen naar 84,4% na 60 min. sonicatie met 150 W ultrageluid van 80,7% bereikt na 30 min. sonicatie met 150 W ultrageluidvermogen naar 96,6% na 60 min. sonicatie.
Voor fenantreen nam de ultrasoon ondersteunde omzetting (ultrageluidvermogen ingesteld op 150 W) toe van 73,8% na 30 minuten sonicatie tot 83,0% na 60 minuten sonicatie.
Om de afbraak efficiënter te laten verlopen, kan waterstofperoxide efficiënter worden gebruikt wanneer ijzerionen worden toegevoegd. Er is aangetoond dat de toevoeging van ijzerion synergetische effecten heeft die een Fenton-achtige reactie simuleren.
Apparaataanbeveling:
UP400S met H7
Referentie/Onderzoekspaper:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Afbraak van polycyclische aromatische koolwaterstoffen in waterige oplossingen door ultrasone bestraling. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95-102.

Verwijdering van oxidelagen van substraten

Ultrasone toepassing:
Om het substraat voor te bereiden voor het kweken van CuO nanodraden op Cu substraten, werd de intrinsieke oxidelaag op het Cu-oppervlak verwijderd door ultrasoonbehandeling van het monster in 0,7 M zoutzuur gedurende 2 minuten met een Hielscher UP200S. Het monster werd 5 minuten ultrasoon gereinigd in aceton om organische verontreinigingen te verwijderen, grondig gespoeld met gedeïoniseerd (DI) water en gedroogd met perslucht.
Apparaataanbeveling:
UP200S of UP200St
Referentie/Onderzoekspaper:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modulating Gas Sensing Properties of CuO Nanowires through Creation of Discrete Nanosized p-n Junctions on their Surfaces. ACS Toegepaste materialen & Interfaces 4, 2012. 4192-4199.

voltammetrie-experimenten

Ultrasone toepassing:
Voor ultrasoon versterkte voltammetrie-experimenten werd een Hielscher 200 watt ultrasoon UP200S gebruikt, uitgerust met een glazen hoorn (punt met een diameter van 13 mm). Het ultrageluid werd toegepast met een intensiteit van 8 W/cm^-2.
Vanwege de trage diffusiesnelheid van nanodeeltjes in waterige oplossingen en het hoge aantal redoxcentra per nanodeeltje, wordt de directe voltammetrie van nanodeeltjes in de oplossingsfase gedomineerd door adsorptie-effecten. Om nanodeeltjes te detecteren zonder ophoping door adsorptie, moet een experimentele benadering worden gekozen met (i) een voldoende hoge concentratie nanodeeltjes, (ii) kleine elektroden om de signaal-achtergrondverhouding te verbeteren, of (iii) zeer snel massatransport.
Daarom gebruikten McKenzie et al. (2012) ultrageluid met hoge intensiteit om de snelheid van massatransport van nanodeeltjes naar het elektrodeoppervlak drastisch te verbeteren. In hun experimentele opstelling wordt de elektrode direct blootgesteld aan ultrageluid met hoge intensiteit met een afstand van 5 mm tussen elektrode en hoorn en 8 W/cm^-2 sonicatie-intensiteit resulterend in agitatie en cavitatiereiniging. Een test redoxsysteem, de één-elektron reductie van Ru(NH3)₆³⁺ in 0,1 M KCl in water werd gebruikt om de massatransportsnelheid onder deze omstandigheden te kalibreren.
Apparaataanbeveling:
UP200S of UP200St
Referentie/Onderzoekspaper:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Directe elektrochemie van nanodeeltjes Fe2O3 in waterige oplossing en geadsorbeerd aan tin-gedoteerd indiumoxide. Zuivere Toegepaste Chemie, 73/12, 2001. 1885-1894.

Sonificatoren voor sonochemische reacties van laboratorium tot industriële schaal

Hielscher biedt een volledig assortiment ultrasone apparaten, van handheld laboratoriumhomogenisatoren tot industriële sonicatoren voor grote volumestromen. Alle resultaten die op kleine schaal zijn behaald tijdens testen, R&D and optimization of an ultrasonic process, can be >linearly scaled up to full commercial production. Hielscher sonicators zijn betrouwbaar, robuust en gebouwd voor 24/7 gebruik.
Vraag ons hoe u uw proces kunt evalueren, optimaliseren en opschalen! We helpen je graag tijdens alle fasen – van de eerste tests en procesoptimalisatie tot de installatie in uw industriële productielijn!