Sonochemie: toepassingsnotities

Sonochemie is het effect van ultrasone cavitatie op chemische systemen. Door de extreme omstandigheden die optreden in de cavitatie-“hotspot” is ultrageluid met hoog vermogen een zeer effectieve methode om het reactieresultaat (hogere opbrengst, betere kwaliteit), de omzetting en de duur van een chemische reactie te verbeteren. Sommige chemische veranderingen kunnen uitsluitend door sonicatie worden bereikt, zoals het aanbrengen van een tincoating op nanoschaal op titanium of aluminium.

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

Hieronder vindt u enkele sonicatieprotocollen voor succesvolle sonochemische reacties!

In alfabetische volgorde:

α-Epoxyketonen – ringopeningsreactie

Ultrasone toepassing:
De katalytische ringopening van α-epoxyketonen werd uitgevoerd met een combinatie van ultrageluid en fotochemische methoden. Als fotokatalysator werd 1-benzyl-2,4,6-trifenylpyridiniumtetrafluorboraat (NBTPT) gebruikt. Door sonicatie (sonochemie) en fotochemie van deze verbindingen te combineren in aanwezigheid van NBTPT werd de epoxidering geopend. Er werd aangetoond dat het gebruik van ultrageluid de snelheid van de door licht geïnduceerde reactie aanzienlijk verhoogde. Ultrageluid kan de fotokatalytische ringopening van α-epoxyketonen sterk beïnvloeden, voornamelijk door de efficiënte massaoverdracht van de reactanten en de aangeslagen toestand van NBTPT. Ook de elektronenoverdracht tussen de actieve soorten in dit homogene systeem verloopt met sonicatie
sneller dan in het systeem zonder sonicatie. De hogere opbrengsten en kortere reactietijden zijn voordelen van deze methode.

Ultrasoon ondersteunde fotokatalytische ringopening van α-epoxyketonen (onderzoek en afbeelding: ©Memarian et al 2007)

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

Aluminium/nikkelkatalysator: nanostructurering van een Al/Ni-legering

Ultrasone toepassing:
Al/Ni-deeltjes kunnen sonochemisch worden gemodificeerd door nanostructurering van de oorspronkelijke Al/Ni-legering. Hierdoor wordt een effectieve katalysator voor de hydrogenering van acetofenon geproduceerd.
Ultrasone bereiding van een Al/Ni-katalysator:
5g van de commerciële Al/Ni-legering werd gedispergeerd in gezuiverd water (50mL) en gedurende maximaal 50 min. gesoniceerd met de sonicator UIP1000hd met ultrasone sonde (1kW, 20kHz), uitgerust met de ultrasone hoorn BS2d22 (kopoppervlak van 3,8 cm²) en de booster B2-1.8. De maximale intensiteit werd berekend op 140 Wcm⁻² bij een mechanische amplitude van 106μm. Om temperatuurstijging tijdens de sonicatie te voorkomen, werd het experiment uitgevoerd in een gethermostatiseerde cel. Na de sonicatie werd het monster onder vacuüm gedroogd met een heteluchtpistool.
Aanbevolen apparaat:
UIP1000hd met sonotrode BS2d22 en boosterhoorn B2–1,2
Referentie/onderzoeksartikel:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonochemische activering van een Al/Ni-hydrogeneringskatalysator. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Omestering voor biodiesel met een MgO-katalysator

Ultrasone toepassing:
De omesteringsreactie werd onderzocht bij voortdurend ultrasoon mengen met de sonicator UP200S voor verschillende parameters, zoals de hoeveelheid katalysator, de molaire verhouding tussen methanol en olie, de reactietemperatuur en de reactieduur. De batchexperimenten werden uitgevoerd in een hardglazen reactor (300 ml, binnendiameter 7 cm) met een deksel met twee halzen met slijpverbindingen. Eén hals was verbonden met de titanium sonotrode S7 (tipdiameter 7 mm) van de ultrasone processor UP200S (200W, 24kHz). De ultrasone amplitude werd ingesteld op 50% met 1 cyclus per seconde. Het reactiemengsel werd gedurende de volledige reactietijd gesoniceerd. De andere hals van de reactorkamer was voorzien van een op maat gemaakte, watergekoelde roestvaststalen condensor om de verdampte methanol onder reflux terug te voeren. De gehele opstelling werd geplaatst in een oliebad met constante temperatuur, geregeld door een proportioneel-integrerend-differentiërende temperatuurregelaar. De temperatuur kan worden verhoogd tot 65°C met een nauwkeurigheid van ±1°C. Afgewerkte olie en methanol met een zuiverheid van 99,9% werden gebruikt als grondstoffen voor de omestering voor biodiesel. Uit rook afgezet MgO op nanoschaal (magnesiumlint) werd gebruikt als katalysator.
Een uitstekend omzettingsresultaat werd verkregen bij 1,5 wt% katalysator; bij een molaire methanol/olieverhouding van 5:1 en 55°C werd na 45 min. een omzetting van 98,7% bereikt.
Aanbevolen apparaat:
UP200S met ultrasone sonotrode S7
Referentie/onderzoeksartikel:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Onderzoek naar sonochemische biodieselproductie met een uit rook afgezette nano-MgO-katalysator. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Synthese van cadmium(II)-thioacetamide-nanocomposieten

Ultrasone toepassing:
Cadmium(II)-thioacetamide-nanocomposieten werden via een sonochemische route gesynthetiseerd in aanwezigheid en afwezigheid van polyvinylalcohol. Voor de sonochemische synthese (sonosynthese) werden 0,532 g cadmium(II)acetaatdihydraat (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g thioacetamide (TAA, CH3CSNH2) en 0,664 g kaliumjodide (KI) opgelost in 20mL dubbel gedestilleerd gedeïoniseerd water. Deze oplossing werd bij kamertemperatuur gedurende 1 h gesoniceerd met de sonicator UP400S met een sonde en hoog vermogen (24 kHz, 400W). Tijdens de sonicatie van het reactiemengsel steeg de temperatuur tot 70–80degC, gemeten met een ijzer–constantin-thermokoppel. Na één uur ontstond een heldergeel neerslag. Dit werd geïsoleerd door centrifugatie (4.000 rpm, 15 min), gewassen met dubbel gedestilleerd water en vervolgens met absolute ethanol om resterende onzuiverheden te verwijderen, en ten slotte aan de lucht gedroogd (opbrengst: 0,915 g, 68%). Ontledingspunt 200°C. Voor de bereiding van het polymere nanocomposiet werd 1,992 g polyvinylalcohol opgelost in 20 mL dubbel gedestilleerd gedeïoniseerd water en vervolgens toegevoegd aan de bovenstaande oplossing. Dit mengsel werd gedurende 1 h ultrasoon bestraald met de ultrasone sonde UP400S, waarna een helderoranje product ontstond.
De SEM-resultaten toonden aan dat de deeltjesgrootte in aanwezigheid van PVA afnam van ongeveer 38 nm tot 25 nm. Vervolgens synthetiseerden we hexagonale CdS-nanodeeltjes met een sferische morfologie door thermische ontleding 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) vonden ook dat het polymere Cd(II)-nanocomposiet een geschikte precursor is voor de bereiding van cadmiumsulfidenanodeeltjes met interessante morfologieën. Alle resultaten toonden aan dat ultrasone synthese met succes kan worden toegepast als een eenvoudige, efficiënte, goedkope, milieuvriendelijke en zeer veelbelovende methode voor de synthese van materialen op nanoschaal, zonder dat speciale omstandigheden nodig zijn, zoals hoge temperaturen, lange reactietijden en hoge druk.
Aanbevolen apparaat:
UP400S
Referentie/onderzoeksartikel:
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:
Ultrasoon coaten van op nanoschaal geprecipiteerd CaCO₃ (NPCC) met stearinezuur om de dispersie ervan in polymeer te verbeteren en agglomeratie te verminderen. 2g ongecoat, op nanoschaal geprecipiteerd CaCO₃ (NPCC) is gesoniceerd met de sonicator UP400S in 30ml ethanol. 9 wt% stearinezuur is opgelost in ethanol. De ethanol met stearinezuur werd vervolgens gemengd met de gesoniceerde suspensie.
Aanbevolen apparaat:
UP400S met een sonotrode met een diameter van 22mm (H22D) en een doorstroomcel met koelmantel
Referentie/onderzoeksartikel:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Effecten van ultrageluid bij het coaten van op nanoschaal geprecipiteerd CaCO3 met stearinezuur. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Silaan gedoteerd met ceriumnitraat

Ultrasone toepassing:
Koudgewalste koolstofstalen panelen (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; chemisch gereinigd en mechanisch gepolijst) werden gebruikt als metalen substraten. Vóór het aanbrengen van de coating werden de panelen ultrasoon gereinigd met aceton en vervolgens gedurende 10 min. bij 60°C gereinigd met een alkalische oplossing (0,3mol L1 NaOH-oplossing). Voor gebruik als primer werd vóór de voorbehandeling van het substraat een gebruikelijke formulering met 50 delen γ-glycidoxypropyltrimethoxysilaan (γ-GPS) verdund met ongeveer 950 delen methanol, bij pH 4,5 (aangepast met azijnzuur), waarna het silaan kon hydrolyseren. De bereidingsprocedure voor silaan gedoteerd met ceriumnitraatpigmenten was dezelfde, behalve dat 1, 2, 3 wt% ceriumnitraat aan de methanoloplossing werd toegevoegd vóór de toevoeging van (γ-GPS). Vervolgens werd deze oplossing gedurende 30 min. bij kamertemperatuur gemengd met een propellerroerder op 1600 rpm. Daarna werden de dispersies met ceriumnitraat gedurende 30 min bij 40°C gesoniceerd met een extern koelbad. Het sonicatieproces werd uitgevoerd met de sonicator UIP1000hd (1000W, 20 kHz) met een toegevoerd ultrasoon vermogen van ongeveer 1 W/mL. De voorbehandeling van het substraat werd uitgevoerd door elk paneel gedurende 100 sec. te spoelen met de betreffende silaanoplossing. Na de behandeling liet men de panelen gedurende 24 h bij kamertemperatuur drogen. Vervolgens werden de voorbehandelde panelen gecoat met een tweecomponentenepoxy die met amine werd uitgehard (Epon 828, shell Co.), om een natte laagdikte van 90μm te verkrijgen. De met epoxy gecoate panelen liet men gedurende 1h bij 115°C uitharden; na het uitharden van de epoxycoatings bedroeg de droge laagdikte ongeveer 60μm.
Aanbevolen apparaat:
UIP1000hd
Referentie/onderzoeksartikel:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Elektrochemische effecten van silaanvoorbehandelingen met ceriumnitraat op de kathodische onthechtingseigenschappen van staal met een epoxycoating. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Koper-aluminiumstructuren: synthese van poreuze Cu-Al-structuren

Ultrasone toepassing:
Poreus koper–aluminium, gestabiliseerd door metaaloxide, is een veelbelovende nieuwe alternatieve katalysator voor de dehydrogenering van propaan, die vrij is van edele of gevaarlijke metalen. De structuur van de geoxideerde poreuze Cu–Al-legering (metaalspons) is vergelijkbaar met die van metalen van het Raney-type. Ultrageluid met hoog vermogen is een hulpmiddel uit de groene chemie voor de synthese van poreuze koper–aluminiumstructuren die door metaaloxide worden gestabiliseerd. Ze zijn goedkoop (productiekosten van ongeveer 3 EUR/liter) en de methode kan eenvoudig worden opgeschaald. Deze nieuwe poreuze materialen (of “metaalsponzen”) hebben een kern van legering en een geoxideerd oppervlak, en kunnen de dehydrogenering van propaan bij lage temperaturen katalyseren.
Procedure voor de ultrasone bereiding van de katalysator:
Vijf gram van het Al–Cu-legeringspoeder werd gedispergeerd in ultrazuiver water (50mL) en gedurende 60 min gesoniceerd met de Hielscher sonicator UIP1000hd met sonde (20kHz, max. uitgangsvermogen 1000W). Het ultrasone apparaat met sonde 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 81μm. Tijdens de behandeling werd het monster gekoeld in een ijsbad. Na de behandeling werd het monster gedurende 24 h gedroogd bij 120°C.
Aanbevolen apparaat:
UIP1000hd met sonotrode BS2d22 en boosterhoorn B2–1,2
Referentie/onderzoeksartikel:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Nieuwe en effectieve koper–aluminiumkatalysatoren voor de dehydrogenering van propaan. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Afbraak van koperftalocyanine

Ultrasone toepassing:
Ontkleuring en vernietiging van metalloftalocyaninen
Koperftalocyanine wordt bij omgevingstemperatuur en atmosferische druk gesoniceerd met water en organische oplosmiddelen in aanwezigheid van een katalytische hoeveelheid oxidatiemiddel, met de 500W sonicator UIP500hd met een kamer van het type fold-trough bij een vermogensniveau van 37–59 W/cm²: 5 mL monster (100 mg/L), 50 D/D water met chloroform en pyridine bij 60% van de ultrasone amplitude. Reactietemperatuur: 20°C.
Aanbevolen apparaat:
UIP500hd

Goud: morfologische modificatie van goudnanodeeltjes

Ultrasone toepassing:
Goudnanodeeltjes werden morfologisch gemodificeerd onder intense ultrasone bestraling. Om goudnanodeeltjes te laten samensmelten tot een haltervormige structuur bleek een ultrasone behandeling van 20 min. in zuiver water en in aanwezigheid van oppervlakteactieve stoffen voldoende. Na 60 min. sonicatie krijgen de goudnanodeeltjes in water een wormvormige of ringvormige structuur. Samengesmolten nanodeeltjes met sferische of ovale vormen werden ultrasoon gevormd in aanwezigheid van oplossingen van natriumdodecylsulfaat of dodecylamine.
Protocol voor de ultrasone behandeling:
Voor de ultrasone modificatie werd de colloïdale goudoplossing, bestaande uit vooraf gevormde, met citraat beschermde goudnanodeeltjes met een gemiddelde diameter van 25nm (± 7nm), gesoniceerd in een gesloten reactorkamer (volume ongeveer 50mL). De colloïdale goudoplossing (0,97 mmol·L^-1) werd met hoge intensiteit ultrasoon bestraald (40 W/cm^-2) met een Hielscher sonicator UIP1000hdT (20kHz, 1000W), uitgerust met een sonotrode BS2d18 van titaniumlegering (tipdiameter 0,7 inch), die ongeveer 2 cm onder het oppervlak van de gesoniceerde oplossing werd ondergedompeld. Het colloïdale goud werd met argon (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) vanaf 20 min. vóór en tijdens de sonicatie doorstroomd bij een debiet van 200 mL·min^-1 om de zuurstof uit de oplossing te verwijderen. Een portie van 35 mL van elke oplossing van oppervlakteactieve stoffen, zonder toevoeging van trinatriumcitraatdihydraat, werd samengevoegd met 15 mL vooraf gevormd colloïdaal goud, met doorborreling van argongas vanaf 20 min. vóór en tijdens de ultrasone behandeling.
Aanbevolen apparaat:
UIP1000hd met sonotrode BS2d18 en doorstroomcelreactor
Referentie/onderzoeksartikel:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ultrasoon ondersteunde samensmelting van vooraf gevormde goudnanodeeltjes. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Anorganische meststof – uitloging 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 gesoniceerd met een ultrasoon apparaat, zoals de VialTweeter sonicator voor indirecte sonicatie. De meststofmonsters werden gesoniceerd in aanwezigheid van 2mL 50% (v/v) HNO₃ in glazen buizen gedurende 3 minuten. De extracten van Cu, Cd en Pb kunnen worden bepaald met vlam-atomaire-absorptiespectrometrie (FAAS).
Aanbevolen apparaat:
VialTweeter
Referentie/onderzoeksartikel:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternatieve analytische methode voor metaalbepaling in anorganische meststoffen op basis van ultrasoon ondersteunde extractie. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Latexsynthese

Ultrasone toepassing:
Bereiding van P(St-BA)-latex
Latexdeeltjes van poly(styreen-r-butylacrylaat) P(St-BA) werden gesynthetiseerd door emulsiepolymerisatie in aanwezigheid van de oppervlakteactieve stof DBSA. Eerst werd 1 g DBSA opgelost in 100mL water in een driehalskolf en werd de pH van de oplossing aangepast naar 2,0. Gemengde monomeren van 2,80g St en 8,40g BA met de initiator AIBN (0,168g) werden in de DBSA-oplossing gegoten. De O/W-emulsie werd bereid door gedurende 1 h magnetisch te roeren, gevolgd door nog eens 30 min. sonicatie in het ijsbad met de sonicator UIP1000hd, uitgerust met een ultrasone hoorn (sonde/sonotrode). Ten slotte werd de polymerisatie gedurende 2h uitgevoerd bij 90degC in een oliebad onder een stikstofatmosfeer.
Aanbevolen apparaat:
UIP1000hd
Referentie/onderzoeksartikel:
Vervaardiging van flexibele geleidende films afgeleid van poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) op een substraat van niet-geweven textiel. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Klik hier om meer te lezen over de sonosynthese van latex!

Loodverwijdering (sono-uitloging)

Ultrasone toepassing:
Ultrasone uitloging van lood uit verontreinigde grond:
De ultrasone uitlogingsexperimenten werden uitgevoerd met een ultrasone homogenisator UP400S met een titanium ultrasone sonde (diameter 14mm), die werkt bij een frequentie van 20kHz. De ultrasone sonde (sonotrode) werd calorimetrisch gekalibreerd, waarbij de ultrasone intensiteit voor alle sono-uitlogingsexperimenten werd ingesteld op 51 ± 0,4 W cm^-2 . De sono-uitlogingsexperimenten werden op 25 ± 1°C gehouden met een glazen cel met vlakke bodem en mantel. Tijdens de sonicatie werden drie systemen gebruikt als uitloogoplossingen voor grond (0,1L): 6 mL azijnzuuroplossing van 0,3 mol L^-2 (pH 3,24), 3% (v/v) salpeterzuuroplossing (pH 0,17) en een buffer van azijnzuur/acetaat (pH 4,79), bereid door 60mL azijnzuur 0f 0,3 mol L^-1 te mengen met 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH. Na het sono-uitlogingsproces werden de monsters met filtreerpapier gefiltreerd om de uitloogoplossing van de grond te scheiden, gevolgd door elektrolytische afzetting van lood uit de uitloogoplossing en ontsluiting van de grond na de toepassing van ultrageluid.
Ultrageluid heeft bewezen een waardevol hulpmiddel te zijn voor het verbeteren van de uitloging van lood uit verontreinigde grond. Ultrageluid is ook een effectieve methode om uitloogbaar lood vrijwel volledig uit grond te verwijderen, waardoor de grond veel minder gevaarlijk wordt.
Aanbevolen apparaat:
UP400S met sonotrode H14
Referentie/onderzoeksartikel:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultrasone uitloging en elektrochemische behandeling gecombineerd voor loodverwijdering uit grond. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – synthese van loodsulfidenanodeeltjes

Ultrasone toepassing:
Bij kamertemperatuur werden 0,151 g loodacetaat (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) en 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) toegevoegd aan 5mL van de ionische vloeistof, [EMIM] [EtSO₄], en 15mL dubbel gedestilleerd water in een bekerglas van 50mL, waarna het mengsel gedurende 7 min. ultrasoon werd bestraald met de Hielscher sonicator UP200S. De tip van de ultrasone sonde/sonotrode S1 werd rechtstreeks in de reactieoplossing ondergedompeld. De gevormde donkerbruine suspensie werd gecentrifugeerd om de neerslag af te scheiden en respectievelijk tweemaal gewassen met 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 vergelijkingsmonster bereid, waarbij de reactieparameters constant werden gehouden, behalve dat het product gedurende 24 h onder voortdurend roeren werd bereid zonder ultrasone bestraling.
Ultrasoon ondersteunde synthese in een waterige ionische vloeistof bij kamertemperatuur werd voorgesteld voor de bereiding van PbS-nanodeeltjes. Deze milieuvriendelijke groene methode bij kamertemperatuur is snel en vereist geen sjabloon, waardoor de synthesetijd aanzienlijk wordt verkort en ingewikkelde syntheseprocedures worden vermeden. De aldus bereide nanoclusters vertonen een enorme blauwverschuiving van 3,86 eV, die kan worden toegeschreven aan de zeer kleine deeltjesgrootte en het effect van kwantumopsluiting.
Aanbevolen apparaat:
UP200S
Referentie/onderzoeksartikel:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Eenvoudige bereiding en karakterisering van PbS-nanodeeltjes bij kamertemperatuur in een waterige oplossing van [EMIM][EtSO4] als ionische vloeistof met behulp van ultrasone bestraling. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Afbraak van fenol

Ultrasone toepassing:
Rokhina et al. (2013) gebruikten de combinatie van perazijnzuur (PAA) en een heterogene katalysator (MnO₂) voor de afbraak van fenol in een waterige oplossing onder ultrasone bestraling. De sonicatie werd uitgevoerd met een 400W sonicator UP400S met sonde, die zowel continu als in pulsmodus (d.w.z. 4 sec. aan en 2 sec. uit) kan soniceren bij een vaste frequentie van 24 kHz. Het berekende totale toegevoerde vermogen, de vermogensdichtheid en de vermogensintensiteit die aan het systeem werden afgegeven, bedroegen respectievelijk 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, en 14,3 W/cm^-2. Gedurende alle experimenten werd hetzelfde vaste vermogen gebruikt. Een dompelcirculator werd gebruikt om de temperatuur in de reactor te regelen. De daadwerkelijke sonicatietijd bedroeg 4 h, hoewel de werkelijke reactietijd 6 h bedroeg door het gebruik van de pulsmodus. In een gebruikelijk experiment werd de glazen reactor gevuld met 100mL fenoloplossing (1,05 mM) en passende doseringen van de katalysator MnO2 en PAA (2%), variërend tussen respectievelijk 0–2 g L^-1 en 0–150 ppm. Alle reacties werden uitgevoerd bij een ongeveer neutrale pH, atmosferische druk en kamertemperatuur (22 ± 1 °C).
Door sonicatie werd het oppervlak van de katalysator vergroot, wat resulteerde in een 4 maal groter oppervlak zonder verandering in de structuur. De omzettingsfrequenties (TOF) namen toe van 7 x 10^-3 tot 12,2 x 10^-3 min^-1, ten opzichte van het proces zonder ultrageluid. Bovendien werd geen significante uitloging van de katalysator waargenomen. De isotherme oxidatie van fenol bij relatief lage concentraties reagentia liet onder milde omstandigheden hoge verwijderingspercentages van fenol zien (tot 89%). In het algemeen versnelde ultrageluid het oxidatieproces gedurende de eerste 60 min. (70% fenolverwijdering tegenover 40% bij de behandeling zonder ultrageluid).
Aanbevolen apparaat:
UP400S
Referentie/onderzoeksartikel:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultrasoon ondersteunde homolyse van perazijnzuur, gekatalyseerd door MnO₂ , voor fenolafbraak: beoordeling van de proceschemie en kinetiek. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenol: oxidatie van fenol met RuI₃ als katalysator

Ultrasone toepassing:
Heterogene oxidatie van fenol in water met RuI₃ en waterstofperoxide (H₂O₂): De katalytische oxidatie van fenol (100 ppm) met RuI₃ als katalysator werd onderzocht in een glazen reactor van 100 mL, uitgerust met een magnetische roerder en een temperatuurregelaar. Het reactiemengsel werd gedurende 1–6 uur geroerd op 800 rpm om volledige menging te verkrijgen voor een gelijkmatige verdeling en volledige suspensie van de katalysatordeeltjes. Tijdens de sonicatie werd de oplossing niet mechanisch geroerd, omdat de verstoring door het oscilleren en imploderen van cavitatiebellen op zichzelf al een uiterst efficiënte menging opleverde. De ultrasone bestraling van de oplossing werd uitgevoerd met een ultrasone transducer UP400S met ultrasone uitrusting (een zogeheten sonicator met sonde), die zowel continu als in pulsmodus kan werken bij een vaste frequentie van 24 kHz en een maximaal uitgangsvermogen van 400W.
Voor het experiment werd onbehandeld RuI₃ als katalysator (0,5–2 gL^-1) als suspensie aan het reactiemedium toegevoegd, gevolgd door toevoeging van H2O2 (30%, concentratie in het bereik van 200–1200 ppm).
Rokhina et al. vonden in hun onderzoek dat ultrasone bestraling een belangrijke rol speelde bij de modificatie van de textuureigenschappen van de katalysator, waarbij door fragmentatie van de katalysatordeeltjes een microporeuze structuur met een groter oppervlak ontstond. Bovendien had dit een bevorderend effect doordat agglomeratie van de katalysatordeeltjes werd voorkomen en de toegankelijkheid van de actieve plaatsen van de katalysator voor fenol en waterstofperoxide werd verbeterd.
De verdubbeling van de efficiëntie van het ultrasoon ondersteunde proces ten opzichte van het oxidatieproces zonder ultrageluid werd toegeschreven aan het verbeterde katalytische gedrag van de katalysator en de vorming van oxiderende soorten zoals •OH, •HO2 en •I₂ door splitsing van waterstofbruggen en recombinatie van radicalen.
Aanbevolen apparaat:
UP400S
Referentie/onderzoeksartikel:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ultrasoon ondersteunde heterogene, door ruthenium gekatalyseerde natte peroxideoxidatie van fenol. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Ag/ZnO-deeltjes gecoat met PLA

Ultrasone toepassing:
PLA-coating van Ag/ZnO-deeltjes: micro- en submicrodeeltjes van Ag/ZnO, gecoat met PLA, werden bereid met de techniek van oplosmiddelverdamping uit een olie-in-wateremulsie. Deze methode werd als volgt uitgevoerd. Eerst werd 400 mg polymeer opgelost in 4 ml chloroform. De resulterende polymeerconcentratie in chloroform was 100 mg/ml. Vervolgens werd de polymeeroplossing geëmulgeerd in een waterige oplossing van verschillende systemen van oppervlakteactieve stoffen (emulgator, PVA 8-88), onder voortdurend roeren met een homogenisator op een roersnelheid van 24.000 rpm. Het mengsel werd gedurende 5 min. geroerd en tijdens deze periode werd de zich vormende emulsie met ijs gekoeld. De verhouding tussen de waterige oplossing van oppervlakteactieve stoffen en de oplossing van PLA in chloroform was in alle experimenten gelijk (4:1). Daarna werd de verkregen emulsie gedurende 5 min. gesoniceerd met een ultrasoon apparaat met sonde, de UP400S (400W, 24kHz), bij cyclus 0,5 en amplitude 35%. Ten slotte werd de bereide emulsie overgebracht naar een erlenmeyer en geroerd, waarna het organische oplosmiddel onder verlaagde druk uit de emulsie werd verdampt, wat uiteindelijk leidde tot de vorming van een deeltjessuspensie. Na verwijdering van het oplosmiddel werd de suspensie driemaal gecentrifugeerd om de emulgator te verwijderen.
Aanbevolen apparaat:
UP400S
Referentie/onderzoeksartikel:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Met poly(L-melkzuur) gecoate, met microgolven gesynthetiseerde hybride antibacteriële deeltjes. Nanocon 2011.

Polyanilinecomposiet

Ultrasone toepassing:
Bereiding van een watergedragen composiet van zelfgedoteerde nanopolyaniline (SPAni) (Sc-WB)
Voor de bereiding van het watergedragen SPAni-composiet werd 0,3 gr SPAni, gesynthetiseerd via in-situpolymerisatie in een ScCO2-medium, verdund met water en gedurende 2 minuten gesoniceerd met een 1000W ultrasone homogenisator UIP1000hd. Vervolgens werd het suspensieproduct gedurende 15 min. gehomogeniseerd door toevoeging van 125 gr watergedragen verhardermatrix, en werd de laatste sonicatie gedurende 5 min. uitgevoerd bij omgevingstemperatuur.
Aanbevolen apparaat:
UIP1000hd
Referentie/onderzoeksartikel:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Beschermende werking van een watergedragen epoxycoating met in ScCO2 gesynthetiseerde zelfgedoteerde nanopolyaniline. 2013.

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

Ultrasone toepassing:
Voor de sonochemische afbraak van de polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK’s) naftaleen, acenaftyleen en fenantreen in water werden monstermengsels gesoniceerd bij 20◦C en 50 µg/l van elke doel-PAK (150 µg/l totale beginconcentratie). De sonicatie werd uitgevoerd met een sonicator UP400S met hoorn (400W, 24kHz), die zowel continu als in pulsmodus kan werken. De sonicator UP400S was uitgerust met een titanium sonde H7 met een tipdiameter van 7 mm. De reacties werden uitgevoerd in een cilindervormig glazen reactievat van 200 mL, met de titanium hoorn boven op 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 met een langere sonicatieduur.
Voor naftaleen nam de ultrasoon ondersteunde omzetting (ultrasoon vermogen ingesteld op 150W) toe van 77,6%, bereikt na 30 min. sonicatie, tot 84,4% na 60 min. sonicatie.
Voor acenaftyleen nam de ultrasoon ondersteunde omzetting (ultrasoon vermogen ingesteld op 150W) toe van 77,6%, bereikt na 30 min. sonicatie met 150W ultrasoon vermogen, tot 84,4% na 60 min. sonicatie met 150W ultrageluid; de omzetting nam toe van 80,7%, bereikt na 30 min. sonicatie met 150W ultrasoon vermogen, tot 96,6% na 60 min. sonicatie.
Voor fenantreen nam de ultrasoon ondersteunde omzetting (ultrasoon vermogen ingesteld op 150W) toe van 73,8%, bereikt na 30 min. sonicatie, tot 83,0% na 60 min. sonicatie.
Om de afbraakefficiëntie te verhogen, kan waterstofperoxide efficiënter worden benut wanneer ijzer(II)-ionen worden toegevoegd. Het is aangetoond dat de toevoeging van ijzer(II)-ionen synergetische effecten heeft die een Fenton-achtige reactie nabootsen.
Aanbevolen apparaat:
UP400S met H7
Referentie/onderzoeksartikel:
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 vóór de groei van CuO-nanodraden op Cu-substraten, werd de intrinsieke oxidelaag op het Cu-oppervlak verwijderd door het monster gedurende 2 min. te soniceren in 0,7 M zoutzuur met een Hielscher UP200S. Het monster werd gedurende 5 min. ultrasoon gereinigd in aceton om organische verontreinigingen te verwijderen, grondig gespoeld met gedeïoniseerd (DI) water en gedroogd met perslucht.
Aanbevolen apparaat:
UP200S of UP200St
Referentie/onderzoeksartikel:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Aanpassing van de gasdetectie-eigenschappen van CuO-nanodraden door discrete p−n-overgangen op nanoschaal op hun oppervlakken te creëren. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Voltammetrie-experimenten

Ultrasone toepassing:
Voor voltammetrie-experimenten die door ultrageluid werden versterkt, werd een Hielscher sonicator UP200S van 200 watt gebruikt, uitgerust met een glazen hoorn (tipdiameter 13 mm). Het ultrageluid werd toegepast met een intensiteit van 8 W/cm^–2.
Door de lage diffusiesnelheid van nanodeeltjes in waterige oplossingen en het grote 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 aanpak worden gekozen met (i) een voldoende hoge concentratie nanodeeltjes, (ii) kleine elektroden om de verhouding tussen signaal en achtergrond te verbeteren, of (iii) zeer snel massatransport.
Daarom gebruikten McKenzie et al. (2012) ultrageluid met hoog vermogen om de snelheid van het massatransport van nanodeeltjes naar het elektrodeoppervlak drastisch te verhogen. In hun experimentele opstelling wordt de elektrode rechtstreeks blootgesteld aan ultrageluid met hoge intensiteit, met een afstand van 5 mm tussen elektrode en hoorn en een sonicatie-intensiteit van 8 W/cm^–2 , wat leidt tot beweging en reiniging door cavitatie. Een redoxsysteem voor testdoeleinden, de één-elektronreductie van Ru(NH3)₆³⁺ in waterig 0,1 M KCl, werd gebruikt om de onder deze omstandigheden bereikte snelheid van het massatransport te kalibreren.
Aanbevolen apparaat:
UP200S of UP200St
Referentie/onderzoeksartikel:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Directe elektrochemie van Fe2O3-nanodeeltjes in waterige oplossing en geadsorbeerd op met tin gedoteerd indiumoxide. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Sonicators voor sonochemische reacties van laboratorium- tot industriële schaal

Hielscher biedt het volledige assortiment sonicators, van de handbediende laboratoriumhomogenisator tot volledig industriële sonicators voor stromen met grote volumes. Alle resultaten die op kleine schaal worden bereikt tijdens het testen, R&D en de optimalisatie van een ultrasoon proces, kunnen >lineair worden opgeschaald naar volledige commerciële productie. Hielscher sonicators zijn betrouwbaar, robuust en gebouwd voor 24/7-gebruik.
Vraag ons hoe u uw proces kunt evalueren, optimaliseren en opschalen! Wij helpen u graag tijdens alle fasen – van de eerste tests en procesoptimalisatie tot de installatie in uw industriële productielijn!