Sonochemia: uwagi dotyczące zastosowań

Sonochemia to oddziaływanie kawitacji ultradźwiękowej na układy chemiczne. Ze względu na ekstremalne warunki występujące w kawitacyjnym „gorącym punkcie” ultradźwięki dużej mocy są bardzo skuteczną metodą poprawy wyników reakcji (wyższa wydajność, lepsza jakość), stopnia konwersji i czasu trwania reakcji chemicznej. Niektóre przemiany chemiczne można uzyskać wyłącznie podczas sonikacji, na przykład pokrywanie tytanu lub aluminium nanometryczną powłoką cynową.

Poniżej przedstawiono wybrane cząstki i ciecze wraz z zaleceniami dotyczącymi obróbki materiału w celu mielenia, dyspergowania, deaglomeracji lub modyfikowania cząstek za pomocą homogenizatora ultradźwiękowego.

Poniżej przedstawiono protokoły sonikacji umożliwiające skuteczne prowadzenie reakcji sonochemicznych!

W kolejności alfabetycznej:

α-Epoksyketony – reakcja otwarcia pierścienia

Zastosowanie ultradźwięków:
Katalityczne otwarcie pierścienia α-epoksyketonów przeprowadzono z wykorzystaniem połączenia ultradźwięków i metod fotochemicznych. Jako fotokatalizator zastosowano tetrafluoroboran 1-benzylo-2,4,6-trifenylopirydyniowy (NBTPT). Dzięki połączeniu sonikacji (sonochemii) i fotochemii tych związków w obecności NBTPT uzyskano otwarcie pierścienia epoksydowego. Wykazano, że zastosowanie ultradźwięków znacznie zwiększyło szybkość reakcji indukowanej światłem. Ultradźwięki mogą istotnie wpływać na fotokatalityczne otwarcie pierścienia α-epoksyketonów, przede wszystkim ze względu na efektywny transport masy reagentów i stan wzbudzony NBTPT. Również przeniesienie elektronu między aktywnymi indywiduami w tym układzie homogenicznym z zastosowaniem sonikacji zachodzi
szybciej niż w układzie bez sonikacji. Zaletami tej metody są wyższe wydajności i krótsze czasy reakcji.

Wspomagane ultradźwiękami fotokatalityczne otwarcie pierścienia α-epoksyketonów (badanie i grafika: ©Memarian i wsp. 2007)

Protokół sonikacji:
α-Epoksyketony 1a-f i tetrafluoroboran 1-benzylo-2,4,6-trifenylopirydyniowy 2 przygotowano zgodnie z opisanymi procedurami. Metanol zakupiono w firmie Merck i przed użyciem poddano destylacji. Zastosowanym urządzeniem ultradźwiękowym był sonikator sondowy UP400S firmy Hielscher Ultrasonics GmbH. Zastosowano zanurzeniową sonotrodę ultradźwiękową S3 (znaną również jako sonda), emitującą ultradźwięki o częstotliwości 24 kHz i regulowanym natężeniu, do maksymalnej gęstości mocy akustycznej 460Wcm^-2 . Sonikację przeprowadzono przy ustawieniu 100% (maksymalna amplituda 210μm). Sonotrodę S3 (maksymalna głębokość zanurzenia 90mm) zanurzono bezpośrednio w mieszaninie reakcyjnej. Naświetlanie UV przeprowadzono przy użyciu wysokociśnieniowej lampy rtęciowej Narva o mocy 400W, z chłodzeniem próbek w szkle Duran. Widma ¹H NMR mieszaniny fotoproduktów zmierzono w roztworach CDCl₃ zawierających tetrametylosilan (TMS) jako wzorzec wewnętrzny, na aparacie Bruker drx-500 (500 MHz). Preparatywną chromatografię warstwową (PLC) przeprowadzono na płytkach o wymiarach 20 × 20cm² pokrytych warstwą o grubości 1mm z żelu krzemionkowego Merck PF₂₅₄ przygotowaną przez naniesienie krzemionki w postaci zawiesiny i suszenie na powietrzu. Wszystkie produkty są znane, a ich dane spektroskopowe opisano wcześniej.
Zalecane urządzenie:
UP400S z sonotrodą ultradźwiękową S3
Literatura / publikacja naukowa:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Fotosonochemiczne katalityczne otwarcie pierścienia α-epoksyketonów. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Katalizator glinowo-niklowy: nanostrukturyzacja stopu Al/Ni

Zastosowanie ultradźwięków:
Cząstki Al/Ni można modyfikować sonochemicznie przez nanostrukturyzację wyjściowego stopu Al/Ni. W ten sposób otrzymuje się skuteczny katalizator uwodornienia acetofenonu.
Ultradźwiękowe przygotowanie katalizatora Al/Ni:
5g dostępnego handlowo stopu Al/Ni zdyspergowano w oczyszczonej wodzie (50mL) i poddawano sonikacji przez maksymalnie 50 min. przy użyciu sonikatora sondowego UIP1000hd (1kW, 20kHz), wyposażonego w sonotrodę ultradźwiękową BS2d22 (powierzchnia czoła 3,8 cm²) oraz wzmacniacz amplitudy B2-1.8. Obliczone maksymalne natężenie wynosiło 140 Wcm⁻² przy amplitudzie mechanicznej 106μm. Aby uniknąć wzrostu temperatury podczas sonikacji, doświadczenie przeprowadzono w termostatowanej komorze. Po sonikacji próbkę wysuszono pod próżnią z użyciem opalarki.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd z sonotrodą BS2d22 i wzmacniaczem amplitudy B2–1,2
Literatura / publikacja naukowa:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonochemiczna aktywacja katalizatora uwodornienia Al/Ni. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transestryfikacja w produkcji biodiesla z zastosowaniem katalizatora MgO

Zastosowanie ultradźwięków:
Reakcję transestryfikacji badano przy ciągłym mieszaniu ultradźwiękowym za pomocą sonikatora UP200S, dla różnych parametrów, takich jak ilość katalizatora, stosunek molowy metanolu do oleju, temperatura reakcji i czas jej trwania. Doświadczenia okresowe przeprowadzono w reaktorze ze szkła twardego (300 ml, średnica wewnętrzna 7 cm) z pokrywą o dwóch szyjkach ze szlifami. W jednej szyjce zamontowano tytanową sonotrodę S7 (średnica końcówki 7 mm) procesora ultradźwiękowego UP200S (200W, 24kHz). Amplitudę ultradźwięków ustawiono na 50%, przy 1 cyklu na sekundę. Mieszaninę reakcyjną poddawano sonikacji przez cały czas reakcji. Drugą szyjkę komory reaktora wyposażono w dostosowaną do tego układu, chłodzoną wodą chłodnicę ze stali nierdzewnej, służącą do skraplania odparowanego metanolu i zawracania go do reaktora. Całą aparaturę umieszczono w łaźni olejowej o stałej temperaturze, sterowanej proporcjonalno-całkująco-różniczkującym regulatorem temperatury. Temperaturę można zwiększać do 65°C z dokładnością ±1°C. Jako surowce do transestryfikacji w produkcji biodiesla zastosowano olej odpadowy oraz metanol o czystości 99,9%. Jako katalizator zastosowano nanometryczny MgO osadzony z dymu (taśma magnezowa).
Doskonały wynik konwersji uzyskano przy zawartości katalizatora 1,5 wt% i stosunku molowym metanolu do oleju 5:1 w temperaturze 55°C; po 45 min. osiągnięto konwersję 98,7%.
Zalecane urządzenie:
UP200S z sonotrodą ultradźwiękową S7
Literatura / publikacja naukowa:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Badania nad sonochemiczną produkcją biodiesla z zastosowaniem katalizatora nano-MgO osadzonego z dymu. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Synteza nanokompozytu kadm(II)–tioacetamid

Zastosowanie ultradźwięków:
Nanokompozyty kadm(II)–tioacetamid otrzymano metodą sonochemiczną w obecności alkoholu poliwinylowego i bez jego udziału. Do syntezy sonochemicznej (sonosyntezy) rozpuszczono 0,532 g dwuwodnego octanu kadmu(II) (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioacetamidu (TAA, CH3CSNH2) i 0,664 g jodku potasu (KI) w 20mL podwójnie destylowanej wody dejonizowanej. Roztwór ten poddawano sonikacji za pomocą sonikatora sondowego dużej mocy UP400S (24 kHz, 400W) w temperaturze pokojowej przez 1 h. Podczas sonikacji mieszaniny reakcyjnej temperatura wzrosła do 70–80degC, co zmierzono termoparą żelazo–constantin. Po jednej godzinie powstał jasnożółty osad. Wyizolowano go przez wirowanie (4 000 rpm, 15 min), przemyto podwójnie destylowaną wodą, a następnie etanolem absolutnym w celu usunięcia pozostałych zanieczyszczeń i ostatecznie wysuszono na powietrzu (wydajność: 0,915 g, 68%). Temp. rozkł.200°C. Aby przygotować nanokompozyt polimerowy, rozpuszczono 1,992 g alkoholu poliwinylowego w 20 mL podwójnie destylowanej wody dejonizowanej, a następnie dodano ten roztwór do powyższego roztworu. Mieszaninę tę poddawano działaniu ultradźwięków za pomocą sondy ultradźwiękowej UP400S przez 1 h, po czym powstał jasnopomarańczowy produkt.
Wyniki SEM wykazały, że w obecności PVA wielkość cząstek zmniejszyła się z około 38 nm do 25 nm. Następnie zsyntetyzowaliśmy heksagonalne nanocząstki CdS o morfologii sferycznej przez rozkład termiczny nanokompozytu polimerowego kadm(II)–tioacetamid/PVA, użytego jako prekursor. Wielkość nanocząstek CdS zmierzono zarówno metodą XRD, jak i SEM, a uzyskane wyniki były ze sobą bardzo zgodne.
Ranjbar i wsp. (2013) stwierdzili również, że polimerowy nanokompozyt Cd(II) jest odpowiednim prekursorem do otrzymywania nanocząstek siarczku kadmu o interesujących morfologiach. Wszystkie wyniki wykazały, że syntezę ultradźwiękową można z powodzeniem stosować jako prostą, wydajną, tanią, przyjazną dla środowiska i bardzo obiecującą metodę syntezy materiałów nanometrycznych, bez konieczności zapewniania szczególnych warunków, takich jak wysoka temperatura, długi czas reakcji i wysokie ciśnienie.
Zalecane urządzenie:
UP400S
Literatura / publikacja naukowa:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Synteza i charakterystyka nanokompozytów kadm–tioacetamid. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – ultradźwiękowe pokrywanie kwasem stearynowym

Zastosowanie ultradźwięków:
Ultradźwiękowe pokrywanie nanometrycznego strącanego CaCO₃ (NPCC) kwasem stearynowym w celu poprawy jego dyspersji w polimerze i ograniczenia aglomeracji. 2g niepowlekanego nanometrycznego strącanego CaCO₃ (NPCC) poddano sonikacji za pomocą sonikatora UP400S w 30ml etanolu. W etanolu rozpuszczono 9 wt% kwasu stearynowego. Następnie etanol z kwasem stearynowym zmieszano z zawiesiną poddaną sonikacji.
Zalecane urządzenie:
UP400S z sonotrodą o średnicy 22mm (H22D) i komorą przepływową z płaszczem chłodzącym
Literatura / publikacja naukowa:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Wpływ ultradźwięków na pokrywanie nanometrycznego strącanego CaCO3 kwasem stearynowym. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Silan domieszkowany azotanem ceru

Zastosowanie ultradźwięków:
Jako podłoża metalowe zastosowano panele ze stali węglowej walcowanej na zimno (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; oczyszczone chemicznie i wypolerowane mechanicznie). Przed nałożeniem powłoki panele oczyszczono ultradźwiękowo acetonem, a następnie roztworem alkalicznym (roztwór NaOH 0,3mol L1) w temperaturze 60°C przez 10 min. W celu zastosowania jako podkład, przed wstępną obróbką podłoża, typową formulację zawierającą 50 części γ-glicydoksypropylotrimetoksysilanu (γ-GPS) rozcieńczono około 950 częściami metanolu przy pH 4,5 (ustawionym kwasem octowym) i pozostawiono do hydrolizy silanu. Procedura przygotowania silanu domieszkowanego pigmentami azotanu ceru była taka sama, z tą różnicą, że przed dodaniem (γ-GPS) do roztworu metanolu dodano 1, 2, 3 wt% azotanu ceru, a następnie roztwór mieszano mieszadłem śmigłowym przy 1600 rpm przez 30 min. w temperaturze pokojowej. Następnie dyspersje zawierające azotan ceru poddawano sonikacji przez 30 min w temperaturze 40°C z zastosowaniem zewnętrznej łaźni chłodzącej. Sonikację przeprowadzono za pomocą sonikatora UIP1000hd (1000W, 20 kHz), przy wejściowej mocy ultradźwięków około 1 W/mL. Wstępną obróbkę podłoża przeprowadzono przez płukanie każdego panelu przez 100 s odpowiednim roztworem silanu. Po obróbce panele pozostawiono do wyschnięcia w temperaturze pokojowej przez 24 h, a następnie pokryto je dwuskładnikową żywicą epoksydową utwardzaną aminą (Epon 828, shell Co.), uzyskując grubość mokrej powłoki 90μm. Panele pokryte żywicą epoksydową pozostawiono do utwardzenia przez 1h w temperaturze 115°C; po utwardzeniu powłok epoksydowych grubość suchej powłoki wynosiła około 60μm.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd
Literatura / publikacja naukowa:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Elektrochemiczny wpływ wstępnej obróbki silanami zawierającymi azotan ceru na właściwości odspajania katodowego stali pokrytej powłoką epoksydową. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Struktury miedziano-glinowe: synteza porowatych struktur Cu-Al

Zastosowanie ultradźwięków:
Porowaty materiał miedziano-glinowy stabilizowany tlenkiem metalu jest obiecującym nowym alternatywnym katalizatorem odwodornienia propanu, niezawierającym metali szlachetnych ani niebezpiecznych. Struktura utlenionego porowatego stopu Cu–Al (gąbki metalicznej) jest podobna do metali typu Raneya. Ultradźwięki dużej mocy są narzędziem zielonej chemii służącym do syntezy porowatych struktur miedziano-glinowych stabilizowanych tlenkiem metalu. Są one niedrogie (koszt produkcji około 3 EUR/litr), a metodę można łatwo skalować. Te nowe materiały porowate (lub „gąbki metaliczne”) mają wnętrze wykonane ze stopu i utlenioną powierzchnię oraz mogą katalizować odwodornienie propanu w niskich temperaturach.
Procedura ultradźwiękowego przygotowania katalizatora:
Pięć gramów proszku stopu Al–Cu zdyspergowano w ultraczystej wodzie (50mL) i poddawano sonikacji przez 60 min za pomocą sonikatora sondowego Hielscher UIP1000hd (20kHz, maks. moc wyjściowa 1000W). Urządzenie ultradźwiękowe typu sondowego wyposażono w sonotrodę BS2d22 (powierzchnia końcówki 3,8cm²) i wzmacniacz amplitudy B2–1,2. Obliczone maksymalne natężenie wynosiło 57 W/cm² przy amplitudzie mechanicznej 81μm. Podczas obróbki próbkę chłodzono w łaźni lodowej. Po obróbce próbkę suszono w temperaturze 120°C przez 24 h.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd z sonotrodą BS2d22 i wzmacniaczem amplitudy B2–1,2
Literatura / publikacja naukowa:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Nowe i skuteczne miedziano-glinowe katalizatory odwodornienia propanu. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Degradacja ftalocyjaniny miedzi

Zastosowanie ultradźwięków:
Odbarwianie i rozkład metaloftalocyjanin
Ftalocyjaninę miedzi poddaje się sonikacji z wodą i rozpuszczalnikami organicznymi w temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem atmosferycznym, w obecności katalitycznej ilości utleniacza, za pomocą sonikatora UIP500hd o mocy 500W z komorą fold-trough, przy poziomie mocy 37–59 W/cm²: 5 mL próbki (100 mg/L), 50 D/D wody z chloroformem i pirydyną przy 60% amplitudy ultradźwięków. Temperatura reakcji: 20°C.
Zalecane urządzenie:
UIP500hd

Złoto: modyfikacja morfologii nanocząstek złota

Zastosowanie ultradźwięków:
Morfologię nanocząstek złota modyfikowano pod wpływem intensywnego oddziaływania ultradźwięków. Stwierdzono, że do połączenia nanocząstek złota w strukturę przypominającą hantel wystarcza obróbka ultradźwiękowa przez 20 min. w czystej wodzie oraz w obecności środków powierzchniowo czynnych. Po 60 min. sonikacji nanocząstki złota w wodzie przyjmują strukturę robakowatą lub pierścieniową. Połączone nanocząstki o kształtach sferycznych lub owalnych otrzymano ultradźwiękowo w obecności roztworów dodecylosiarczanu sodu lub dodecyloaminy.
Protokół obróbki ultradźwiękowej:
W celu modyfikacji ultradźwiękowej roztwór złota koloidalnego, zawierający wcześniej otrzymane nanocząstki złota chronione cytrynianem o średniej średnicy 25nm (± 7nm), poddawano sonikacji w zamkniętej komorze reaktora (objętość około 50mL). Roztwór złota koloidalnego (0,97 mmol·L^-1) poddawano działaniu ultradźwięków o wysokim natężeniu (40 W/cm^-2) za pomocą sonikatora Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W), wyposażonego w sonotrodę BS2d18 ze stopu tytanu (średnica końcówki 0,7 cala), którą zanurzono około 2 cm poniżej powierzchni roztworu poddawanego sonikacji. Przez złoto koloidalne przepuszczano argon (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) przez 20 min. przed sonikacją oraz podczas niej, z natężeniem przepływu 200 mL·min^-1 w celu usunięcia tlenu z roztworu. Porcję 35-mL każdego roztworu środka powierzchniowo czynnego bez dodatku dwuwodnego cytrynianu trisodowego połączono z 15 mL wcześniej otrzymanego złota koloidalnego, z przepuszczaniem pęcherzyków argonu przez 20 min. przed obróbką ultradźwiękową i podczas niej.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd z sonotrodą BS2d18 i reaktorem z komorą przepływową
Literatura / publikacja naukowa:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Wspomagane ultradźwiękami łączenie wcześniej otrzymanych nanocząstek złota. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Nawóz nieorganiczny – ługowanie Cu, Cd i Pb do analizy

Zastosowanie ultradźwięków:
Ekstrakcja Cu, Cd i Pb z nawozów nieorganicznych do celów analitycznych:
W ultradźwiękowej ekstrakcji miedzi, ołowiu i kadmu próbki zawierające mieszaninę nawozu i rozpuszczalnika poddaje się sonikacji za pomocą urządzenia ultradźwiękowego, takiego jak sonikator VialTweeter do sonikacji pośredniej. Próbki nawozu poddawano sonikacji w obecności 2mL 50% (v/v) HNO₃ w szklanych probówkach przez 3 minuty. Cu, Cd i Pb w ekstraktach można oznaczać metodą płomieniowej atomowej spektrometrii absorpcyjnej (FAAS).
Zalecane urządzenie:
VialTweeter
Literatura / publikacja naukowa:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternatywna metoda analityczna oznaczania metali w nawozach nieorganicznych oparta na ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Synteza lateksu

Zastosowanie ultradźwięków:
Przygotowanie lateksu P(St-BA)
Cząstki lateksu poli(styren-r-akrylan butylu) P(St-BA) zsyntetyzowano przez polimeryzację emulsyjną w obecności środka powierzchniowo czynnego DBSA. Najpierw rozpuszczono 1 g DBSA w 100mL wody w kolbie trójszyjnej i ustawiono pH roztworu na 2,0. Mieszaninę monomerów 2,80g St i 8,40g BA z inicjatorem AIBN (0,168g) wlano do roztworu DBSA. Emulsję O/W przygotowano przez mieszanie magnetyczne przez 1 h, a następnie sonikację za pomocą sonikatora UIP1000hd wyposażonego w sonotrodę ultradźwiękową (sondę) przez kolejne 30 min. w łaźni lodowej. Na koniec polimeryzację przeprowadzono w temperaturze 90degC w łaźni olejowej przez 2h w atmosferze azotu.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd
Literatura / publikacja naukowa:
Wytwarzanie elastycznych folii przewodzących otrzymywanych z poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) na podłożu z włókniny. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o sonosyntezie lateksu!

Usuwanie ołowiu (sonoługowanie)

Zastosowanie ultradźwięków:
Ultradźwiękowe ługowanie ołowiu z zanieczyszczonej gleby:
Doświadczenia dotyczące ługowania ultradźwiękowego przeprowadzono za pomocą homogenizatora ultradźwiękowego UP400S z tytanową sondą ultradźwiękową (średnica 14mm), pracującego z częstotliwością 20kHz. Sondę ultradźwiękową (sonotrodę) skalibrowano kalorymetrycznie, ustawiając natężenie ultradźwięków na 51 ± 0,4 W cm^-2 we wszystkich doświadczeniach sonoługowania. Doświadczenia sonoługowania termostatowano w temperaturze 25 ± 1°C, używając szklanej komory z płaskim dnem i płaszczem. Jako roztwory do ługowania gleby (0,1L) podczas sonikacji zastosowano trzy układy: 6 mL roztworu kwasu octowego o stężeniu 0,3 mol L^-2 (pH 3,24), 3% (v/v) roztwór kwasu azotowego (pH 0,17) oraz bufor kwas octowy/octan (pH 4,79), przygotowany przez zmieszanie 60mL 0f roztworu kwasu octowego o stężeniu 0,3 mol L^-1 z 19 mL roztworu o stężeniu 0,5 mol L^-1 NaOH. Po procesie sonoługowania próbki przefiltrowano przez bibułę filtracyjną, aby oddzielić roztwór po ługowaniu od gleby, a następnie przeprowadzono elektroosadzanie ołowiu z roztworu po ługowaniu oraz mineralizację gleby po zastosowaniu ultradźwięków.
Wykazano, że ultradźwięki są cennym narzędziem intensyfikacji ługowania ołowiu z zanieczyszczonej gleby. Ultradźwięki są również skuteczną metodą niemal całkowitego usuwania z gleby ołowiu podatnego na ługowanie, dzięki czemu gleba staje się znacznie mniej niebezpieczna.
Zalecane urządzenie:
UP400S z sonotrodą H14
Literatura / publikacja naukowa:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Połączenie ługowania ultradźwiękowego i obróbki elektrochemicznej w celu usuwania ołowiu z gleby. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – synteza nanocząstek siarczku ołowiu

Zastosowanie ultradźwięków:
W temperaturze pokojowej 0,151 g octanu ołowiu (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) i 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) dodano do 5mL cieczy jonowej, [EMIM] [EtSO₄], oraz 15mL podwójnie destylowanej wody w zlewce o pojemności 50mL i poddano działaniu ultradźwięków za pomocą sonikatora Hielscher UP200S przez 7 min. Końcówkę sondy ultradźwiękowej / sonotrody S1 zanurzono bezpośrednio w roztworze reakcyjnym. Powstałą ciemnobrązową zawiesinę odwirowano w celu wydzielenia osadu, który przemyto dwukrotnie, odpowiednio podwójnie destylowaną wodą i etanolem, aby usunąć nieprzereagowane odczynniki. Aby zbadać wpływ ultradźwięków na właściwości produktów, przygotowano jeszcze jedną próbkę porównawczą, utrzymując stałe parametry reakcji, z wyjątkiem tego, że produkt otrzymywano przy ciągłym mieszaniu przez 24 h bez wspomagania ultradźwiękami.
Do otrzymywania nanocząstek PbS zaproponowano syntezę wspomaganą ultradźwiękami w wodnym roztworze cieczy jonowej w temperaturze pokojowej. Ta prowadzona w temperaturze pokojowej i przyjazna dla środowiska metoda zielonej chemii jest szybka i nie wymaga szablonu, co znacznie skraca czas syntezy i pozwala uniknąć skomplikowanych procedur syntetycznych. Otrzymane nanoklastry wykazują ogromne przesunięcie ku błękitowi o 3,86 eV, które można przypisać bardzo małym rozmiarom cząstek i efektowi uwięzienia kwantowego.
Zalecane urządzenie:
UP200S
Literatura / publikacja naukowa:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Łatwe otrzymywanie w temperaturze pokojowej i charakterystyka nanocząstek PbS w wodnym roztworze cieczy jonowej [EMIM][EtSO4] z wykorzystaniem ultradźwięków. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Degradacja fenolu

Zastosowanie ultradźwięków:
Rokhina i wsp. (2013) zastosowali połączenie kwasu nadoctowego (PAA) i katalizatora heterogenicznego (MnO₂) do degradacji fenolu w roztworze wodnym pod wpływem ultradźwięków. Sonikację przeprowadzono za pomocą sonikatora sondowego UP400S o mocy 400W, który umożliwia sonikację ciągłą lub w trybie impulsowym (tj. 4 s włączenia i 2 s wyłączenia), przy stałej częstotliwości 24 kHz. Obliczona całkowita moc dostarczona, gęstość mocy i natężenie mocy rozpraszanej w układzie wynosiły odpowiednio 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3 i 14,3 W/cm^-2. Stałą moc stosowano przez cały czas doświadczeń. Do regulacji temperatury wewnątrz reaktora zastosowano cyrkulator zanurzeniowy. Czas samej sonikacji wynosił 4 h, chociaż rzeczywisty czas reakcji wynosił 6 h ze względu na pracę w trybie impulsowym. W typowym doświadczeniu szklany reaktor napełniano 100mL roztworu fenolu (1,05 mM) i odpowiednimi dawkami katalizatora MnO2 oraz PAA (2%), w zakresach odpowiednio 0–2 g L^-1 i 0–150 ppm. Wszystkie reakcje prowadzono przy pH zbliżonym do obojętnego, pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze pokojowej (22 ± 1 °C).
Sonikacja zwiększyła powierzchnię katalizatora do 4-krotnie większej wartości, bez zmian w aspekcie strukturalnym. Częstotliwości cykli katalitycznych (TOF) wzrosły z 7 x 10^-3 do 12,2 x 10^-3 min^-1 w porównaniu z procesem bez ultradźwięków. Ponadto nie wykryto istotnego wymywania katalizatora. Izotermiczne utlenianie fenolu przy stosunkowo niskich stężeniach odczynników wykazało wysoki stopień usuwania fenolu (do 89%) w łagodnych warunkach. Ogólnie ultradźwięki przyspieszały proces utleniania w pierwszych 60 min. (70% usuniętego fenolu w porównaniu z 40% podczas obróbki bez ultradźwięków).
Zalecane urządzenie:
UP400S
Literatura / publikacja naukowa:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Wspomagana ultradźwiękami homoliza kwasu nadoctowego katalizowana przez MnO₂ w celu degradacji fenolu: ocena chemii procesu i kinetyki. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenol: utlenianie fenolu z zastosowaniem RuI₃ jako katalizatora

Zastosowanie ultradźwięków:
Heterogeniczne utlenianie fenolu w środowisku wodnym na RuI₃ za pomocą nadtlenku wodoru (H₂O₂): katalityczne utlenianie fenolu (100 ppm) na RuI₃ jako katalizatorze badano w szklanym reaktorze o pojemności 100 mL, wyposażonym w mieszadło magnetyczne i regulator temperatury. Mieszaninę reakcyjną mieszano z prędkością 800 rpm przez 1–6 godzin, aby zapewnić pełne wymieszanie, równomierny rozkład i całkowite zawieszenie cząstek katalizatora. Podczas sonikacji nie stosowano mechanicznego mieszania roztworu ze względu na zaburzenia wywoływane oscylacjami i zapadaniem się pęcherzyków kawitacyjnych, które same zapewniały niezwykle efektywne mieszanie. Roztwór poddawano działaniu ultradźwięków za pomocą przetwornika ultradźwiękowego UP400S z wyposażeniem ultradźwiękowym (tak zwanego sonikatora sondowego), zdolnego do pracy ciągłej lub w trybie impulsowym przy stałej częstotliwości 24 kHz i maksymalnej mocy wyjściowej 400W.
Do doświadczenia niepoddany obróbce RuI₃ jako katalizator (0,5–2 gL^-1) wprowadzono w postaci zawiesiny do środowiska reakcyjnego, a następnie dodano H2O2 (30%, stężenie w zakresie 200–1200 ppm).
Rokhina i wsp. stwierdzili w swoim badaniu, że oddziaływanie ultradźwięków odgrywało istotną rolę w modyfikacji właściwości teksturalnych katalizatora, prowadząc do powstania struktury mikroporowatej o większej powierzchni właściwej w wyniku fragmentacji cząstek katalizatora. Ponadto wywierało korzystny wpływ, zapobiegając aglomeracji cząstek katalizatora i poprawiając dostęp fenolu oraz nadtlenku wodoru do miejsc aktywnych katalizatora.
Dwukrotny wzrost efektywności procesu wspomaganego ultradźwiękami w porównaniu z procesem utleniania bez ultradźwięków przypisano poprawie działania katalitycznego katalizatora oraz powstawaniu indywiduów utleniających, takich jak •OH, •HO2 i •I₂ w wyniku rozrywania wiązań wodorowych i rekombinacji rodników.
Zalecane urządzenie:
UP400S
Literatura / publikacja naukowa:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Wspomagane ultradźwiękami heterogeniczne utlenianie fenolu nadtlenkiem w środowisku wodnym, katalizowane rutenem. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Cząstki Ag/ZnO pokryte PLA

Zastosowanie ultradźwięków:
Pokrywanie cząstek Ag/ZnO PLA: mikrocząstki i cząstki submikronowe Ag/ZnO pokryte PLA otrzymano techniką odparowania rozpuszczalnika z emulsji olej w wodzie. Metodę tę przeprowadzono w następujący sposób. Najpierw 400 mg polimeru rozpuszczono w 4 ml chloroformu. Uzyskane stężenie polimeru w chloroformie wynosiło 100 mg/ml. Następnie roztwór polimeru emulgowano w wodnym roztworze różnych układów środków powierzchniowo czynnych (emulgator, PVA 8-88), przy ciągłym mieszaniu homogenizatorem z prędkością 24 000 rpm. Mieszaninę mieszano przez 5 min., a w tym czasie powstającą emulsję chłodzono lodem. Stosunek wodnego roztworu środka powierzchniowo czynnego do chloroformowego roztworu PLA był jednakowy we wszystkich doświadczeniach (4:1). Następnie otrzymaną emulsję poddawano sonikacji za pomocą ultradźwiękowego urządzenia sondowego UP400S (400W, 24kHz) przez 5 min., przy ustawieniu cyklu 0,5 i amplitudzie 35%. Na koniec przygotowaną emulsję przeniesiono do kolby Erlenmeyera, mieszano i odparowano z niej rozpuszczalnik organiczny pod obniżonym ciśnieniem, co ostatecznie prowadziło do powstania zawiesiny cząstek. Po usunięciu rozpuszczalnika zawiesinę odwirowano trzykrotnie w celu usunięcia emulgatora.
Zalecane urządzenie:
UP400S
Literatura / publikacja naukowa:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Hybrydowe cząstki antybakteryjne zsyntetyzowane mikrofalowo i pokryte poli(kwasem L-mlekowym). Nanocon 2011.

Kompozyt polianilinowy

Zastosowanie ultradźwięków:
Przygotowanie wodnego kompozytu samodomieszkowanej nanopolianiliny (SPAni) (Sc-WB)
Aby przygotować wodny kompozyt SPAni, 0,3 gr SPAni, zsyntetyzowanej metodą polimeryzacji in situ w środowisku ScCO2, rozcieńczono wodą i poddawano sonikacji przez 2 minuty za pomocą homogenizatora ultradźwiękowego UIP1000hd o mocy 1000W. Następnie produkt w postaci zawiesiny homogenizowano przez 15 min., dodając 125 gr wodnej matrycy utwardzacza, a końcową sonikację przeprowadzono w temperaturze otoczenia przez 5 min.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd
Literatura / publikacja naukowa:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Właściwości ochronne wodnej powłoki epoksydowej zawierającej samodomieszkowaną nanopolianilinę zsyntetyzowaną w ScCO2. 2013.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne: sonochemiczna degradacja naftalenu, acenaftylenu i fenantrenu

Zastosowanie ultradźwięków:
W celu sonochemicznej degradacji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA): naftalenu, acenaftylenu i fenantrenu w wodzie, mieszaniny próbek poddawano sonikacji w temperaturze 20◦C, przy stężeniu 50 µg/l każdego badanego WWA (całkowite stężenie początkowe 150 µg/l). Sonikację przeprowadzono za pomocą sonikatora UP400S z sonotrodą (400W, 24kHz), który może pracować w trybie ciągłym lub impulsowym. Sonikator UP400S wyposażono w tytanową sondę H7 o średnicy końcówki 7 mm. Reakcje prowadzono w cylindrycznym szklanym naczyniu reakcyjnym o pojemności 200 mL, z tytanową sonotrodą zamontowaną w górnej części naczynia i uszczelnioną za pomocą pierścieni O-ring oraz zaworu teflonowego. Naczynie reakcyjne umieszczono w łaźni wodnej w celu regulacji temperatury procesu. Aby uniknąć wszelkich reakcji fotochemicznych, naczynie osłonięto folią aluminiową.
Wyniki analizy wykazały, że konwersja WWA wzrasta wraz z wydłużaniem czasu sonikacji.
W przypadku naftalenu konwersja wspomagana ultradźwiękami (moc ultradźwięków ustawiona na 150W) wzrosła z 77,6%, uzyskanych po 30 min. sonikacji, do 84,4% po 60 min. sonikacji.
W przypadku acenaftylenu konwersja wspomagana ultradźwiękami (moc ultradźwięków ustawiona na 150W) wzrosła z 77,6%, uzyskanych po 30 min. sonikacji przy mocy ultradźwięków 150W, do 84,4% po 60 min. sonikacji przy mocy ultradźwięków 150W; wzrosła z 80,7%, uzyskanych po 30 min. sonikacji przy mocy ultradźwięków 150W, do 96,6% po 60 min. sonikacji.
W przypadku fenantrenu konwersja wspomagana ultradźwiękami (moc ultradźwięków ustawiona na 150W) wzrosła z 73,8%, uzyskanych po 30 min. sonikacji, do 83,0% po 60 min. sonikacji.
Aby zwiększyć efektywność degradacji, nadtlenek wodoru można wykorzystać wydajniej po dodaniu jonu żelaza(II). Wykazano, że dodatek jonu żelaza(II) wywołuje efekty synergiczne, naśladujące reakcję typu Fentona.
Zalecane urządzenie:
UP400S z H7
Literatura / publikacja naukowa:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Degradacja wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w roztworach wodnych pod wpływem ultradźwięków. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Usuwanie warstwy tlenkowej z podłoży

Zastosowanie ultradźwięków:
Aby przygotować podłoże przed wzrostem nanodrutów CuO na podłożach Cu, naturalną warstwę tlenkową na powierzchni Cu usunięto przez sonikację próbki w kwasie chlorowodorowym o stężeniu 0,7 M przez 2 min. za pomocą Hielscher UP200S. Próbkę oczyszczono ultradźwiękowo w acetonie przez 5 min. w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych, dokładnie opłukano wodą dejonizowaną (DI) i wysuszono sprężonym powietrzem.
Zalecane urządzenie:
UP200S lub UP200St
Literatura / publikacja naukowa:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modyfikowanie właściwości detekcji gazów nanodrutów CuO przez tworzenie odrębnych nanometrycznych złączy p−n na ich powierzchniach. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Doświadczenia woltamperometryczne

Zastosowanie ultradźwięków:
Do doświadczeń woltamperometrycznych wspomaganych ultradźwiękami zastosowano sonikator Hielscher UP200S o mocy 200 watów, wyposażony w szklaną sonotrodę (średnica końcówki 13 mm). Ultradźwięki stosowano przy natężeniu 8 W/cm^–2.
Ze względu na małą szybkość dyfuzji nanocząstek w roztworach wodnych i dużą liczbę centrów redoks na nanocząstkę bezpośrednia woltamperometria nanocząstek w fazie roztworu jest zdominowana przez efekty adsorpcji. Aby wykrywać nanocząstki bez akumulacji spowodowanej adsorpcją, należy wybrać podejście doświadczalne obejmujące (i) wystarczająco wysokie stężenie nanocząstek, (ii) małe elektrody poprawiające stosunek sygnału do tła lub (iii) bardzo szybki transport masy.
Dlatego McKenzie i wsp. (2012) zastosowali ultradźwięki dużej mocy, aby radykalnie zwiększyć szybkość transportu masy nanocząstek w kierunku powierzchni elektrody. W ich układzie doświadczalnym elektroda jest bezpośrednio poddawana działaniu ultradźwięków o wysokim natężeniu, przy odległości elektrody od sonotrody 5 mm i natężeniu sonikacji 8 W/cm^–2 , co powoduje mieszanie i czyszczenie kawitacyjne. Do kalibracji szybkości transportu masy uzyskanej w tych warunkach zastosowano testowy układ redoks: jednoelektronową redukcję Ru(NH3)₆³⁺ w wodnym roztworze KCl o stężeniu 0,1 M.
Zalecane urządzenie:
UP200S lub UP200St
Literatura / publikacja naukowa:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Bezpośrednia elektrochemia nanocząstkowego Fe2O3 w roztworze wodnym i po adsorpcji na tlenku indu domieszkowanym cyną. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Sonikatory do reakcji sonochemicznych od skali laboratoryjnej do przemysłowej

Hielscher oferuje pełny zakres sonikatorów, od ręcznych homogenizatorów laboratoryjnych po w pełni przemysłowe sonikatory do strumieni o dużej objętości. Wszystkie wyniki uzyskane w małej skali podczas testów, prac badawczo-rozwojowych i optymalizacji procesu ultradźwiękowego można >liniowo przenieść do pełnej produkcji komercyjnej. Sonikatory Hielscher są niezawodne, wytrzymałe i przeznaczone do pracy 24/7.
Zapytaj nas, jak ocenić, zoptymalizować i skalować swój proces! Chętnie pomożemy na wszystkich etapach – od pierwszych testów i optymalizacji procesu po instalację w przemysłowej linii produkcyjnej!