Sonochemia: Uwagi do stosowania

Sonochemia to wpływ kawitacji ultradźwiękowej na układy chemiczne. Ze względu na ekstremalne warunki występujące w kawitacji “gorący punkt”Ultradźwięki mocy są bardzo skuteczną metodą poprawy wyniku reakcji (wyższa wydajność, lepsza jakość), konwersji i czasu trwania reakcji chemicznej. Niektóre zmiany chemiczne można osiągnąć tylko za pomocą ultradźwięków, takich jak nano-powłoka cynowa tytanu lub aluminium.

Poniżej znajduje się wybór cząstek i cieczy z powiązanymi zaleceniami, jak traktować materiał w celu zmielenia, rozproszenia, deaglomeracji lub modyfikacji cząstek za pomocą homogenizatora ultradźwiękowego.

Poniżej znajduje się kilka protokołów sonikacji dla udanych reakcji sonochemicznych!

W kolejności alfabetycznej:

α-epoksyketony – Reakcja otwarcia pierścienia

Aplikacja ultradźwiękowa:
Katalityczne otwarcie pierścienia α-epoksyketonów przeprowadzono przy użyciu kombinacji 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 fotoindukowanej. Ultradźwięki mogą poważnie wpływać na fotokatalityczne otwarcie pierścienia α-epoksyketonów głównie ze względu na efektywny transfer masy reagentów i stan wzbudzony NBTPT. Występuje również transfer elektronów między aktywnymi gatunkami w tym jednorodnym układzie za pomocą sonikacji
szybciej niż system bez sonikacji. Zaletą tej metody jest wyższa wydajność i krótszy czas reakcji.

Fotokatalityczne otwarcie pierścienia α-epoksyketonów wspomagane ultradźwiękami (badanie i grafika: ©Memarian et al 2007)

Protokół sonikacji:
α-epoksyketony 1a-f i tetrafluoroboran 1-benzylo-2,4,6-trifenylopirydyniowy 2 przygotowano zgodnie z podanymi procedurami. Metanol został zakupiony od firmy Merck i destylowany przed użyciem. Zastosowanym urządzeniem ultradźwiękowym była sonda ultradźwiękowa UP400S firmy Hielscher Ultrasonics GmbH. Ultradźwiękowy róg zanurzeniowy S3 (znany również jako sonda lub sonotroda) emitujący ultradźwięki o częstotliwości 24 kHz przy poziomach intensywności dostrajanych do maksymalnej gęstości mocy akustycznej 460Wcm.^-2 został użyty. Sonikację przeprowadzono przy 100% (maksymalna amplituda 210 μm). Sonotroda S3 (maksymalna głębokość zanurzenia 90 mm) została zanurzona bezpośrednio w mieszaninie reakcyjnej. Promieniowanie UV przeprowadzono przy użyciu 400W wysokociśnieniowej lampy rtęciowej z Narvy z chłodzeniem próbek w szkle Duran. W tym celu stosowano ¹Widma H NMR mieszaniny fotoproduktów zostały zmierzone w CDCl₃ zawierających tetrametylosilan (TMS) jako wzorzec wewnętrzny na aparacie Bruker drx-500 (500 MHz). Chromatografię warstwową preparatywną (PLC) przeprowadzono na płytkach 20 × 20 cm² płytki pokryte 1 mm warstwą żelu krzemionkowego Merck PF₂₅₄ przygotowane przez naniesienie krzemionki w postaci zawiesiny i wysuszenie w powietrzu. Wszystkie produkty są znane, a ich dane spektralne zostały podane wcześniej.
Zalecane urządzenie:
UP400S z tubą ultradźwiękową S3
Dokument referencyjny/badawczy:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Photosonochemical catalytic ring opening of α-epoxyketones. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Katalizator aluminium/nikiel: Nanostrukturyzacja stopu Al/Ni

Aplikacja ultradźwiękowa:
Cząstki Al/Ni mogą być modyfikowane sonochemicznie poprzez nanostrukturyzację początkowego stopu Al/Ni. W ten sposób powstaje skuteczny katalizator uwodornienia acetofenonu.
Ultradźwiękowe przygotowanie katalizatora Al/Ni:
5 g komercyjnego stopu Al/Ni zdyspergowano w oczyszczonej wodzie (50 ml) i poddano działaniu ultradźwięków do 50 minut za pomocą sonikatora ultradźwiękowego UIP1000hd (1 kW, 20 kHz) wyposażonego w róg ultradźwiękowy BS2d22 (powierzchnia głowicy 3,8 cm).²) i wzmacniacz B2-1.8. Maksymalne natężenie obliczono na 140 Wcm^-2 przy amplitudzie mechanicznej 106 μm. Aby uniknąć wzrostu temperatury podczas sonikacji, eksperyment przeprowadzono w celi termostatycznej. Po sonikacji próbkę wysuszono pod próżnią za pomocą opalarki.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd z sonotrodą BS2d22 i tubą wzmacniającą B2-1.2
Dokument referencyjny/badawczy:
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 biodiesla przy użyciu katalizatora MgO

Aplikacja ultradźwiękowa:
Reakcję transestryfikacji badano przy stałym mieszaniu ultradźwiękowym za pomocą sonikatora UP200S dla różnych parametrów, takich jak ilość katalizatora, stosunek molowy metanolu i oleju, temperatura reakcji i czas trwania reakcji. Eksperymenty wsadowe przeprowadzono w reaktorze z twardego szkła (300 ml, średnica wewnętrzna 7 cm) z dwiema szyjkami z uziemioną pokrywą. Jedna szyjka była połączona z tytanową sonotrodą S7 (średnica końcówki 7 mm) procesora ultradźwiękowego UP200S (200 W, 24 kHz). Amplituda ultradźwięków została ustawiona na 50% z 1 cyklem na sekundę. Mieszaninę reakcyjną sonikowano przez cały czas reakcji. Druga szyjka komory reaktora została wyposażona w niestandardowy, chłodzony wodą skraplacz ze stali nierdzewnej do refluksu odparowanego metanolu. Cała aparatura została umieszczona w łaźni olejowej o stałej temperaturze kontrolowanej przez proporcjonalny pochodny regulator temperatury. Temperaturę można podnieść do 65°C z dokładnością ±1°C. Jako materiał do transestryfikacji biodiesla wykorzystano olej odpadowy i 99,9% czysty metanol. Jako katalizator zastosowano osadzony w dymie nanorozmiar MgO (wstęga magnezu).
Doskonały wynik konwersji uzyskano przy 1,5% mas. katalizatora; stosunek molowy oleju metanolowego 5:1 w temperaturze 55°C, konwersja 98,7% została osiągnięta po 45 minutach.
Zalecane urządzenie:
UP200S z sonotrodą ultradźwiękową S7
Dokument referencyjny/badawczy:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Studies on Sono-Chemical Biodiesel Production Using Smoke Deposited Nano MgO Catalyst. Biuletyn Inżynierii Reakcji Chemicznych & Catalysis 8/2, 2013. 89 – 96.

Synteza nanokompozytu kadm(II)-tioacetamid

Aplikacja ultradźwiękowa:
Nanokompozyty kadm(II)-tioacetamid zsyntetyzowano w obecności i nieobecności alkoholu poliwinylowego na drodze sonochemicznej. Do syntezy sonochemicznej (sono-synteza), 0,532 g dwuwodnego octanu kadmu (II) (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioacetamidu (TAA, CH3CSNH2) i 0,664 g jodku potasu (KI) rozpuszczono w 20 ml podwójnie destylowanej wody dejonizowanej. Roztwór ten poddano działaniu ultradźwięków za pomocą ultrasonografu UP400S z sondą o dużej mocy (24 kHz, 400 W) w temperaturze pokojowej przez 1 h. Podczas sonikacji mieszaniny reakcyjnej temperatura wzrosła do 70-80 ° C, mierzona za pomocą termopary żelazowo-stałej. Po godzinie utworzył się jasnożółty osad. Wyizolowano go przez odwirowanie (4000 obr./min, 15 min), przemyto podwójnie destylowaną wodą, a następnie absolutnym etanolem w celu usunięcia resztkowych zanieczyszczeń i ostatecznie wysuszono na powietrzu (wydajność: 0,915 g, 68%). Dec. p.200°C. Aby przygotować nanokompozyt polimerowy, 1,992 g alkoholu poliwinylowego rozpuszczono w 20 ml podwójnie destylowanej wody dejonizowanej, a następnie dodano do powyższego roztworu. Mieszaninę tę poddano działaniu ultradźwięków za pomocą sondy ultradźwiękowej UP400S przez 1 godzinę, gdy powstał jasnopomarańczowy produkt.
Wyniki SEM wykazały, że w obecności PVA rozmiary cząstek zmniejszyły się z około 38 nm do 25 nm. Następnie zsyntetyzowaliśmy heksagonalne nanocząstki CdS o sferycznej morfologii z termicznego rozkładu nanokompozytu polimerowego, kadm(II)-tioacetamid/PVA jako prekursora. Rozmiar nanocząstek CdS został zmierzony zarówno za pomocą XRD, jak i SEM, a wyniki były ze sobą bardzo zgodne.
Ranjbar et al. (2013) odkryli również, że polimerowy nanokompozyt Cd(II) jest odpowiednim prekursorem do przygotowania nanocząstek siarczku kadmu o interesujących morfologiach. Wszystkie wyniki wykazały, że synteza ultradźwiękowa może być z powodzeniem stosowana jako prosta, wydajna, tania, przyjazna dla środowiska i bardzo obiecująca metoda syntezy materiałów nanoskalowych bez potrzeby stosowania specjalnych warunków, takich jak wysoka temperatura, długie czasy reakcji i wysokie ciśnienie.
Zalecane urządzenie:
UP400S
Dokument referencyjny/badawczy:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Synthesis and Characterization of Cadmium-Thioacetamide Nanocomposites. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203-212.

CaCO3 – Powlekane ultradźwiękowo kwasem stearynowym

Aplikacja ultradźwiękowa:
Powłoka ultradźwiękowa nanoprecypitowanego CaCO₃ (NPCC) z kwasem stearynowym w celu poprawy jego dyspersji w polimerze i zmniejszenia aglomeracji. 2 g niepowlekanego nanostrąconego CaCO₃ (NPCC) został poddany sonikacji za pomocą sonikatora UP400S w 30 ml etanolu. 9% wagowych kwasu stearynowego rozpuszczono w etanolu. Etanol z kwasem stearynowym został następnie zmieszany z sonifikowaną zawiesiną.
Zalecane urządzenie:
UP400S z sonotrodą o średnicy 22 mm (H22D) i komorą przepływową z płaszczem chłodzącym
Dokument referencyjny/badawczy:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Wpływ ultradźwięków w powłoce nano-strącony CaCO3 z kwasem stearynowym. Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807-813.

Silan domieszkowany azotanem ceru

Aplikacja ultradźwiękowa:
Jako podłoże metaliczne zastosowano walcowane na zimno panele ze stali węglowej (6,5 cm, 6,5 cm, 0,3 cm; oczyszczone chemicznie i wypolerowane mechanicznie). Przed nałożeniem powłoki panele zostały oczyszczone ultradźwiękowo acetonem, a następnie oczyszczone roztworem alkalicznym (0,3 mol L1 NaOH) w temperaturze 60°C przez 10 minut. W przypadku stosowania jako podkładu, przed wstępną obróbką podłoża, typowy preparat zawierający 50 części γ-glicydoksypropylotrimetoksysilanu (γ-GPS) rozcieńczono około 950 częściami metanolu, w pH 4,5 (skorygowanym kwasem octowym) i pozostawiono do hydrolizy silanu. Procedura przygotowania domieszkowanego silanu z pigmentami azotanu ceru była taka sama, z wyjątkiem tego, że 1, 2, 3% wag. azotanu ceru dodano do roztworu metanolu przed dodaniem (γ-GPS), a następnie roztwór mieszano mieszadłem śmigłowym przy 1600 obr / min przez 30 minut w temperaturze pokojowej. Następnie dyspersje zawierające azotan ceru poddano działaniu ultradźwięków przez 30 minut w temperaturze 40°C z zewnętrzną kąpielą chłodzącą. Proces ultradźwiękowy przeprowadzono za pomocą ultrasonografu UIP1000hd (1000 W, 20 kHz) z wlotową mocą ultradźwiękową około 1 W / ml. Obróbkę wstępną podłoża przeprowadzono przez płukanie każdego panelu przez 100 sekund odpowiednim roztworem silanu. Po obróbce panele pozostawiono do wyschnięcia w temperaturze pokojowej przez 24 godziny, a następnie wstępnie obrobione panele pokryto dwuskładnikową żywicą epoksydową utwardzaną aminą. (Epon 828, shell Co.), aby uzyskać grubość mokrej powłoki 90 μm. Panele pokryte żywicą epoksydową pozostawiono do utwardzenia na 1 godzinę w temperaturze 115°C, po utwardzeniu powłok epoksydowych; grubość suchej powłoki wynosiła około 60 μm.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd
Dokument referencyjny/badawczy:
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. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411-2420.

Struktury miedź-aluminium: Synteza porowatych struktur Cu-Al

Aplikacja ultradźwiękowa:
Porowaty stop miedzi i aluminium stabilizowany tlenkiem metalu jest nowym, obiecującym, alternatywnym katalizatorem odwodornienia propanu, który nie zawiera metali szlachetnych ani niebezpiecznych. Struktura utlenionego porowatego stopu Cu-Al (metalowa gąbka) jest podobna do metali typu Raney. Ultradźwięki o dużej mocy są narzędziem zielonej chemii do syntezy porowatych szkieletów miedziowo-aluminiowych stabilizowanych tlenkiem metalu. Są one niedrogie (koszt produkcji ok. 3 EUR/litr), a metodę można łatwo skalować. Te nowe porowate materiały (lub "metalowe gąbki") mają masę stopową i utlenioną powierzchnię i mogą katalizować odwodornienie propanu w niskich temperaturach.
Procedura przygotowania katalizatora ultradźwiękowego:
Pięć gramów proszku stopu Al-Cu zdyspergowano w ultraczystej wodzie (50 ml) i poddano działaniu ultradźwięków przez 60 minut za pomocą sonikatora Hielschera UIP1000hd (20 kHz, maksymalna moc wyjściowa 1000 W). Urządzenie typu sondy ultradźwiękowej zostało wyposażone w sonotrodę BS2d22 (powierzchnia końcówki 3,8 cm).²) i wzmacniacza B2-1.2. Maksymalne natężenie obliczono na 57 W/cm² przy amplitudzie mechanicznej 81 μm. Podczas obróbki próbka była chłodzona w łaźni lodowej. Po obróbce próbkę suszono w temperaturze 120°C przez 24 godziny.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd z sonotrodą BS2d22 i tubą wzmacniającą B2-1.2
Dokument referencyjny/badawczy:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Novel and Effective Copper-Aluminum Propane Dehydrogenation Catalysts. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254-12256.

Degradacja patlocyjaniny miedzi

Aplikacja ultradźwiękowa:
Odbarwianie i niszczenie metaloftalocyjanin
Patlocyjanina miedzi jest sonikowana wodą i rozpuszczalnikami organicznymi w temperaturze otoczenia i ciśnieniu atmosferycznym w obecności katalitycznej ilości utleniacza przy użyciu ultrasonografu UIP500hd o mocy 500 W z komorą składaną na poziomie mocy 37-59 W/cm.²: 5 ml próbki (100 mg/L), 50 D/D wody z choloformem i pirydyną przy 60% amplitudzie ultradźwięków. Temperatura reakcji: 20°C.
Zalecane urządzenie:
UIP500hd

Złoto: Modyfikacja morfologiczna nanocząstek złota

Aplikacja ultradźwiękowa:
Nanocząstki złota zostały morfologicznie zmodyfikowane pod wpływem intensywnego promieniowania ultradźwiękowego. Aby połączyć nanocząstki złota w strukturę podobną do hantli, wystarczająca okazała się obróbka ultradźwiękowa trwająca 20 minut w czystej wodzie i w obecności środków powierzchniowo czynnych. Po 60 minutach sonikacji nanocząstki złota uzyskują w wodzie strukturę przypominającą robaka lub pierścień. Stopione nanocząstki o kulistych lub owalnych kształtach były formowane ultradźwiękowo w obecności roztworów dodecylosiarczanu sodu lub dodecyloaminy.
Protokół leczenia ultradźwiękowego:
W przypadku modyfikacji ultradźwiękowej, koloidalny roztwór złota, składający się ze wstępnie uformowanych nanocząstek złota chronionych cytrynianem o średniej średnicy 25 nm (± 7 nm), poddano działaniu ultradźwięków w zamkniętej komorze reaktora (objętość około 50 ml). Koloidalny roztwór złota (0,97 mmol-L^-1) poddano działaniu ultradźwięków o wysokiej intensywności (40 W/cm^-2) przy użyciu ultrasonografu Hielscher UIP1000hdT (20 kHz, 1000 W) wyposażonego w sonotrodę BS2d18 ze stopu tytanu (średnica końcówki 0,7 cala), którą zanurzono około 2 cm pod powierzchnią sonikowanego roztworu. Koloidalne złoto było gazowane argonem (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. przed i podczas sonikacji z szybkością 200 ml-min.^-1 w celu wyeliminowania tlenu z roztworu. Porcja 35 ml każdego roztworu środka powierzchniowo czynnego bez dodatku dwuwodnego cytrynianu trisodu została dodana przez 15 ml wstępnie uformowanego złota koloidalnego, przedmuchiwanego argonem 20 min. przed i podczas obróbki ultradźwiękowej.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd z sonotrodą BS2d18 i reaktorem z komorą przepływową
Dokument referencyjny/badawczy:
Radziuk, D.; Grigoriev, D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ultrasound-Assisted Fusion of Preformed Gold Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835-1843.

Nawóz nieorganiczny – Ługowanie Cu, Cd i Pb do analizy

Aplikacja ultradźwiękowa:
Ekstrakcja Cu, Cd i Pb z nawozów nieorganicznych do celów analitycznych:
W przypadku ekstrakcji ultradźwiękowej miedzi, ołowiu i kadmu, próbki zawierające mieszaninę nawozu i rozpuszczalnika są sonikowane za pomocą urządzenia ultradźwiękowego, takiego jak sonikator VialTweeter do sonikacji pośredniej. Próbki nawozu poddano sonikacji w obecności 2 ml 50% (v/v) HNO₃ w szklanych probówkach przez 3 minuty. Ekstrakty Cu, Cd i Pb można oznaczyć za pomocą atomowej spektrometrii absorpcyjnej z atomizacją w płomieniu (FAAS).
Zalecane urządzenie:
VialTweeter
Dokument referencyjny/badawczy:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternatywna metoda analityczna oznaczania metali w nawozach nieorganicznych w oparciu o ekstrakcję wspomaganą ultradźwiękami. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/8. 2011. 1519-1524.

Synteza lateksu

Aplikacja ultradźwiękowa:
Przygotowanie lateksu P(St-BA)
Cząstki lateksu poli(akrylanu styrenu-r-butylu) P(St-BA) zsyntetyzowano metodą polimeryzacji emulsyjnej w obecności środka powierzchniowo czynnego DBSA. 1 g DBSA rozpuszczono najpierw w 100 ml wody w kolbie trójszyjnej, a wartość pH roztworu dostosowano do 2,0. Do roztworu DBSA wlano zmieszane monomery 2,80 g St i 8,40 g BA z inicjatorem AIBN (0,168 g). Emulsję O / W przygotowano przez mieszanie magnetyczne przez 1 godzinę, a następnie sonikację sonikatorem UIP1000hd wyposażonym w róg ultradźwiękowy (sonda / sonotroda) przez kolejne 30 minut w łaźni lodowej. Na koniec polimeryzację przeprowadzono w temperaturze 90 ° C w łaźni olejowej przez 2 godziny w atmosferze azotu.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd
Dokument referencyjny/badawczy:
Wytwarzanie elastycznych warstw przewodzących z poli(3,4-etylenodioksytiofenu)epoli(kwasu styrenosulfonowego) (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 (ługowanie soniczne)

Aplikacja ultradźwiękowa:
Ultradźwiękowe wymywanie ołowiu z zanieczyszczonej gleby:
Eksperymenty ługowania ultradźwiękowego przeprowadzono za pomocą homogenizatora ultradźwiękowego UP400S z tytanową sondą soniczną (średnica 14 mm), która działa z częstotliwością 20 kHz. Sonda ultradźwiękowa (sonotroda) została skalibrowana kalorymetrycznie z intensywnością ultradźwięków ustawioną na 51 ± 0,4 W cm^-2 dla wszystkich eksperymentów ługowania sonicznego. Eksperymenty ługowania sonicznego były termostatowane przy użyciu szklanej celi z płaskim dnem w temperaturze 25 ± 1°C. Trzy systemy zostały zastosowane jako roztwory do ługowania gleby (0,1 l) pod wpływem sonikacji: 6 ml 0,3 mol L^-2 roztworu kwasu octowego (pH 3,24), 3% (v/v) roztworu kwasu azotowego (pH 0,17) i buforu kwasu octowego/octanu (pH 4,79) przygotowanego przez zmieszanie 60 ml 0,3 mol L^-1 kwas octowy z 19 ml 0,5 mol L^-1 NaOH. Po procesie ługowania sonicznego próbki przefiltrowano bibułą filtracyjną w celu oddzielenia roztworu odcieku od gleby, a następnie elektrodepozycji ołowiu z roztworu odcieku i trawienia gleby po zastosowaniu ultradźwięków.
Udowodniono, że ultradźwięki są cennym narzędziem wspomagającym wymywanie ołowiu z zanieczyszczonej gleby. Ultradźwięki są również skuteczną metodą niemal całkowitego usuwania wypłukiwanego ołowiu z gleby, co skutkuje znacznie mniej niebezpieczną glebą.
Zalecane urządzenie:
UP400S z sonotrodą H14
Dokument referencyjny/badawczy:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultrasound Leaching and Electrochemical Treatment Combined for Lead Removal Soil. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195-199.

PBS – Synteza nanocząstek siarczku ołowiu

Aplikacja ultradźwiękowa:
W temperaturze pokojowej, 0,151 g octanu ołowiu (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) i 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) dodano do 5 ml cieczy jonowej [EMIM] [EtSO₄] i 15 ml podwójnie destylowanej wody w zlewce o pojemności 50 ml nałożonej na napromieniowanie ultradźwiękowe za pomocą sonikatora Hielscher UP200S przez 7 minut. Końcówkę sondy ultradźwiękowej / sonotrody S1 zanurzono bezpośrednio w roztworze reakcyjnym. Utworzoną ciemnobrązową zawiesinę odwirowano w celu usunięcia osadu i przemyto dwukrotnie podwójnie destylowaną wodą i etanolem w celu usunięcia nieprzereagowanych odczynników. Aby zbadać wpływ ultradźwięków na właściwości produktów, przygotowano jeszcze jedną próbkę porównawczą, utrzymując stałe parametry reakcji, z wyjątkiem tego, że produkt jest przygotowywany przy ciągłym mieszaniu przez 24 godziny bez pomocy promieniowania ultradźwiękowego.
Do przygotowania nanocząstek PbS zaproponowano syntezę wspomaganą ultradźwiękami w wodnej cieczy jonowej w temperaturze pokojowej. Ta pokojowa i przyjazna dla środowiska zielona metoda jest szybka i bez szablonów, co znacznie skraca czas syntezy i pozwala uniknąć skomplikowanych procedur syntetycznych. Przygotowane nanoklastry wykazują ogromne niebieskie przesunięcie o 3,86 eV, które można przypisać bardzo małym rozmiarom cząstek i efektowi ograniczenia kwantowego.
Zalecane urządzenie:
UP200S
Dokument referencyjny/badawczy:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Przygotowanie i charakterystyka nanocząstek PbS w wodnej cieczy jonowej [EMIM][EtSO4] za pomocą napromieniowania ultradźwiękowego w temperaturze pokojowej. Biuletyn Koreańskiego Towarzystwa Chemicznego 29/1, 2008. 53-56.

degradacja fenolu

Aplikacja ultradźwiękowa:
Rokhina et al. (2013) wykorzystali połączenie kwasu nadoctowego (PAA) i katalizatora heterogenicznego (MnO₂) do degradacji fenolu w roztworze wodnym pod wpływem promieniowania ultradźwiękowego. Ultradźwięki przeprowadzono przy użyciu ultrasonografu UP400S o mocy 400 W, który może sonifikować w sposób ciągły lub w trybie impulsowym (tj. 4 s włączony i 2 s wyłączony) przy stałej częstotliwości 24 kHz. Obliczona całkowita moc wejściowa, gęstość mocy i natężenie mocy rozproszonej w systemie wynosiły 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3i 14,3 W/cm^-2odpowiednio. Stała moc była używana przez cały czas trwania eksperymentów. Do kontroli temperatury wewnątrz reaktora zastosowano cyrkulator zanurzeniowy. Rzeczywisty czas sonikacji wynosił 4 godziny, chociaż rzeczywisty czas reakcji wynosił 6 godzin ze względu na pracę w trybie pulsacyjnym. W typowym eksperymencie szklany reaktor był wypełniony 100 ml roztworu fenolu (1,05 mM) i odpowiednimi dawkami katalizatora MnO2 i PAA (2%), w zakresie 0-2 g L^-1 i 0-150 ppm, odpowiednio. Wszystkie reakcje przeprowadzono przy neutralnym pH otoczenia, ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze pokojowej (22 ± 1 °C).
Dzięki ultradźwiękom powierzchnia katalizatora została zwiększona, co dało 4-krotnie większą powierzchnię bez zmian strukturalnych. Częstotliwości obrotu (TOF) zostały zwiększone z 7 x 10^-3 do 12,2 x 10^-3 min^-1w porównaniu do procesu cichego. Ponadto nie wykryto znaczącego wymywania katalizatora. Izotermiczne utlenianie fenolu przy stosunkowo niskich stężeniach odczynników wykazało wysokie szybkości usuwania fenolu (do 89%) w łagodnych warunkach. Ogólnie rzecz biorąc, ultradźwięki przyspieszyły proces utleniania w ciągu pierwszych 60 minut (70% usuwania fenolu w porównaniu z 40% podczas cichej obróbki).
Zalecane urządzenie:
UP400S
Dokument referencyjny/badawczy:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): MnO₂ Katalizowana homoliza kwasu nadoctowego do degradacji fenolu: Ocena chemii i kinetyki procesu. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476-486.

Fenol: Utlenianie fenolu przy użyciu RuI₃ jako katalizator

Aplikacja ultradźwiękowa:
Heterogeniczne wodne utlenianie fenolu nad RuI₃ z nadtlenkiem wodoru (H₂O₂): Katalityczne utlenianie fenolu (100 ppm) nad RuI₃ jako katalizatora badano w szklanym reaktorze o pojemności 100 ml wyposażonym w mieszadło magnetyczne i regulator temperatury. Mieszaninę reakcyjną mieszano z prędkością 800 obrotów na minutę przez 1-6 godzin, aby zapewnić całkowite wymieszanie w celu równomiernego rozprowadzenia i pełnego zawieszenia cząstek katalizatora. Podczas sonikacji nie wykonywano mechanicznego mieszania roztworu ze względu na zakłócenia spowodowane oscylacją i zapadaniem się pęcherzyków kawitacyjnych, co zapewnia niezwykle wydajne mieszanie. Napromieniowanie ultradźwiękowe roztworu przeprowadzono za pomocą przetwornika ultradźwiękowego UP400S wyposażonego w ultradźwięki (tzw. sonikator sondowy), zdolnego do pracy ciągłej lub w trybie impulsowym przy stałej częstotliwości 24 kHz i maksymalnej mocy wyjściowej 400 W.
Do eksperymentu użyto nietraktowanego RuI₃ jako katalizator (0,5-2 gL^-1) wprowadzono jako zawiesinę do pożywki reakcyjnej z następującym dodatkiem H2O2 (30%, stężenie w zakresie 200-1200 ppm).
Rokhina i in. stwierdzili w swoich badaniach, że promieniowanie ultradźwiękowe odegrało znaczącą rolę w modyfikacji właściwości teksturalnych katalizatora, tworząc mikroporowatą strukturę o większej powierzchni w wyniku fragmentacji cząstek katalizatora. Co więcej, miało to efekt promocyjny, zapobiegając aglomeracji cząstek katalizatora i poprawiając dostępność fenolu i nadtlenku wodoru do aktywnych miejsc katalizatora.
Dwukrotny wzrost wydajności procesu wspomaganego ultradźwiękami w porównaniu z cichym procesem utleniania przypisano lepszemu zachowaniu katalizatora i wytwarzaniu gatunków utleniających, takich jak -OH, -HO2 i -I₂ poprzez rozszczepienie wiązań wodorowych i rekombinację rodników.
Zalecane urządzenie:
UP400S
Dokument referencyjny/badawczy:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Wspomagane ultradźwiękami heterogeniczne rutenowe katalizowane mokre utlenianie nadtlenku fenolu. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162- 170.

Cząsteczki Ag/ZnO powlekane PLA

Aplikacja ultradźwiękowa:
Powlekanie PLA cząstek Ag/ZnO: Mikro- i submikrocząstki Ag/ZnO pokryte PLA przygotowano techniką odparowania rozpuszczalnika emulsji olej w wodzie. Metoda ta została przeprowadzona w następujący sposób. Najpierw 400 mg polimeru rozpuszczono w 4 ml chloroformu. Otrzymane stężenie polimeru w chloroformie wynosiło 100 mg/ml. Po drugie, roztwór polimeru emulgowano w wodnym roztworze różnych układów środków powierzchniowo czynnych (środek emulgujący, PVA 8-88) przy ciągłym mieszaniu za pomocą homogenizatora przy prędkości mieszania 24 000 obr. Mieszaninę mieszano przez 5 min. i w tym czasie tworzącą się emulsję chłodzono lodem. Stosunek wodnego roztworu surfaktantu do chloroformowego roztworu PLA był identyczny we wszystkich eksperymentach (4:1). Następnie otrzymaną emulsję poddano ultradźwiękowej sondy ultradźwiękowej UP400S (400W, 24kHz) przez 5 min. przy cyklu 0,5 i amplitudzie 35%. Na koniec przygotowaną emulsję przeniesiono do kolby Erlenmeyera, mieszano, a rozpuszczalnik organiczny odparowano z emulsji pod zmniejszonym ciśnieniem, co ostatecznie prowadzi do powstania zawiesiny cząstek. Po usunięciu rozpuszczalnika zawiesinę odwirowano trzykrotnie w celu usunięcia emulgatora.
Zalecane urządzenie:
UP400S
Dokument referencyjny/badawczy:
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.

Kompozyt polianilinowy

Aplikacja ultradźwiękowa:
Przygotowanie samodomieszkowanego kompozytu nano-polianiliny (SPAni) na bazie wody (Sc-WB)
W celu przygotowania kompozytu SPAni na bazie wody, 0,3 g SPAni, zsyntetyzowanego przy użyciu polimeryzacji in situ w środowisku ScCO2, rozcieńczono wodą i poddano sonikacji przez 2 minuty za pomocą homogenizatora ultradźwiękowego UIP1000hd o mocy 1000 W. Następnie produkt zawiesiny homogenizowano przez dodanie 125 gr matrycy utwardzacza na bazie wody przez 15 minut, a końcową sonikację przeprowadzono w temperaturze otoczenia przez 5 minut.
Zalecane urządzenie:
UIP1000hd
Dokument referencyjny/badawczy:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Protective Performance of Water-Based Epoxy Coating Containing ScCO2 Synthesized Self-Doped Nanopolyaniline. 2013.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne: Sonochemiczna degradacja naftalenu, acenaftylenu i fenantrenu

Aplikacja ultradźwiękowa:
W celu sonochemicznej degradacji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) naftalenu, acenaftylenu i fenantrenu w wodzie, mieszaniny próbek sonikowano w temperaturze 20◦C i 50 µg/l każdego docelowego WWA (150 µg/l całkowitego stężenia początkowego). Ultradźwięki zastosowano za pomocą ultrasonografu tubowego UP400S (400W, 24kHz), który może pracować w trybie ciągłym lub impulsowym. Sonikator UP400S był wyposażony w tytanową sondę H7 z końcówką o średnicy 7 mm. Reakcje przeprowadzono w cylindrycznym szklanym naczyniu reakcyjnym o pojemności 200 ml z tytanową tubą zamontowaną na górze naczynia reakcyjnego i uszczelnioną za pomocą O-ringów i zaworu teflonowego. Naczynie reakcyjne umieszczono w łaźni wodnej, aby kontrolować temperaturę procesu. Aby uniknąć reakcji fotochemicznych, naczynie zostało przykryte folią aluminiową.
Wyniki analizy wykazały, że konwersja WWA wzrasta wraz ze wzrostem czasu trwania sonikacji.
W przypadku naftalenu konwersja wspomagana ultradźwiękami (moc ultradźwięków ustawiona na 150 W) wzrosła z 77,6% osiągniętych po 30 minutach sonikacji do 84,4% po 60 minutach sonikacji.
W przypadku acenaftylenu konwersja wspomagana ultradźwiękami (moc ultradźwięków ustawiona na 150 W) wzrosła z 77,6% osiągniętych po 30 minutach sonikacji z mocą ultradźwięków 150 W do 84,4% po 60 minutach sonikacji z ultradźwiękami 150 W wzrosła z 80,7% osiągniętych po 30 minutach sonikacji z mocą ultradźwięków 150 W do 96,6% po 60 minutach sonikacji.
W przypadku fenantrenu konwersja wspomagana ultradźwiękami (moc ultradźwięków ustawiona na 150 W) wzrosła z 73,8% osiągniętych po 30 minutach sonikacji do 83,0% po 60 minutach sonikacji.
Aby zwiększyć wydajność degradacji, nadtlenek wodoru może być wykorzystywany bardziej efektywnie po dodaniu jonów żelaza. Wykazano, że dodanie jonów żelazawych ma działanie synergiczne symulujące reakcję podobną do reakcji Fentona.
Zalecane urządzenie:
UP400S z H7
Dokument referencyjny/badawczy:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Degradacja wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w roztworach wodnych za pomocą promieniowania ultradźwiękowego. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95-102.

Usuwanie warstwy tlenku z podłoża

Aplikacja ultradźwiękowa:
Aby przygotować podłoże przed wyhodowaniem nanodrutów CuO na podłożach Cu, wewnętrzną warstwę tlenku na powierzchni Cu usunięto za pomocą ultradźwięków w 0,7 M kwasie solnym przez 2 minuty za pomocą Hielscher UP200S. Próbkę czyszczono ultradźwiękowo w acetonie przez 5 minut w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych, dokładnie płukano wodą dejonizowaną (DI) i suszono sprężonym powietrzem.
Zalecane urządzenie:
UP200S lub UP200St
Dokument referencyjny/badawczy:
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 Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192-4199.

eksperymenty woltamperometryczne

Aplikacja ultradźwiękowa:
Do eksperymentów woltamperometrii wspomaganej ultradźwiękami zastosowano ultrasonograf UP200S firmy Hielscher o mocy 200 W wyposażony w szklany róg (końcówka o średnicy 13 mm). Ultradźwięki zastosowano z intensywnością 8 W/cm^-2.
Ze względu na wolne tempo dyfuzji nanocząstek w roztworach wodnych i dużą liczbę centrów redoks na nanocząstkę, bezpośrednia woltamperometria nanocząstek w fazie roztworu jest zdominowana przez efekty adsorpcji. Aby wykryć nanocząstki bez akumulacji spowodowanej adsorpcją, należy wybrać podejście eksperymentalne z (i) wystarczająco wysokim stężeniem nanocząstek, (ii) małymi elektrodami w celu poprawy stosunku sygnału do tła lub (iii) bardzo szybkim transportem masy.
Dlatego McKenzie i in. (2012) zastosowali ultradźwięki mocy, aby drastycznie poprawić szybkość transportu masy nanocząstek w kierunku powierzchni elektrody. W ich konfiguracji eksperymentalnej elektroda jest bezpośrednio narażona na działanie ultradźwięków o wysokiej intensywności z odległością elektrody od rogu 5 mm i mocą 8 W/cm.^-2 Intensywność sonikacji powodująca mieszanie i czyszczenie kawitacyjne. Testowy układ redoks, jednoelektronowa redukcja Ru(NH3)₆³⁺ w wodnym 0,1 M KCl, zastosowano do kalibracji szybkości transportu masy osiągniętej w tych warunkach.
Zalecane urządzenie:
UP200S lub UP200St
Dokument referencyjny/badawczy:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Direct electrochemistry of nanoparticulate Fe2O3 in aqueous solution and adsorbed onto tin-doped indium oxide. Pure Applied Chemistry, 73/12, 2001. 1885-1894.

Sonikatory do reakcji sonochemicznych od skali laboratoryjnej do przemysłowej

Hielscher oferuje pełną gamę ultradźwięków od ręcznego homogenizatora laboratoryjnego do pełnych sonikatorów przemysłowych do strumieni o dużej objętości. Wszystkie wyniki osiągnięte w małej skali podczas testów, R&D and optimization of an ultrasonic process, can be >linearly scaled up to full commercial production. Sonikatory Hielscher są niezawodne, wytrzymałe i przeznaczone do pracy w trybie 24/7.
Zapytaj nas, jak ocenić, zoptymalizować i skalować swój proces! Chętnie pomożemy Ci na wszystkich etapach – Od pierwszych testów i optymalizacji procesu po instalację na przemysłowej linii produkcyjnej!