Sonochimie: note de aplicație

Sonochimia reprezintă efectul cavitației ultrasonice asupra sistemelor chimice. Datorită condițiilor extreme care apar în „punctul fierbinte” (hot spot) cavitațional, ultrasunetele de putere sunt o metodă foarte eficientă pentru îmbunătățirea rezultatului reacției (randament mai mare, calitate mai bună), a conversiei și a duratei unei reacții chimice. Unele transformări chimice pot fi obținute numai sub sonicare, cum ar fi acoperirea nanometrică cu staniu a titanului sau a aluminiului.

Mai jos găsiți o selecție de particule și lichide, cu recomandările aferente privind modul de tratare a materialului pentru a măcina, dispersa, dezaglomera sau modifica particulele cu ajutorul unui omogenizator cu ultrasunete.

Mai jos găsiți câteva protocoale de sonicare pentru reacții sonochimice reușite!

În ordine alfabetică:

α-Epoxicetone – reacția de deschidere a ciclului

Aplicație ultrasonică:
Deschiderea catalitică a ciclului α-epoxicetonelor a fost realizată folosind o combinație de ultrasunete și metode fotochimice. Ca fotocatalizator a fost utilizat compusul 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate (NBTPT). Prin combinarea sonicării (sonochimie) și a fotochimiei acestor compuși în prezența NBTPT, s-a realizat deschiderea ciclului epoxidic. S-a demonstrat că utilizarea ultrasunetelor a crescut semnificativ viteza reacției fotoinduse. Ultrasunetele pot influența considerabil deschiderea fotocatalitică a ciclului α-epoxicetonelor, în principal datorită transferului de masă eficient al reactanților și stării excitate a NBTPT. De asemenea, transferul de electroni între speciile active în acest sistem omogen sub sonicare are loc
mai rapid decât în sistemul fără sonicare. Randamentele mai mari și timpii de reacție mai scurți sunt avantaje ale acestei metode.

Deschiderea fotocatalitică asistată de ultrasunete a ciclului α-epoxicetonelor (studiu și grafic: ©Memarian et al 2007)

Protocol de sonicare:
α-Epoxicetonele 1a-f și compusul 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate 2 au fost preparate conform procedurilor raportate. Metanolul a fost achiziționat de la Merck și distilat înainte de utilizare. Dispozitivul ultrasonic utilizat a fost un dispozitiv ultrasonic cu sondă UP400S de la Hielscher Ultrasonics GmbH. O sonotrodă ultrasonică de imersie S3 (cunoscută și ca sondă sau sonotrodă) care emite ultrasunete de 24 kHz la niveluri de intensitate reglabile până la o densitate maximă a puterii sonice de 460Wcm^-2 a fost utilizată. Sonicarea a fost efectuată la 100% (amplitudine maximă 210μm). Sonotroda S3 (adâncime maximă de imersie de 90mm) a fost imersată direct în amestecul de reacție. Iradierile UV au fost efectuate cu o lampă cu vapori de mercur de înaltă presiune de 400W de la Narva, cu răcirea probelor în sticlă Duran. Spectrele ¹H RMN ale amestecului de fotoproduși au fost măsurate în soluții de CDCl₃ conținând tetrametilsilan (TMS) ca standard intern, pe un Bruker drx-500 (500 MHz). Cromatografia preparativă în strat (PLC) a fost efectuată pe plăci de 20 × 20cm² acoperite cu un strat de 1mm de silicagel Merck PF₂₅₄ preparat prin aplicarea silicei sub formă de suspensie și uscare la aer. Toți produșii sunt cunoscuți, iar datele lor spectrale au fost raportate anterior.
Recomandare de dispozitiv:
UP400S cu sonotroda ultrasonică S3
Referință / lucrare de cercetare:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Deschiderea inelului catalitic fotoonochimic al α-epoxicetonelor. Jurnalul Beilstein de Chimie Organică 3/2, 2007.

Catalizator aluminiu/nichel: nanostructurarea aliajului Al/Ni

Aplicație ultrasonică:
Particulele de Al/Ni pot fi modificate sonochimic prin nanostructurarea aliajului Al/Ni inițial. Astfel se produce un catalizator eficient pentru hidrogenarea acetofenonei.
Prepararea ultrasonică a catalizatorului Al/Ni:
5g din aliajul comercial Al/Ni au fost dispersate în apă purificată (50mL) și sonicate până la 50 min. cu sonicatorul cu sondă UIP1000hd (1kW, 20kHz), echipat cu sonotroda ultrasonică BS2d22 (suprafața capului de 3,8 cm²) și booster-ul B2-1.8. Intensitatea maximă a fost calculată la 140 Wcm⁻² la o amplitudine mecanică de 106μm. Pentru a evita creșterea temperaturii în timpul sonicării, experimentul a fost efectuat într-o celulă termostatată. După sonicare, proba a fost uscată sub vid cu un pistol cu aer cald.
Recomandare de dispozitiv:
UIP1000hd cu sonotroda BS2d22 și booster-ul B2–1,2
Referință / lucrare de cercetare:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V .; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Activarea sonochimică a catalizatorului de hidrogenare Al/Ni. Materiale funcționale avansate 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterificarea biodieselului utilizând catalizator MgO

Aplicație ultrasonică:
Reacția de transesterificare a fost studiată sub amestecare ultrasonică constantă cu sonicatorul UP200S pentru diferiți parametri, precum cantitatea de catalizator, raportul molar dintre metanol și ulei, temperatura de reacție și durata reacției. Experimentele în regim discontinuu (batch) au fost efectuate într-un reactor din sticlă dură (300 ml, diametru interior 7 cm), cu capac cu două gâturi șlefuite. Un gât a fost conectat cu sonotroda din titan S7 (diametrul vârfului 7 mm) a procesorului ultrasonic UP200S (200W, 24kHz). Amplitudinea ultrasunetelor a fost setată la 50%, cu 1 ciclu pe secundă. Amestecul de reacție a fost sonicat pe toată durata reacției. Celălalt gât al camerei reactorului a fost prevăzut cu un condensator personalizat din oțel inoxidabil, răcit cu apă, pentru refluxarea metanolului evaporat. Întregul aparat a fost plasat într-o baie de ulei cu temperatură constantă, controlată de un regulator de temperatură proporțional-integral-derivativ. Temperatura poate fi ridicată până la 65°C cu o precizie de ±1°C. Ca materiale pentru transesterificarea biodieselului au fost utilizate ulei uzat și metanol de puritate 99,9%. Ca catalizator a fost utilizat MgO nanometric depus din fum (panglică de magneziu).
Un rezultat excelent al conversiei a fost obținut la 1,5 wt% catalizator; la un raport molar metanol/ulei de 5:1 și la 55°C, s-a obținut o conversie de 98,7% după 45 min.
Recomandare de dispozitiv:
UP200S cu sonotroda ultrasonică S7
Referință / lucrare de cercetare:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Studies on Sono-Chemical Biodiesel Production Using Smoke Deposited Nano MgO Catalyst. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Sinteza nanocompozitului cadmiu(II)-tioacetamidă

Aplicație ultrasonică:
Nanocompozitele cadmiu(II)-tioacetamidă au fost sintetizate pe cale sonochimică, în prezența și în absența alcoolului polivinilic. Pentru sinteza sonochimică (sono-sinteză), 0,532 g de acetat de cadmiu (II) dihidrat (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g de tioacetamidă (TAA, CH3CSNH2) și 0,664 g de iodură de potasiu (KI) au fost dizolvate în 20mL de apă deionizată bidistilată. Această soluție a fost sonicată cu un ultrasonicator cu sondă de mare putere UP400S (24 kHz, 400W) la temperatura camerei timp de 1 h. În timpul sonicării amestecului de reacție, temperatura a crescut la 70-80degC, măsurată cu un termocuplu fier–constantin. După o oră s-a format un precipitat galben strălucitor. Acesta a fost izolat prin centrifugare (4.000 rpm, 15 min), spălat cu apă bidistilată și apoi cu etanol absolut pentru îndepărtarea impurităților reziduale și, în final, uscat la aer (randament: 0,915 g, 68%). Punct de descompunere: 200°C. Pentru prepararea nanocompozitului polimeric, 1,992 g de alcool polivinilic au fost dizolvate în 20 mL de apă deionizată bidistilată și apoi adăugate în soluția de mai sus. Acest amestec a fost iradiat ultrasonic cu sonda ultrasonică UP400S timp de 1 h, când s-a format un produs portocaliu strălucitor.
Rezultatele SEM au demonstrat că, în prezența PVA, dimensiunile particulelor au scăzut de la aproximativ 38 nm la 25 nm. Apoi am sintetizat nanoparticule hexagonale de CdS cu morfologie sferică prin descompunerea termică a nanocompozitului polimeric cadmiu(II)-tioacetamidă/PVA ca precursor. Dimensiunea nanoparticulelor de CdS a fost măsurată atât prin XRD, cât și prin SEM, iar rezultatele au fost în foarte bună concordanță între ele.
Ranjbar et al. (2013) au constatat, de asemenea, că nanocompozitul polimeric de Cd(II) este un precursor adecvat pentru prepararea nanoparticulelor de sulfură de cadmiu cu morfologii interesante. Toate rezultatele au arătat că sinteza ultrasonică poate fi utilizată cu succes ca metodă simplă, eficientă, cu costuri reduse, ecologică și foarte promițătoare pentru sinteza materialelor nanometrice, fără a fi nevoie de condiții speciale, precum temperatură ridicată, timpi lungi de reacție și presiune ridicată.
Recomandare de dispozitiv:
UP400S
Referință / lucrare de cercetare:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Sinteza și caracterizarea nanocompozitelor cadmiu-tioacetamidă. Int. J. Nanosci. Nanotehnol. 9/4, 2013. 203-212.

CaCO3 – acoperit ultrasonic cu acid stearic

Aplicație ultrasonică:
Acoperirea ultrasonică a CaCO₃ nanoprecipitat (NPCC) cu acid stearic pentru a îmbunătăți dispersia acestuia în polimer și a reduce aglomerarea. 2g de CaCO₃ nanoprecipitat neacoperit (NPCC) au fost sonicate cu sonicatorul UP400S în 30ml de etanol. 9 wt% de acid stearic au fost dizolvate în etanol. Etanolul cu acid stearic a fost apoi amestecat cu suspensia sonicată.
Recomandare de dispozitiv:
UP400S cu sonotrodă cu diametrul de 22mm (H22D) și celulă de flux cu manta de răcire
Referință / lucrare de cercetare:
Kow, K. W .; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Efectele ultrasunetelor în acoperirea nano-precipitat CaCO3 cu acid stearic. Asia-Pacific Jurnalul de Inginerie Chimică 4/5, 2009. 807-813.

Silan dopat cu azotat de ceriu

Aplicație ultrasonică:
Ca substraturi metalice au fost utilizate plăci din oțel carbon laminat la rece (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; curățate chimic și lustruite mecanic). Înainte de aplicarea acoperirii, plăcile au fost curățate ultrasonic cu acetonă, apoi curățate cu o soluție alcalină (soluție de NaOH 0,3mol L1) la 60°C timp de 10 min. Pentru utilizarea ca grund, înainte de pretratarea substratului, o formulare tipică ce includea 50 de părți de γ-glicidoxipropiltrimetoxisilan (γ-GPS) a fost diluată cu aproximativ 950 de părți de metanol, la pH 4,5 (ajustat cu acid acetic), și lăsată pentru hidroliza silanului. Procedura de preparare a silanului dopat cu pigmenți de azotat de ceriu a fost aceeași, cu excepția faptului că 1, 2, 3 wt% de azotat de ceriu au fost adăugate în soluția de metanol înainte de adăugarea (γ-GPS), apoi această soluție a fost amestecată cu un agitator cu elice la 1600 rpm timp de 30 min. la temperatura camerei. Apoi, dispersiile conținând azotat de ceriu au fost sonicate timp de 30 min la 40°C cu o baie de răcire externă. Procesul de ultrasonicare a fost realizat cu ultrasonicatorul UIP1000hd (1000W, 20 kHz), cu o putere ultrasonică de intrare de aproximativ 1 W/mL. Pretratarea substratului a fost realizată prin clătirea fiecărei plăci timp de 100 sec. cu soluția de silan corespunzătoare. După tratare, plăcile au fost lăsate să se usuce la temperatura camerei timp de 24 h, apoi plăcile pretratate au fost acoperite cu un epoxid bicomponent întărit cu amine (Epon 828, shell Co.) pentru a obține o grosime a filmului umed de 90μm. Plăcile acoperite cu epoxid au fost lăsate să se întărească timp de 1h la 115°C; după întărirea acoperirilor epoxidice, grosimea filmului uscat a fost de aproximativ 60μm.
Recomandare de dispozitiv:
UIP1000hd
Referință / lucrare de cercetare:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Efectele electrochimice ale pretratamentelor silanice care conțin azotat de ceriu asupra proprietăților catodice de dezlipire ale oțelului acoperit cu epoxidice. Jurnalul de Știință și Tehnologie a aderenței 27/22, 2013. 2411–2420.

Structuri cupru-aluminiu: sinteza structurilor poroase Cu-Al

Aplicație ultrasonică:
Cuprul–aluminiul poros stabilizat cu oxid metalic este un nou catalizator alternativ promițător pentru dehidrogenarea propanului, lipsit de metale nobile sau periculoase. Structura aliajului poros Cu–Al oxidat (burete metalic) este similară cu cea a metalelor de tip Raney. Ultrasunetele de mare putere sunt un instrument al chimiei verzi pentru sinteza structurilor poroase cupru–aluminiu stabilizate cu oxid metalic. Acestea sunt ieftine (cost de producție de aprox. 3 EUR/litru), iar metoda poate fi scalată cu ușurință. Aceste noi materiale poroase (sau „bureți metalici”) au un miez masiv din aliaj și o suprafață oxidată și pot cataliza dehidrogenarea propanului la temperaturi scăzute.
Procedura pentru prepararea ultrasonică a catalizatorului:
Cinci grame de pulbere de aliaj Al–Cu au fost dispersate în apă ultrapură (50mL) și sonicate timp de 60 min cu sonicatorul cu sondă Hielscher UIP1000hd (20kHz, putere maximă de ieșire 1000W). Dispozitivul ultrasonic cu sondă a fost echipat cu o sonotrodă BS2d22 (suprafața vârfului 3,8cm²) și booster-ul B2–1,2. Intensitatea maximă a fost calculată la 57 W/cm² la o amplitudine mecanică de 81μm. În timpul tratamentului, proba a fost răcită într-o baie de gheață. După tratament, proba a fost uscată la 120°C timp de 24 h.
Recomandare de dispozitiv:
UIP1000hd cu sonotroda BS2d22 și booster-ul B2–1,2
Referință / lucrare de cercetare:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Catalizatori noi și eficienți de dehidrogenare a propanului cupru-aluminiu. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254-12256.

Degradarea ftalocianinei de cupru

Aplicație ultrasonică:
Decolorarea și distrugerea metaloftalocianinelor
Ftalocianina de cupru este sonicată cu apă și solvenți organici la temperatura ambiantă și presiune atmosferică, în prezența unei cantități catalitice de oxidant, utilizând ultrasonicatorul de 500W UIP500hd cu cameră fold-trough, la un nivel de putere de 37–59 W/cm²: 5 mL de probă (100 mg/L), 50 D/D apă cu cloroform și piridină la 60% din amplitudinea ultrasonică. Temperatura de reacție: 20°C.
Recomandare de dispozitiv:
UIP500hd

Aur: modificarea morfologică a nanoparticulelor de aur

Aplicație ultrasonică:
Nanoparticulele de aur au fost modificate morfologic sub iradiere ultrasonică intensă. Pentru fuzionarea nanoparticulelor de aur într-o structură de tip halteră, s-a constatat că este suficient un tratament ultrasonic de 20 min. în apă pură și în prezența surfactanților. După 60 min. de sonicare, nanoparticulele de aur capătă în apă o structură de tip vierme sau de tip inel. Nanoparticule fuzionate cu forme sferice sau ovale au fost formate ultrasonic în prezența soluțiilor de dodecil sulfat de sodiu sau de dodecilamină.
Protocolul tratamentului ultrasonic:
Pentru modificarea ultrasonică, soluția de aur coloidal, constând din nanoparticule de aur preformate protejate cu citrat, cu un diametru mediu de 25nm (± 7nm), a fost sonicată într-o cameră de reactor închisă (volum de aprox. 50mL). Soluția de aur coloidal (0,97 mmol·L^-1) a fost iradiată ultrasonic la intensitate ridicată (40 W/cm^-2) utilizând un ultrasonicator Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W) echipat cu o sonotrodă BS2d18 din aliaj de titan (diametrul vârfului 0,7 inch), care a fost imersată la aproximativ 2 cm sub suprafața soluției sonicate. Aurul coloidal a fost barbotat cu argon (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) cu 20 min. înainte și în timpul sonicării, la un debit de 200 mL·min^-1 pentru a elimina oxigenul din soluție. O porțiune de 35 mL din fiecare soluție de surfactant, fără adaos de citrat trisodic dihidrat, a fost combinată cu 15 mL de aur coloidal preformat, cu barbotare de argon gazos cu 20 min. înainte și în timpul tratamentului ultrasonic.
Recomandare de dispozitiv:
UIP1000hd cu sonotroda BS2d18 și reactor cu celulă de flux
Referință / lucrare de cercetare:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W .; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Fuziunea asistată cu ultrasunete a nanoparticulelor de aur preformate. Jurnalul de Chimie Fizică C 114, 2010. 1835–1843.

Îngrășăminte anorganice – leșierea Cu, Cd și Pb pentru analiză

Aplicație ultrasonică:
Extracția Cu, Cd și Pb din îngrășăminte anorganice în scop analitic:
Pentru extracția ultrasonică a cuprului, plumbului și cadmiului, probele conținând un amestec de îngrășământ și solvent sunt sonicate cu un dispozitiv ultrasonic precum sonicatorul VialTweeter, pentru sonicare indirectă. Probele de îngrășământ au fost sonicate în prezența a 2mL de soluție 50% (v/v) de HNO₃ în tuburi de sticlă timp de 3 minute. Extractele de Cu, Cd și Pb pot fi determinate prin spectrometrie de absorbție atomică în flacără (FAAS).
Recomandare de dispozitiv:
VialTweeter
Referință / lucrare de cercetare:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Metoda analitică alternativă pentru determinarea metalelor în îngrășămintele anorganice bazată pe extracția asistată cu ultrasunete. Jurnalul Societății Braziliene de Chimie 22/ 8. 2011. 1519-1524.

Sinteza latexului

Aplicație ultrasonică:
Prepararea latexului P(St-BA)
Particulele de latex de poli(stiren-r-acrilat de butil) P(St-BA) au fost sintetizate prin polimerizare în emulsie, în prezența surfactantului DBSA. Mai întâi, 1 g de DBSA a fost dizolvat în 100mL de apă într-un balon cu trei gâturi, iar valoarea pH a soluției a fost ajustată la 2,0. Monomerii amestecați, 2,80g St și 8,40g BA, împreună cu inițiatorul AIBN (0,168g), au fost turnați în soluția de DBSA. Emulsia ulei-în-apă (O/W) a fost preparată prin agitare magnetică timp de 1 h, urmată de sonicare cu sonicatorul UIP1000hd echipat cu sonotrodă ultrasonică (sondă/ sonotrodă) încă 30 min. în baia de gheață. În final, polimerizarea a fost efectuată la 90degC într-o baie de ulei timp de 2h, sub atmosferă de azot.
Recomandare de dispozitiv:
UIP1000hd
Referință / lucrare de cercetare:
Fabricarea filmelor conductoare flexibile derivate din poli(3,4-etilendioxitiofen)epoli(acid stirensulfonic) (PEDOT:PSS) pe substratul țesăturilor nețesute. Chimia și fizica materialelor 143, 2013. 143-148.
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre sono-sinteza latexului!

Îndepărtarea plumbului (sono-leșiere)

Aplicație ultrasonică:
Leșierea ultrasonică a plumbului din solul contaminat:
Experimentele de leșiere cu ultrasunete au fost efectuate cu un omogenizator cu ultrasunete UP400S cu o sondă sonică din titan (diametru 14mm), care funcționează la o frecvență de 20kHz. Sonda ultrasonică (sonotroda) a fost calibrată calorimetric, cu intensitatea ultrasonică setată la 51 ± 0,4 W cm^-2 pentru toate experimentele de sono-leșiere. Experimentele de sono-leșiere au fost termostatate folosind o celulă de sticlă cu manta și fund plat, la 25 ± 1°C. Sub sonicare au fost utilizate trei sisteme ca soluții de leșiere a solului (0,1L): 6 mL de 0,3 mol L^-2 de soluție de acid acetic (pH 3,24), soluție de acid azotic 3% (v/v) (pH 0,17) și un tampon acid acetic/acetat (pH 4,79), preparat prin amestecarea a 60mL de 0,3 mol L^-1 acid acetic cu 19 mL de 0,5 mol L^-1 NaOH. După procesul de sono-leșiere, probele au fost filtrate prin hârtie de filtru pentru a separa soluția de levigat de sol, urmată de electrodepunerea plumbului din soluția de levigat și de digestia solului după aplicarea ultrasunetelor.
S-a demonstrat că ultrasunetele sunt un instrument valoros pentru intensificarea leșierii plumbului din solul poluat. Ultrasunetele sunt, de asemenea, o metodă eficientă pentru îndepărtarea aproape totală a plumbului leșiabil din sol, rezultând un sol mult mai puțin periculos.
Recomandare de dispozitiv:
UP400S cu sonotroda H14
Referință / lucrare de cercetare:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Leșierea cu ultrasunete și tratamentul electrochimic combinate pentru solul de îndepărtare a plumbului. Jurnalul de materiale noi pentru sisteme electrochimice 10, 2007. 195-199.

PbS – sinteza nanoparticulelor de sulfură de plumb

Aplicație ultrasonică:
La temperatura camerei, 0,151 g de acetat de plumb (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) și 0,03 g de TAA (CH₃CSNH₂) au fost adăugate la 5mL de lichid ionic, [EMIM] [EtSO₄], și la 15mL de apă bidistilată, într-un pahar Berzelius de 50mL supus iradierii ultrasonice cu sonicatorul Hielscher UP200S timp de 7 min. Vârful sondei ultrasonice/ sonotrodei S1 a fost imersat direct în soluția de reacție. Suspensia de culoare maro închis formată a fost centrifugată pentru separarea precipitatului și spălată de două ori cu apă bidistilată și, respectiv, cu etanol, pentru îndepărtarea reactivilor nereacționați. Pentru a investiga efectul ultrasunetelor asupra proprietăților produselor, a fost preparată încă o probă comparativă, menținând constanți parametrii de reacție, cu excepția faptului că produsul este preparat sub agitare continuă timp de 24 h, fără ajutorul iradierii ultrasonice.
Sinteza asistată ultrasonic în lichid ionic apos la temperatura camerei a fost propusă pentru prepararea nanoparticulelor de PbS. Această metodă verde, la temperatura camerei și ecologică, este rapidă și fără șablon, ceea ce scurtează remarcabil timpul de sinteză și evită procedurile sintetice complicate. Nanoclusterele astfel preparate prezintă o deplasare spre albastru enormă, de 3,86 eV, care poate fi atribuită dimensiunii foarte mici a particulelor și efectului de confinare cuantică.
Recomandare de dispozitiv:
UP200S
Referință / lucrare de cercetare:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Prepararea și caracterizarea facilă, la temperatura camerei, a nanoparticulelor de PbS în soluție apoasă de [EMIM][EtSO4] lichid ionic prin iradiere ultrasonică. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53-56.

Degradarea fenolului

Aplicație ultrasonică:
Rokhina et al. (2013) au utilizat combinația de acid peracetic (PAA) și catalizator eterogen (MnO₂) pentru degradarea fenolului într-o soluție apoasă sub iradiere ultrasonică. Ultrasonicarea a fost efectuată cu un ultrasonicator cu sondă de 400W UP400S, capabil să sonicheze fie continuu, fie în mod pulsat (adică 4 sec. pornit și 2 sec. oprit), la o frecvență fixă de 24 kHz. Puterea totală introdusă, densitatea de putere și intensitatea puterii disipate în sistem, calculate, au fost de 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, respectiv 14,3 W/cm^-2. Puterea fixă a fost utilizată pe parcursul tuturor experimentelor. Pentru controlul temperaturii în interiorul reactorului s-a utilizat o unitate de circulație cu imersie. Timpul efectiv de sonicare a fost de 4 h, deși timpul real de reacție a fost de 6 h din cauza funcționării în mod pulsat. Într-un experiment tipic, reactorul de sticlă a fost umplut cu 100mL de soluție de fenol (1,05 mM) și doze corespunzătoare de catalizator MnO2 și PAA (2%), cuprinse între 0–2 g L^-1 și, respectiv, 0–150 ppm. Toate reacțiile au fost efectuate la pH aproape neutru, presiune atmosferică și temperatura camerei (22 ± 1 °C).
Prin ultrasonicare, aria suprafeței catalizatorului a crescut, rezultând o arie a suprafeței de 4 ori mai mare, fără modificări de ordin structural. Frecvențele de turnover (TOF) au crescut de la 7 x 10^-3 la 12,2 x 10^-3 min^-1, în comparație cu procesul fără ultrasunete. În plus, nu a fost detectată o leșiere semnificativă a catalizatorului. Oxidarea izotermă a fenolului la concentrații relativ scăzute de reactivi a demonstrat rate ridicate de îndepărtare a fenolului (până la 89%) în condiții blânde. În general, ultrasunetele au accelerat procesul de oxidare în primele 60 min. (70% îndepărtare a fenolului vs. 40% în timpul tratamentului fără ultrasunete).
Recomandare de dispozitiv:
UP400S
Referință / lucrare de cercetare:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultrasound-assisted MnO₂ Homoliza catalizată a acidului peracetic pentru degradarea fenolului: Evaluarea chimiei și cineticii procesului. Jurnalul de inginerie chimică 221, 2013. 476–486.

Fenol: oxidarea fenolului utilizând RuI₃ drept catalizator

Aplicație ultrasonică:
Oxidarea apoasă eterogenă a fenolului pe RuI₃ cu peroxid de hidrogen (H₂O₂): Oxidarea catalitică a fenolului (100 ppm) pe RuI₃ drept catalizator a fost studiată într-un reactor de sticlă de 100 mL echipat cu un agitator magnetic și un regulator de temperatură. Amestecul de reacție a fost agitat la o viteză de 800 rpm timp de 1–6 ore pentru a asigura o amestecare completă, în vederea distribuției uniforme și a suspendării complete a particulelor de catalizator. În timpul sonicării nu s-a efectuat agitarea mecanică a soluției, din cauza perturbării cauzate de oscilația și colapsul bulelor de cavitație, care asigură ea însăși o amestecare extrem de eficientă. Iradierea ultrasonică a soluției a fost realizată cu un traductor ultrasonic UP400S echipat cu ultrasunete (așa-numitul sonicator cu sondă), capabil să funcționeze fie continuu, fie în mod pulsat, la o frecvență fixă de 24 kHz și o putere maximă de ieșire de 400W.
Pentru experiment, RuI₃ netratat, drept catalizator (0,5–2 gL^-1), a fost introdus sub formă de suspensie în mediul de reacție, urmat de adăugarea de H2O2 (30%, concentrație în intervalul 200–1200 ppm).
Rokhina et al. au constatat în studiul lor că iradierea ultrasonică a jucat un rol important în modificarea proprietăților texturale ale catalizatorului, producând o structură microporoasă cu o arie a suprafeței mai mare ca urmare a fragmentării particulelor de catalizator. Mai mult, aceasta a avut un efect promotor, prevenind aglomerarea particulelor de catalizator și îmbunătățind accesibilitatea fenolului și a peroxidului de hidrogen la centrii activi ai catalizatorului.
Creșterea de două ori a eficienței procesului asistat de ultrasunete, în comparație cu procesul de oxidare fără ultrasunete, a fost atribuită comportamentului catalitic îmbunătățit al catalizatorului și generării de specii oxidante precum •OH, •HO2 și •I₂ prin scindarea legăturilor de hidrogen și recombinarea radicalilor.
Recomandare de dispozitiv:
UP400S
Referință / lucrare de cercetare:
Rokhina, E. V .; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Oxidarea peroxidului umed al fenolului catalizată de ruteniu eterogen asistată cu ultrasunete. Cataliza B aplicată: Mediu 87, 2009. 162– 170.

Particule de Ag/ZnO acoperite cu PLA

Aplicație ultrasonică:
Acoperirea cu PLA a particulelor de Ag/ZnO: micro- și submicroparticulele de Ag/ZnO acoperite cu PLA au fost preparate prin tehnica evaporării solventului din emulsie ulei-în-apă. Această metodă a fost realizată după cum urmează. Mai întâi, 400 mg de polimer au fost dizolvate în 4 ml de cloroform. Concentrația rezultată a polimerului în cloroform a fost de 100 mg/ml. Apoi, soluția de polimer a fost emulsionată în soluție apoasă a diferitelor sisteme de surfactanți (agent de emulsionare, PVA 8-88), sub agitare continuă cu un omogenizator, la o viteză de agitare de 24.000 rpm. Amestecul a fost agitat timp de 5 min., iar în această perioadă emulsia în formare a fost răcită cu gheață. Raportul dintre soluția apoasă de surfactant și soluția de PLA în cloroform a fost identic în toate experimentele (4:1). Ulterior, emulsia obținută a fost ultrasonicată cu un dispozitiv ultrasonic cu sondă UP400S (400W, 24kHz) timp de 5 min. la ciclul 0,5 și amplitudinea 35%. În final, emulsia preparată a fost transferată în balonul Erlenmeyer, agitată, iar solventul organic a fost evaporat din emulsie sub presiune redusă, ceea ce duce în final la formarea suspensiei de particule. După îndepărtarea solventului, suspensia a fost centrifugată de trei ori pentru îndepărtarea emulgatorului.
Recomandare de dispozitiv:
UP400S
Referință / lucrare de cercetare:
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.

Compozit de polianilină

Aplicație ultrasonică:
Prepararea compozitului de nano-polianilină autodopată (SPAni) pe bază de apă (Sc-WB)
Pentru prepararea compozitului SPAni pe bază de apă, 0,3 gr de SPAni, sintetizată prin polimerizare in situ în mediu de ScCO2, a fost diluată cu apă și sonicată timp de 2 minute cu un omogenizator cu ultrasunete de 1000W UIP1000hd. Apoi, produsul în suspensie a fost omogenizat prin adăugarea a 125 gr de matrice de întăritor pe bază de apă timp de 15 min., iar sonicarea finală a fost efectuată la temperatura ambiantă timp de 5 min.
Recomandare de dispozitiv:
UIP1000hd
Referință / lucrare de cercetare:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E .; Ghanbarzadeh, A. (2013): Performanța protectoare a acoperirii epoxidice pe bază de apă care conține nanopolianilină autodopată sintetizată ScCO2. 2013.

Hidrocarburi aromatice policiclice: degradarea sonochimică a naftalinei, acenaftilenei și fenantrenului

Aplicație ultrasonică:
Pentru degradarea sonochimică a hidrocarburilor aromatice policiclice (HAP) naftalină, acenaftilenă și fenantren în apă, amestecurile de probe au fost sonicate la 20◦C și 50 µg/l din fiecare HAP țintă (150 µg/l concentrație inițială totală). Ultrasonicarea a fost aplicată cu un ultrasonicator cu sonotrodă UP400S (400W, 24kHz), capabil să funcționeze fie în mod continuu, fie în mod pulsat. Sonicatorul UP400S a fost echipat cu o sondă din titan H7 cu vârf cu diametrul de 7 mm. Reacțiile au fost efectuate într-un vas de reacție cilindric din sticlă de 200 mL, cu sonotroda din titan montată pe partea superioară a vasului de reacție și etanșată cu inele O și o supapă din teflon. Vasul de reacție a fost plasat într-o baie de apă pentru controlul temperaturii procesului. Pentru a evita orice reacții fotochimice, vasul a fost acoperit cu folie de aluminiu.
Rezultatele analizei au arătat că conversia HAP crește odată cu creșterea duratei de sonicare.
Pentru naftalină, conversia asistată ultrasonic (puterea ultrasunetelor setată la 150W) a crescut de la 77,6%, obținută după 30 min. de sonicare, la 84,4% după 60 min. de sonicare.
Pentru acenaftilenă, conversia asistată ultrasonic (puterea ultrasunetelor setată la 150W) a crescut de la 77,6%, obținută după 30 min. de sonicare cu o putere ultrasonică de 150W, la 84,4% după 60 min. de sonicare cu ultrasunete de 150W a crescut de la 80,7%, obținută după 30 min. de sonicare cu o putere ultrasonică de 150W, la 96,6% după 60 min. de sonicare.
Pentru fenantren, conversia asistată ultrasonic (puterea ultrasunetelor setată la 150W) a crescut de la 73,8%, obținută după 30 min. de sonicare, la 83,0% după 60 min. de sonicare.
Pentru a spori eficiența degradării, peroxidul de hidrogen poate fi utilizat mai eficient atunci când se adaugă ion feros. S-a demonstrat că adăugarea ionului feros are efecte sinergice, simulând o reacție de tip Fenton.
Recomandare de dispozitiv:
UP400S cu H7
Referință / lucrare de cercetare:
Psillakis, E .; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Degradarea hidrocarburilor aromatice policiclice în soluții apoase prin iradiere cu ultrasunete. Jurnalul de materiale periculoase B108, 2004. 95–102.

Îndepărtarea stratului de oxid de pe substraturi

Aplicație ultrasonică:
Pentru pregătirea substratului înainte de creșterea nanofirelor de CuO pe substraturi de Cu, stratul de oxid intrinsec de pe suprafața Cu a fost îndepărtat prin ultrasonicarea probei în acid clorhidric 0,7 M timp de 2 min. cu un Hielscher UP200S. Proba a fost curățată ultrasonic în acetonă timp de 5 min. pentru îndepărtarea contaminanților organici, clătită temeinic cu apă deionizată (DI) și uscată cu aer comprimat.
Recomandare de dispozitiv:
UP200S sau UP200St
Referință / lucrare de cercetare:
Mashock, M.; Yu, K .; Cui, S.; Mao, S .; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modularea proprietăților de detectare a gazelor ale nanofirelor CuO prin crearea de joncțiuni p−n discrete nanodimensionate pe suprafețele lor. Materiale aplicate ACS & Interfețe 4, 2012. 4192-4199.

Experimente de voltametrie

Aplicație ultrasonică:
Pentru experimentele de voltametrie îmbunătățite cu ultrasunete s-a utilizat un ultrasonicator Hielscher UP200S de 200 de wați, echipat cu sonotrodă din sticlă (vârf cu diametrul de 13 mm). Ultrasunetele au fost aplicate cu o intensitate de 8 W/cm^–2.
Din cauza vitezei lente de difuzie a nanoparticulelor în soluții apoase și a numărului mare de centri redox per nanoparticulă, voltametria directă în fază de soluție a nanoparticulelor este dominată de efecte de adsorbție. Pentru a detecta nanoparticulele fără acumulare datorată adsorbției, trebuie ales un demers experimental cu (i) o concentrație suficient de mare de nanoparticule, (ii) electrozi mici pentru îmbunătățirea raportului semnal/fond sau (iii) un transport de masă foarte rapid.
Prin urmare, McKenzie et al. (2012) au utilizat ultrasunete de putere pentru a îmbunătăți drastic viteza transportului de masă al nanoparticulelor către suprafața electrodului. În configurația lor experimentală, electrodul este expus direct la ultrasunete de intensitate ridicată, cu o distanță electrod–sonotrodă de 5 mm și o intensitate de sonicare de 8 W/cm^–2 rezultând agitare și curățare cavitațională. Un sistem redox de test, reducerea cu un electron a Ru(NH3)₆³⁺ în KCl 0,1 M apos, a fost utilizat pentru calibrarea vitezei transportului de masă obținute în aceste condiții.
Recomandare de dispozitiv:
UP200S sau UP200St
Referință / lucrare de cercetare:
McKenzie, K. J .; Marken, F. (2001): Electrochimia directă a nanoparticulelor Fe2O3 în soluție apoasă și adsorbită pe oxid de indiu dopat cu staniu. Chimie pură aplicată, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Sonicatoare pentru reacții sonochimice de la scară de laborator la scară industrială

Hielscher oferă întreaga gamă de ultrasonicatoare, de la omogenizatorul de laborator ținut în mână până la sonicatoare industriale complete pentru fluxuri de volume mari. Toate rezultatele obținute la scară mică în timpul testării, al cercetării-dezvoltării (C&D) și al optimizării unui proces ultrasonic pot fi >scalate liniar până la producția comercială completă. Sonicatoarele Hielscher sunt fiabile, robuste și construite pentru funcționare 24/7.
Întrebați-ne cum să evaluați, optimizați și scalați procesul dumneavoastră! Vă stăm cu plăcere la dispoziție în toate etapele – de la primele teste și optimizarea procesului până la instalarea în linia dumneavoastră de producție industrială!