Сонохимия: рекомендации по применению

Сонохимия – это воздействие ультразвуковой кавитации на химические системы. Благодаря экстремальным условиям, возникающим в кавитационной «горячей точке», мощный ультразвук является очень эффективным методом улучшения результатов реакции (более высокий выход, лучшее качество), степени превращения и продолжительности химической реакции. Некоторые химические изменения могут быть достигнуты только при обработке ультразвуком, например нанесение наноразмерного оловянного покрытия на титан или алюминий.

Ниже представлена подборка частиц и жидкостей с соответствующими рекомендациями по обработке материала для измельчения, диспергирования, деагломерации или модификации частиц с помощью ультразвукового гомогенизатора.

Ниже приведены протоколы обработки ультразвуком для успешного проведения сонохимических реакций!

В алфавитном порядке:

α-Эпоксикетоны – реакция раскрытия цикла

Применение ультразвука:
Каталитическое раскрытие цикла α-эпоксикетонов проводили с использованием сочетания ультразвука и фотохимических методов. В качестве фотокатализатора использовали 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate (NBTPT). Сочетание обработки ультразвуком (сонохимии) и фотохимии этих соединений в присутствии NBTPT позволило раскрыть эпоксидный цикл. Было показано, что использование ультразвука значительно увеличивает скорость фотоиндуцированной реакции. Ультразвук может существенно влиять на фотокаталитическое раскрытие цикла α-эпоксикетонов преимущественно благодаря эффективному массопереносу реагентов и возбуждённому состоянию NBTPT. Кроме того, перенос электронов между активными частицами в этой гомогенной системе при обработке ультразвуком происходит
быстрее, чем в системе без обработки ультразвуком. Более высокий выход и более короткое время реакции являются преимуществами этого метода.

Фотокаталитическое раскрытие цикла α-эпоксикетонов при содействии ультразвука (исследование и иллюстрация: ©Memarian et al 2007)

Протокол обработки ультразвуком:
α-Эпоксикетоны 1a-f и 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate 2 были получены по опубликованным методикам. Метанол приобрели у Merck и перегнали перед использованием. В качестве ультразвукового устройства использовали зондовый ультразвуковой аппарат UP400S производства Hielscher Ultrasonics GmbH. Погружной ультразвуковой излучатель S3 (также называемый зондом или сонотродом) с частотой излучаемого ультразвука 24 kHz и регулируемой интенсивностью вплоть до максимальной плотности акустической мощности 460Wcm^-2 использовали. Обработку ультразвуком проводили при 100% (максимальная амплитуда 210μm). Сонотрод S3 (максимальная глубина погружения 90mm) погружали непосредственно в реакционную смесь. УФ-облучение проводили с помощью ртутной лампы высокого давления Narva мощностью 400W с охлаждением образцов в стекле Duran. Спектры ЯМР ¹H смеси фотопродуктов измеряли в растворах CDCl₃ , содержащих тетраметилсилан (TMS) в качестве внутреннего стандарта, на приборе Bruker drx-500 (500 MHz). Препаративную слойную хроматографию (PLC) проводили на пластинах размером 20 × 20cm² со слоем толщиной 1mm силикагеля Merck PF₂₅₄ после его нанесения в виде суспензии и сушки на воздухе. Все продукты известны, и их спектральные данные были опубликованы ранее.
Рекомендуемое устройство:
UP400S с ультразвуковым излучателем S3
Источник / научная статья:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Фотосонохимическое каталитическое раскрытие цикла α-эпоксикетонов. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Алюминиево-никелевый катализатор: наноструктурирование сплава Al/Ni

Применение ультразвука:
Частицы Al/Ni можно модифицировать сонохимическим методом путём наноструктурирования исходного сплава Al/Ni. Таким образом получают эффективный катализатор гидрирования ацетофенона.
Получение катализатора Al/Ni с помощью ультразвука:
5g коммерческого сплава Al/Ni диспергировали в очищенной воде (50mL) и обрабатывали ультразвуком до 50 min. с помощью зондового ультразвукового аппарата UIP1000hd (1kW, 20kHz), оснащённого ультразвуковым излучателем BS2d22 (площадь торца 3,8 cm²) и бустером B2-1.8. Расчётная максимальная интенсивность составляла 140 Wcm⁻² при механической амплитуде 106μm. Чтобы избежать повышения температуры при обработке ультразвуком, эксперимент проводили в термостатируемой ячейке. После обработки ультразвуком образец сушили под вакуумом с помощью термофена.
Рекомендуемое устройство:
UIP1000hd с сонотродом BS2d22 и бустером B2–1,2
Источник / научная статья:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Сонохимическая активация катализатора гидрирования Al/Ni. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Переэтерификация при производстве биодизеля с использованием катализатора MgO

Применение ультразвука:
Реакцию переэтерификации исследовали при постоянном ультразвуковом перемешивании с помощью ультразвукового аппарата UP200S при различных параметрах, таких как количество катализатора, молярное соотношение метанола и масла, температура и продолжительность реакции. Периодические эксперименты проводили в реакторе из твёрдого стекла (300 ml, внутренний диаметр 7 cm) с крышкой с двумя горловинами со шлифованными соединениями. В одну горловину устанавливали титановый сонотрод S7 (диаметр наконечника 7 mm) ультразвукового процессора UP200S (200W, 24kHz). Амплитуду ультразвука устанавливали на 50% при 1 цикле в секунду. Реакционную смесь обрабатывали ультразвуком на протяжении всего времени реакции. Другую горловину реакционной камеры оснащали изготовленным по специальному заказу водоохлаждаемым конденсатором из нержавеющей стали для возврата испарившегося метанола. Весь аппарат помещали в масляную баню с постоянной температурой, регулируемой пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором температуры. Температуру можно повышать до 65°C с точностью ±1°C. В качестве сырья для переэтерификации при производстве биодизеля использовали отработанное масло и метанол чистотой 99,9%. В качестве катализатора использовали наноразмерный MgO, осаждённый из дыма (магниевая лента).
Отличный результат превращения был получен при содержании катализатора 1,5 wt%; при молярном соотношении метанола и масла 5:1 и температуре 55°C степень превращения 98,7% была достигнута через 45 min.
Рекомендуемое устройство:
UP200S с ультразвуковым сонотродом S7
Источник / научная статья:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Исследования сонохимического производства биодизеля с использованием катализатора из наноразмерного MgO, осаждённого из дыма. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Синтез нанокомпозита кадмий(II)–тиоацетамид

Применение ультразвука:
Нанокомпозиты кадмий(II)–тиоацетамид синтезировали сонохимическим методом в присутствии и в отсутствие поливинилового спирта. Для сонохимического синтеза (соносинтеза) 0,532 g дигидрата ацетата кадмия(II) (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g тиоацетамида (TAA, CH3CSNH2) и 0,664 g иодида калия (KI) растворяли в 20mL дважды дистиллированной деионизированной воды. Этот раствор обрабатывали ультразвуком с помощью мощного зондового ультразвукового аппарата UP400S (24 kHz, 400W) при комнатной температуре в течение 1 h. Во время обработки реакционной смеси ультразвуком температура повышалась до 70–80degC по измерениям термопары железо–constantin. Через один час образовывался ярко-жёлтый осадок. Его выделяли центрифугированием (4 000 rpm, 15 min), промывали дважды дистиллированной водой, а затем абсолютным этанолом для удаления остаточных примесей и в заключение сушили на воздухе (выход: 0,915 g, 68%). Температура разложения 200°C. Для получения полимерного нанокомпозита 1,992 g поливинилового спирта растворяли в 20 mL дважды дистиллированной деионизированной воды, а затем добавляли в указанный выше раствор. Эту смесь облучали ультразвуком с помощью ультразвукового зонда UP400S в течение 1 h, при этом образовывался ярко-оранжевый продукт.
Результаты сканирующей электронной микроскопии (SEM) показали, что в присутствии PVA размеры частиц уменьшались примерно с 38 nm до 25 nm. Затем мы синтезировали гексагональные наночастицы CdS со сферической морфологией путём термического разложения полимерного нанокомпозита кадмий(II)–тиоацетамид/PVA, использованного в качестве прекурсора. Размер наночастиц CdS измеряли методами рентгеновской дифракции (XRD) и SEM, и результаты очень хорошо согласовывались друг с другом.
Ranjbar и соавт. (2013) также установили, что полимерный нанокомпозит Cd(II) является подходящим прекурсором для получения наночастиц сульфида кадмия с интересной морфологией. Все результаты показали, что ультразвуковой синтез можно успешно использовать как простой, эффективный, недорогой, экологичный и весьма перспективный метод синтеза наноразмерных материалов без необходимости в специальных условиях, таких как высокая температура, длительное время реакции и высокое давление.
Рекомендуемое устройство:
UP400S
Источник / научная статья:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Синтез и характеристика нанокомпозитов кадмий–тиоацетамид. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – нанесение покрытия из стеариновой кислоты с помощью ультразвука

Применение ультразвука:
Нанесение покрытия из стеариновой кислоты с помощью ультразвука на наноосаждённый CaCO₃ (NPCC) для улучшения его диспергирования в полимере и уменьшения агломерации. 2g наноосаждённого CaCO₃ (NPCC) без покрытия обрабатывали ультразвуком с помощью ультразвукового аппарата UP400S в 30ml этанола. В этаноле растворяли 9 wt% стеариновой кислоты. Затем этанол со стеариновой кислотой смешивали с обработанной ультразвуком суспензией.
Рекомендуемое устройство:
UP400S с сонотродом диаметром 22mm (H22D) и проточной ячейкой с охлаждающей рубашкой
Источник / научная статья:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Влияние ультразвука при нанесении покрытия из стеариновой кислоты на наноосаждённый CaCO3. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Силан, допированный нитратом церия

Применение ультразвука:
В качестве металлических подложек использовали пластины из холоднокатаной углеродистой стали (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; химически очищенные и механически отполированные). Перед нанесением покрытия пластины очищали ультразвуком в ацетоне, затем очищали щелочным раствором (раствор NaOH 0,3mol L1) при 60°C в течение 10 min. Для использования в качестве грунтовки перед предварительной обработкой подложки типичный состав, включающий 50 частей γ-глицидоксипропилтриметоксисилана (γ-GPS), разбавляли примерно 950 частями метанола при pH 4,5 (регулируемом уксусной кислотой) и выдерживали для гидролиза силана. Методика приготовления силана, допированного пигментами нитрата церия, была такой же, за исключением того, что перед добавлением (γ-GPS) в раствор метанола добавляли 1, 2, 3 wt% нитрата церия, затем этот раствор перемешивали пропеллерной мешалкой при 1600 rpm в течение 30 min. при комнатной температуре. Затем дисперсии, содержащие нитрат церия, обрабатывали ультразвуком в течение 30 min при 40°C с использованием внешней охлаждающей бани. Обработку ультразвуком проводили с помощью ультразвукового аппарата UIP1000hd (1000W, 20 kHz) с входной ультразвуковой мощностью около 1 W/mL. Предварительную обработку подложки проводили промыванием каждой пластины в течение 100 sec. соответствующим раствором силана. После обработки пластины сушили при комнатной температуре в течение 24 h, затем на предварительно обработанные пластины наносили двухкомпонентный эпоксидный состав с аминным отвердителем (Epon 828, shell Co.), получая толщину мокрой плёнки 90μm. Пластины с эпоксидным покрытием выдерживали для отверждения в течение 1h при 115°C; после отверждения эпоксидного покрытия толщина сухой плёнки составляла около 60μm.
Рекомендуемое устройство:
UIP1000hd
Источник / научная статья:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Электрохимическое влияние предварительной обработки силанами, содержащими нитрат церия, на характеристики катодного отслаивания эпоксидных покрытий на стали. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Медно-алюминиевые каркасы: синтез пористых каркасов Cu-Al

Применение ультразвука:
Пористый медно-алюминиевый материал, стабилизированный оксидом металла, представляет собой перспективный новый альтернативный катализатор дегидрирования пропана, не содержащий благородных или опасных металлов. Структура окисленного пористого сплава Cu–Al (металлической губки) сходна со структурой металлов типа Ренея. Мощный ультразвук является инструментом зелёной химии для синтеза пористых медно-алюминиевых каркасов, стабилизированных оксидом металла. Они недороги (стоимость производства около 3 EUR/liter), а метод легко масштабируется. Эти новые пористые материалы (или «металлические губки») состоят из сплава в объёме и имеют окисленную поверхность; они могут катализировать дегидрирование пропана при низких температурах.
Методика получения катализатора с помощью ультразвука:
Пять граммов порошка сплава Al–Cu диспергировали в сверхчистой воде (50mL) и обрабатывали ультразвуком в течение 60 min с помощью зондового ультразвукового аппарата Hielscher UIP1000hd (20kHz, максимальная выходная мощность 1000W). Зондовое ультразвуковое устройство было оснащено сонотродом BS2d22 (площадь наконечника 3,8cm²) и бустером B2–1,2. Расчётная максимальная интенсивность составляла 57 W/cm² при механической амплитуде 81μm. Во время обработки образец охлаждали в ледяной бане. После обработки образец сушили при 120°C в течение 24 h.
Рекомендуемое устройство:
UIP1000hd с сонотродом BS2d22 и бустером B2–1,2
Источник / научная статья:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Новые эффективные медно-алюминиевые катализаторы дегидрирования пропана. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Разложение фталоцианина меди

Применение ультразвука:
Обесцвечивание и разрушение металлофталоцианинов
Фталоцианин меди обрабатывают ультразвуком с водой и органическими растворителями при температуре окружающей среды и атмосферном давлении в присутствии каталитического количества окислителя с помощью ультразвукового аппарата UIP500hd мощностью 500W с камерой fold-trough при уровне мощности 37–59 W/cm²: 5 mL образца (100 mg/L), 50 D/D воды с хлороформом и пиридином при 60% амплитуды ультразвука. Температура реакции: 20°C.
Рекомендуемое устройство:
UIP500hd

Золото: морфологическая модификация наночастиц золота

Применение ультразвука:
Наночастицы золота морфологически модифицировали при интенсивном ультразвуковом облучении. Было установлено, что для слияния наночастиц золота в гантелеобразную структуру достаточно обработки ультразвуком в течение 20 min. в чистой воде и в присутствии поверхностно-активных веществ. После 60 min. обработки ультразвуком наночастицы золота в воде приобретают червеобразную или кольцеобразную структуру. В присутствии растворов додецилсульфата натрия или додециламина с помощью ультразвука образовывались слившиеся наночастицы сферической или овальной формы.
Протокол обработки ультразвуком:
Для ультразвуковой модификации раствор коллоидного золота, состоящий из предварительно сформированных наночастиц золота, защищённых цитратом, со средним диаметром 25nm (± 7nm), обрабатывали ультразвуком в закрытой реакционной камере (объём около 50mL). Раствор коллоидного золота (0,97 mmol·L^-1) облучали ультразвуком высокой интенсивности (40 W/cm^-2) с помощью ультразвукового аппарата Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W), оснащённого сонотродом BS2d18 из титанового сплава (диаметр наконечника 0,7 дюйма), который погружали примерно на 2 cm ниже поверхности обрабатываемого ультразвуком раствора. Через коллоидное золото пропускали аргон (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) в течение 20 min. до обработки ультразвуком и во время неё с расходом 200 mL·min^-1 для удаления кислорода из раствора. Порцию объёмом 35 mL каждого раствора поверхностно-активного вещества без добавления дигидрата тринатрийцитрата объединяли с 15 mL предварительно приготовленного коллоидного золота; барботирование аргоном проводили в течение 20 min. до обработки ультразвуком и во время неё.
Рекомендуемое устройство:
UIP1000hd с сонотродом BS2d18 и реактором с проточной ячейкой
Источник / научная статья:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Слияние предварительно сформированных наночастиц золота при содействии ультразвука. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Неорганические удобрения – выщелачивание Cu, Cd и Pb для анализа

Применение ультразвука:
Извлечение Cu, Cd и Pb из неорганических удобрений для аналитических целей:
Для ультразвукового извлечения меди, свинца и кадмия образцы, содержащие смесь удобрения и растворителя, обрабатывают ультразвуком с помощью ультразвукового устройства, например аппарата VialTweeter для непрямой обработки ультразвуком. Образцы удобрений обрабатывали ультразвуком в присутствии 2mL 50% (v/v) HNO₃ в стеклянных пробирках в течение 3 минут. Извлечённые Cu, Cd и Pb можно определять методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии (FAAS).
Рекомендуемое устройство:
VialTweeter
Источник / научная статья:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Альтернативный аналитический метод определения металлов в неорганических удобрениях на основе экстракции при содействии ультразвука. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Синтез латекса

Применение ультразвука:
Получение латекса P(St-BA)
Частицы латекса поли(стирол-r-бутилакрилат) P(St-BA) синтезировали эмульсионной полимеризацией в присутствии поверхностно-активного вещества DBSA. Сначала 1 g DBSA растворяли в 100mL воды в трёхгорлой колбе и доводили pH раствора до 2,0. Смесь мономеров 2,80g St и 8,40g BA с инициатором AIBN (0,168g) вливали в раствор DBSA. Эмульсию масло-в-воде (O/W) получали перемешиванием на магнитной мешалке в течение 1 h с последующей обработкой ультразвуком с помощью ультразвукового аппарата UIP1000hd, оснащённого ультразвуковым излучателем (зондом / сонотродом), ещё в течение 30 min. в ледяной бане. В заключение полимеризацию проводили при 90degC в масляной бане в течение 2h в атмосфере азота.
Рекомендуемое устройство:
UIP1000hd
Источник / научная статья:
Изготовление гибких проводящих плёнок на основе poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) на подложке из нетканого материала. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о соносинтезе латекса!

Удаление свинца (ультразвуковое выщелачивание)

Применение ультразвука:
Ультразвуковое выщелачивание свинца из загрязнённой почвы:
Эксперименты по ультразвуковому выщелачиванию проводили с помощью ультразвукового гомогенизатора UP400S с титановым ультразвуковым зондом (диаметр 14mm), работающим на частоте 20kHz. Ультразвуковой зонд (сонотрод) калибровали калориметрически, устанавливая интенсивность ультразвука 51 ± 0,4 W cm^-2 для всех экспериментов по ультразвуковому выщелачиванию. Эксперименты по ультразвуковому выщелачиванию термостатировали с помощью стеклянной ячейки с плоским дном и рубашкой при 25 ± 1°C. В качестве растворов для выщелачивания почвы (0,1L) при обработке ультразвуком использовали три системы: 6 mL раствора уксусной кислоты с концентрацией 0,3 mol L^-2 (pH 3,24), 3% (v/v) раствор азотной кислоты (pH 0,17) и буфер уксусная кислота/ацетат (pH 4,79), приготовленный смешиванием 60mL раствора уксусной кислоты с концентрацией 0,3 mol L^-1 с 19 mL раствора NaOH с концентрацией 0,5 mol L^-1 . После ультразвукового выщелачивания образцы фильтровали через фильтровальную бумагу для отделения раствора выщелачивания от почвы, затем проводили электроосаждение свинца из раствора выщелачивания и минерализацию почвы после воздействия ультразвука.
Доказано, что ультразвук является ценным инструментом для усиления выщелачивания свинца из загрязнённой почвы. Ультразвук также является эффективным методом почти полного удаления выщелачиваемого свинца из почвы, что делает почву значительно менее опасной.
Рекомендуемое устройство:
UP400S с сонотродом H14
Источник / научная статья:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Сочетание ультразвукового выщелачивания и электрохимической обработки для удаления свинца из почвы. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – синтез наночастиц сульфида свинца

Применение ультразвука:
При комнатной температуре 0,151 g ацетата свинца (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) и 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) добавляли к 5mL ионной жидкости, [EMIM] [EtSO₄], и 15mL дважды дистиллированной воды в стакане объёмом 50mL, подвергаемом ультразвуковому облучению с помощью ультразвукового аппарата Hielscher UP200S в течение 7 min. Наконечник ультразвукового зонда / сонотрода S1 погружали непосредственно в реакционный раствор. Образовавшуюся тёмно-коричневую суспензию центрифугировали для выделения осадка и дважды промывали дважды дистиллированной водой и этанолом соответственно для удаления непрореагировавших реагентов. Чтобы исследовать влияние ультразвука на свойства продуктов, готовили ещё один сравнительный образец, сохраняя параметры реакции неизменными, за исключением того, что продукт получали при непрерывном перемешивании в течение 24 h без ультразвукового облучения.
Для получения наночастиц PbS был предложен синтез при содействии ультразвука в водной ионной жидкости при комнатной температуре. Этот экологичный метод зелёной химии при комнатной температуре является быстрым и не требует шаблонов, что значительно сокращает время синтеза и позволяет избежать сложных методик синтеза. Полученные нанокластеры демонстрируют огромный синий сдвиг 3,86 eV, который можно объяснить очень малым размером частиц и эффектом квантового ограничения.
Рекомендуемое устройство:
UP200S
Источник / научная статья:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Простое получение и характеристика наночастиц PbS при комнатной температуре в водной ионной жидкости [EMIM][EtSO4] с использованием ультразвукового облучения. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Разложение фенола

Применение ультразвука:
Rokhina и соавт. (2013) использовали сочетание перуксусной кислоты (PAA) и гетерогенного катализатора (MnO₂) для разложения фенола в водном растворе при ультразвуковом облучении. Обработку ультразвуком проводили с помощью зондового ультразвукового аппарата UP400S мощностью 400W, который способен проводить обработку ультразвуком непрерывно или в импульсном режиме (т. е. 4 sec. включён и 2 sec. выключен) при фиксированной частоте 24 kHz. Расчётные общая подводимая мощность, плотность мощности и интенсивность мощности, рассеиваемой в системе, составляли соответственно 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3 и 14,3 W/cm^-2. Во всех экспериментах использовали фиксированную мощность. Для регулирования температуры внутри реактора использовали погружной циркуляционный термостат. Фактическое время обработки ультразвуком составляло 4 h, хотя реальное время реакции составляло 6 h из-за работы в импульсном режиме. В типичном эксперименте стеклянный реактор заполняли 100mL раствора фенола (1,05 mM) и соответствующими дозами катализатора MnO2 и PAA (2%) в диапазонах 0–2 g L^-1 и 0–150 ppm соответственно. Все реакции проводили при pH, близком к нейтральному, атмосферном давлении и комнатной температуре (22 ± 1 °C).
Обработка ультразвуком увеличивала площадь поверхности катализатора в 4 раза без изменений в структурном отношении. Частоты оборотов (TOF) увеличивались с 7 x 10^-3 до 12,2 x 10^-3 min^-1 по сравнению с процессом без ультразвука. Кроме того, значительного выщелачивания катализатора обнаружено не было. Изотермическое окисление фенола при относительно низких концентрациях реагентов продемонстрировало высокую степень удаления фенола (до 89%) в мягких условиях. В целом ультразвук ускорял процесс окисления в течение первых 60 min. (удаление 70% фенола по сравнению с 40% при обработке без ультразвука).
Рекомендуемое устройство:
UP400S
Источник / научная статья:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Гомолиз перуксусной кислоты при содействии ультразвука, катализируемый MnO₂ , для разложения фенола: оценка химии и кинетики процесса. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Фенол: окисление фенола с использованием RuI₃ в качестве катализатора

Применение ультразвука:
Гетерогенное окисление фенола в водной среде на RuI₃ с помощью пероксида водорода (H₂O₂): каталитическое окисление фенола (100 ppm) на RuI₃ в качестве катализатора исследовали в стеклянном реакторе объёмом 100 mL, оснащённом магнитной мешалкой и регулятором температуры. Реакционную смесь перемешивали со скоростью 800 rpm в течение 1–6 часов, чтобы обеспечить полное перемешивание для равномерного распределения и полного суспендирования частиц катализатора. При обработке ультразвуком механическое перемешивание раствора не проводили благодаря возмущениям, вызываемым колебаниями и схлопыванием кавитационных пузырьков, которые сами обеспечивают чрезвычайно эффективное перемешивание. Ультразвуковое облучение раствора проводили с помощью ультразвукового преобразователя UP400S с ультразвуковым оснащением (так называемого зондового ультразвукового аппарата), способного работать непрерывно или в импульсном режиме при фиксированной частоте 24 kHz и максимальной выходной мощности 400W.
Для эксперимента необработанный RuI₃ в качестве катализатора (0,5–2 gL^-1) вводили в реакционную среду в виде суспензии с последующим добавлением H2O2 (30%, концентрация в диапазоне 200–1200 ppm).
Rokhina и соавт. установили в своём исследовании, что ультразвуковое облучение играло значительную роль в модификации текстурных свойств катализатора, формируя микропористую структуру с более высокой площадью поверхности в результате фрагментации частиц катализатора. Кроме того, оно оказывало стимулирующее действие, предотвращая агломерацию частиц катализатора и улучшая доступ фенола и пероксида водорода к активным центрам катализатора.
Двукратное увеличение эффективности процесса при содействии ультразвука по сравнению с процессом окисления без ультразвука объясняли улучшением каталитических свойств катализатора и образованием окисляющих частиц, таких как •OH, •HO2 и •I₂ , путём разрыва водородных связей и рекомбинации радикалов.
Рекомендуемое устройство:
UP400S
Источник / научная статья:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Гетерогенное жидкофазное окисление фенола пероксидом при содействии ультразвука с рутениевым катализатором. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Частицы Ag/ZnO с покрытием из PLA

Применение ультразвука:
Нанесение покрытия из PLA на частицы Ag/ZnO: микро- и субмикрочастицы Ag/ZnO с покрытием из PLA получали методом испарения растворителя из эмульсии масло-в-воде. Этот метод осуществляли следующим образом. Сначала 400 mg полимера растворяли в 4 ml хлороформа. Полученная концентрация полимера в хлороформе составляла 100 mg/ml. Затем раствор полимера эмульгировали в водном растворе различных систем поверхностно-активных веществ (эмульгирующий агент, PVA 8-88) при непрерывном перемешивании гомогенизатором со скоростью 24 000 rpm. Смесь перемешивали в течение 5 min., и в этот период образующуюся эмульсию охлаждали льдом. Соотношение водного раствора поверхностно-активного вещества и раствора PLA в хлороформе было одинаковым во всех экспериментах (4:1). Затем полученную эмульсию обрабатывали ультразвуком с помощью зондового ультразвукового устройства UP400S (400W, 24kHz) в течение 5 min. при доле времени включения ультразвука в каждом периоде 0,5 и амплитуде 35%. В заключение приготовленную эмульсию переносили в колбу Эрленмейера, перемешивали и выпаривали органический растворитель из эмульсии при пониженном давлении, что в конечном итоге приводило к образованию суспензии частиц. После удаления растворителя суспензию центрифугировали трижды для удаления эмульгатора.
Рекомендуемое устройство:
UP400S
Источник / научная статья:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Гибридные антибактериальные частицы, синтезированные с помощью микроволн и покрытые поли(L-молочной кислотой). Nanocon 2011.

Полианилиновый композит

Применение ультразвука:
Получение композита на водной основе из самодопированного нанополианилина (SPAni) (Sc-WB)
Для получения композита SPAni на водной основе 0,3 gr SPAni, синтезированного методом полимеризации in situ в среде ScCO2, разбавляли водой и обрабатывали ультразвуком в течение 2 минут с помощью ультразвукового гомогенизатора UIP1000hd мощностью 1000W. Затем полученную суспензию гомогенизировали в течение 15 min. с добавлением 125 gr матрицы отвердителя на водной основе, а заключительную обработку ультразвуком проводили при температуре окружающей среды в течение 5 min.
Рекомендуемое устройство:
UIP1000hd
Источник / научная статья:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Защитные свойства эпоксидного покрытия на водной основе, содержащего самодопированный нанополианилин, синтезированный в ScCO2. 2013.

Полициклические ароматические углеводороды: сонохимическое разложение нафталина, аценафтилена и фенантрена

Применение ультразвука:
Для сонохимического разложения полициклических ароматических углеводородов (PAHs) – нафталина, аценафтилена и фенантрена – в воде смеси образцов обрабатывали ультразвуком при 20◦C и концентрации 50 µg/l каждого целевого PAH (общая начальная концентрация 150 µg/l). Обработку ультразвуком проводили с помощью ультразвукового аппарата UP400S с излучателем (400W, 24kHz), способного работать непрерывно или в импульсном режиме. Ультразвуковой аппарат UP400S был оснащён титановым зондом H7 с наконечником диаметром 7 mm. Реакции проводили в цилиндрическом стеклянном реакционном сосуде объёмом 200 mL с титановым излучателем, установленным сверху реакционного сосуда и герметизированным с помощью уплотнительных колец и тефлонового клапана. Реакционный сосуд помещали в водяную баню для регулирования температуры процесса. Во избежание любых фотохимических реакций сосуд закрывали алюминиевой фольгой.
Результаты анализа показали, что степень превращения PAHs увеличивается с увеличением продолжительности обработки ультразвуком.
Для нафталина степень превращения при содействии ультразвука (мощность ультразвука установлена на 150W) увеличилась с 77,6%, достигнутых после 30 min. обработки ультразвуком, до 84,4% после 60 min. обработки ультразвуком.
Для аценафтилена степень превращения при содействии ультразвука (мощность ультразвука установлена на 150W) увеличилась с 77,6%, достигнутых после 30 min. обработки ультразвуком мощностью 150W, до 84,4% после 60 min. обработки ультразвуком мощностью 150W, увеличилась с 80,7%, достигнутых после 30 min. обработки ультразвуком мощностью 150W, до 96,6% после 60 min. обработки ультразвуком.
Для фенантрена степень превращения при содействии ультразвука (мощность ультразвука установлена на 150W) увеличилась с 73,8%, достигнутых после 30 min. обработки ультразвуком, до 83,0% после 60 min. обработки ультразвуком.
Для повышения эффективности разложения пероксид водорода можно использовать более эффективно при добавлении иона железа(II). Показано, что добавление иона железа(II) оказывает синергетическое действие, имитируя реакцию типа Фентона.
Рекомендуемое устройство:
UP400S с H7
Источник / научная статья:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Разложение полициклических ароматических углеводородов в водных растворах при ультразвуковом облучении. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Удаление оксидного слоя с подложек

Применение ультразвука:
Для подготовки подложки перед выращиванием нанопроволок CuO на подложках Cu собственный оксидный слой на поверхности Cu удаляли обработкой образца ультразвуком в соляной кислоте 0,7 M в течение 2 min. с помощью Hielscher UP200S. Образец очищали ультразвуком в ацетоне в течение 5 min. для удаления органических загрязнений, тщательно промывали деионизированной водой (DI) и сушили сжатым воздухом.
Рекомендуемое устройство:
UP200S или UP200St
Источник / научная статья:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Регулирование газочувствительных свойств нанопроволок CuO путём создания отдельных наноразмерных p−n-переходов на их поверхностях. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Вольтамперометрические эксперименты

Применение ультразвука:
Для вольтамперометрических экспериментов, интенсифицированных ультразвуком, использовали ультразвуковой аппарат Hielscher UP200S мощностью 200 ватт, оснащённый стеклянным излучателем (диаметр наконечника 13 mm). Ультразвук применяли с интенсивностью 8 W/cm^–2.
Из-за низкой скорости диффузии наночастиц в водных растворах и большого числа окислительно-восстановительных центров на одну наночастицу в прямой вольтамперометрии наночастиц в растворе преобладают эффекты адсорбции. Для обнаружения наночастиц без накопления вследствие адсорбции необходимо выбрать экспериментальный подход с (i) достаточно высокой концентрацией наночастиц, (ii) малыми электродами для улучшения отношения сигнала к фону или (iii) очень быстрым массопереносом.
Поэтому McKenzie и соавт. (2012) использовали мощный ультразвук для резкого увеличения скорости массопереноса наночастиц к поверхности электрода. В их экспериментальной установке электрод непосредственно подвергается воздействию ультразвука высокой интенсивности при расстоянии между электродом и излучателем 5 mm и интенсивности обработки ультразвуком 8 W/cm^–2 , что приводит к перемешиванию и кавитационной очистке. Для калибровки скорости массопереноса, достигнутой в этих условиях, использовали тестовую окислительно-восстановительную систему – одноэлектронное восстановление Ru(NH3)₆³⁺ в водном растворе KCl 0,1 M.
Рекомендуемое устройство:
UP200S или UP200St
Источник / научная статья:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Прямая электрохимия наночастиц Fe2O3 в водном растворе и при адсорбции на оксиде индия, легированном оловом. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Ультразвуковые аппараты для сонохимических реакций от лабораторного до промышленного масштаба

Hielscher предлагает полный ассортимент ультразвуковых аппаратов – от ручного лабораторного гомогенизатора до полноценных промышленных ультразвуковых аппаратов для потоков большого объёма. Все результаты, достигнутые в малом масштабе при испытаниях, исследованиях и разработках, а также оптимизации ультразвукового процесса, можно >линейно масштабировать до полноценного коммерческого производства. Ультразвуковые аппараты Hielscher надёжны, прочны и рассчитаны на работу в режиме 24/7.
Обратитесь к нам, чтобы узнать, как оценить, оптимизировать и масштабировать ваш процесс! Мы будем рады помочь вам на всех этапах – от первых испытаний и оптимизации процесса до установки в вашей промышленной производственной линии!