Vysoký výkon ultrazvuk

High-Power, nízkofrekvenčné ultrazvuk ponúka vysoký potenciál pre chemické procesy. Pri intenzívnej ultrazvukové vlny sú zavedené do kvapalného média, striedavý vysokotlakové a nízkotlakové cykly s sadzbami v závislosti na frekvencii nastať. Vysokotlakové cykly znamenajú kompresiu, zatiaľ čo nízkofrekvenčné cykly znamenajú zriedkavú činnosť média. Počas nízkotlakového (rarefaction) cyklu, vysoký výkon ultrazvuk vytvára malé vákuové bubliny v kvapaline. Tieto vákuové bubliny rastú v priebehu niekoľkých cyklov.
Preto sa ultrazvuk intenzity, tekuté obklady a tiahne do rôznych stupňov. To znamená, že kavitácia bubliny sa môžu správať dvoma spôsobmi. Pri nízkych ultrazvukových intenzít ~ 1-3Wcm^{-2 minúty}, Kavitácia bubliny oscilujú o nejakej rovnováhe veľkosti pre mnoho akustických cyklov. Tento jav sa nazýva stabilná Kavitácia. Pri vysokých ultrazvukových intenzít (≤ 10Wcm^{-2 minúty}) cavitational bubliny sú tvorené v priebehu niekoľkých akustických cyklov do okruhu aspoň dvojnásobku ich počiatočnej veľkosti a kolaps v mieste kompresie, keď bublina nemôže absorbovať viac energie. To sa nazýva prechodné alebo inerciálnej kavitácie. Počas bubliny implosion, lokálne takzvané horúce škvrny sa vyskytujú, ktoré majú extrémne podmienky: počas implozie sa dosiahnu lokálne veľmi vysoké teploty (cca 5 000 k) a tlaky (cca 2 000 ATM). Imploze kavitácie bublina tiež vedie tekuté trysky až 280m/s rýchlosťou, ktorá pôsobí ako veľmi vysoké šmykovej sily. [Suslick 1998/Santos et al. 2009]

Mesoporous TiO₂ cez Ultrazvukový Sol-Gel syntéza

Mesoporous TiO₂ je widley používa ako photocatalyst, rovnako ako v elektronike, senzor technológie a ekologickej nápravy. Pre optimalizované vlastnosti materiálov je zameraná na výrobu TiO₂ s vysokou kryštálnosť a veľké plochy. Ultrazvukový asistovanej Sol-Gel trasa má tú výhodu, že vnútorné a vonkajšie vlastnosti TiO₂, ako je veľkosť častíc, plocha, pórov-objem, pórov priemer, kryštálnosť, rovnako ako anatáza, rutil a brookite fázy pomery môžu byť ovplyvnené kontrolou parametrov.
Milani et al. (2011) preukázali syntézu TiO₂ anatázovej nanočastíc. Preto bol Sol-Gel proces aplikovaný na TiCl₄ prekurzor a obidva spôsoby, s ultrazvukom, a bez ultrazvuku, boli porovnané. Výsledky ukazujú, že ultrazvukové ožarovanie má monotónny účinok na všetky zložky roztoku uskutočnenej Sol-Gel metódou a spôsobiť lámanie voľných väzieb veľkých nanometrických koloidov v roztoku. Tak, menšie nanočastice sú vytvorené. Lokálne sa vyskytujúce vysoké tlaky a teploty zlomiť bondings v dlhých polymérnych reťazcov, rovnako ako slabé väzby väzba menších častíc, ktoré tvoria väčšie koloidné hmoty. Porovnanie oboch TiO₂ vzorky, v prítomnosti a v neprítomnosti ultrazvukového ožarovania, je uvedený v SEM obrázky nižšie (pozri pic. 2).

Pic. 2: SEM obrazy TiO2 pwder, kalcinated na 400 degC pre 1H a gelatinization čas 24h: (a) v prítomnosti a (b) pri absencii ultrazvuku. [Milani et al. 2011]

Okrem toho, chemické reakcie môžu profitovať z sonochemical účinky, ktoré zahŕňajú napríklad zlomenie chemických dlhopisov, výrazné zvýšenie chemickej reaktivity alebo molekulárnej degradácie.

Sono-gély

Palcov sono katalyticky pomocou Sol-gélových reakcií sa na prekurzory aplikuje ultrazvuk. Výsledné materiály s novými vlastnosťami sú známe ako sonogels. Vzhľadom na neprítomnosť dodatočného rozpúšťadla v kombinácii s ultrazvukovou kavitáciasa vytvára jedinečné prostredie pre Sol-gélové reakcie, čo umožňuje vznik konkrétnych vlastností vo výsledných géloch: vysoká hustota, jemná textúra, homogénna štruktúra atď. Tieto vlastnosti určujú vývoj sonogels na ďalšie spracovanie a konečnú materiálovej štruktúry. [Blanco et al. 1999]
Suslick a price (1999) ukazujú, že ultrazvukové ožarovanie si (OC₂H₅)₄ vo vode s kyslým katalyzátorom produkuje oxid kremičitý "sonogel". Pri konvenčnej príprave silikagélových gélov z si (OC₂H₅)₄, etanol je bežne používaný co-rozpúšťadlo v dôsledku nerozpustnosti si (OC₂H₅)₄ vo vode. Použitie takýchto rozpúšťadiel je často problematické, pretože môže spôsobiť praskanie počas sušenia. Ultrazvukom poskytuje vysoko efektívne miešanie tak, aby prchavé co-rozpúšťadlá, ako je etanol je možné sa vyhnúť. To má za následok kremičitý sono-gél vyznačuje vyššou hustotou ako konvenčne vyrábané gély. [Suslick et al. 1999, 319f.]
Konvenčné aerogels sa skladajú z nízkohustoty matice s veľkými prázdnymi pórmi. Sonogels, v kontraste, majú jemnejší pórovitosť a póry sú docela gule-formoval, s hladkým povrchom. Svahy väčšie ako 4 vo vysokej uhlovej oblasti odhaľujú dôležité elektronické výkyvy hustoty na hraniciach pórov (Rosa-Fox et al. 1990].
Obrazy povrchu vzoriek prášku jasne ukazujú, že použitie ultrazvukových vĺn vyústilo do väčšej homogenity v priemernej veľkosti častíc a vyústilo do menších častíc. Vzhľadom na sonikáciu sa priemerná veľkosť častíc znižuje približne o 3 nm. [Milani et al. 2011]
Pozitívne účinky ultrazvuku sú preukázané v rôznych výskumných štúdií. Napríklad, správa Neppolian et al. vo svojej práci význam a výhody ultrazvukom v modifikácii a zlepšenie fotokatalytických vlastností mesoporous nano-size TiO2 častíc. [Neppolian et al. 2008]

Nanopovlak cez Ultrazvukový Sol-gél reakcie

Nanopovlak znamená pokrývajúci materiál s nano-zmenšeným vrstvou alebo pokrytím nano-veľkosti subjektu. Tým sa získavajú zapuzdrené alebo jadro-shell štruktúry. Takéto nano kompozity majú fyzikálne a chemické vysokovýkonné vlastnosti v dôsledku kombinovaných špecifických charakteristík a/alebo štruktúrovanie účinkov komponentov.
Príkladne sa preukáže postup náteru častíc oxidu hlinitého (ITO). Častice ITO sú potiahnuté kremeňom v dvojstupňovom procese, ako je znázornené v štúdii Chen (2009). V prvom chemickom kroku sa prášok oxidu hlinitého na báze aminosilánu suface. Druhým krokom je kremičitý povlak pod ultrazvukom. Ak chcete dať konkrétny príklad ultrazvukom a jeho účinky, proces krok predložený v štúdii Chen, je zhrnuté nižšie:
Typický proces pre tento krok je nasledovný: 10g GPTS sa pomaly zmieša s 20g vody acidifikovanej kyselinou chlorovodíkovou (HCl) (pH = 1,5). 4G z vyššie uvedeného aminosilánu ošetreného prášku sa potom pridal do zmesi, obsiahnutej v 100ml sklenenej fľaši. Fľaša bola potom umiestnená pod sondou zhluk pre kontinuálne ultrazvukové ožarovanie s výkonom 60W alebo vyššie.
Sol-Gel reakcia sa začala po približne 2-3min ultrazvukovom ožarovaní, na ktorom bola vytvorená biela pena, kvôli uvoľneniu alkoholu po rozsiahlej hydrolýze GLYMO (3-(2, 3-Epoxypropoxy) propyltrimetoxysilánu). Sonikácia bola aplikovaná na 20min, po ktorej sa roztok mieša niekoľko hodín. Akonáhle bol proces dokončený, častice boli zhromaždené odstreďovaním a boli opakovane umývané vodou potom buď sušené na charakterizáciu alebo udržiavané rozptýlené vo vode alebo organických rozpúšťadiel. [Chen 2009, s. 217]