Sonokemija: napotki za uporabo

Sonokemija je učinek ultrazvočne kavitacije na kemijske sisteme. Zaradi ekstremnih razmer, ki nastanejo v kavitacijski »vroči točki«, je visokozmogljivi ultrazvok zelo učinkovita metoda za izboljšanje rezultatov reakcije (večji izkoristek, boljša kakovost), pretvorbe in trajanja kemijske reakcije. Nekatere kemijske spremembe je mogoče doseči samo s sonikacijo, na primer nanos nanometrske kositrne prevleke na titan ali aluminij.

Spodaj je izbor delcev in tekočin s priporočili za obdelavo materiala, s katero lahko z ultrazvočnim homogenizatorjem delce meljete, dispergirate, deaglomerirate ali modificirate.

Spodaj so nekateri protokoli sonikacije za uspešne sonokemijske reakcije!

Po abecednem vrstnem redu:

α-epoksiketoni – reakcija odpiranja obroča

Ultrazvočna uporaba:
Katalitsko odpiranje obroča α-epoksiketonov je bilo izvedeno s kombinacijo ultrazvoka in fotokemijskih metod. Kot fotokatalizator je bil uporabljen 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate (NBTPT). S kombinacijo sonikacije (sonokemije) in fotokemije teh spojin v prisotnosti NBTPT je bilo doseženo odpiranje epoksidnega obroča. Dokazano je bilo, da uporaba ultrazvoka znatno poveča hitrost fotoinducirane reakcije. Ultrazvok lahko močno vpliva na fotokatalitsko odpiranje obroča α-epoksiketonov, predvsem zaradi učinkovitega prenosa snovi reaktantov in vzbujenega stanja NBTPT. Tudi prenos elektronov med aktivnimi zvrstmi v tem homogenem sistemu ob uporabi sonikacije poteka
hitreje kot v sistemu brez sonikacije. Prednosti te metode so večji izkoristki in krajši reakcijski časi.

Fotokatalitsko odpiranje obroča α-epoksiketonov s pomočjo ultrazvoka (raziskava in grafika: ©Memarian et al 2007)

Protokol sonikacije:
α-epoksiketoni 1a-f in 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate 2 so bili pripravljeni po objavljenih postopkih. Metanol je bil kupljen pri podjetju Merck in pred uporabo destiliran. Uporabljena ultrazvočna naprava je bila ultrazvočna sondna naprava UP400S podjetja Hielscher Ultrasonics GmbH. Uporabljen je bil ultrazvočni potopni rog S3 (znan tudi kot sonda ali sonotroda), ki oddaja ultrazvok s frekvenco 24 kHz pri nastavljivih ravneh intenzitete do največje gostote zvočne moči 460Wcm^-2 . Sonikacija je bila izvedena pri 100% (največja amplituda 210μm). Sonotroda S3 (največja globina potopitve 90mm) je bila potopljena neposredno v reakcijsko zmes. UV-obsevanje je bilo izvedeno s 400W visokotlačno živosrebrno svetilko podjetja Narva, pri čemer so bili vzorci hlajeni v steklu Duran. Spektri ¹H NMR zmesi fotoproduktov so bili izmerjeni v raztopinah CDCl₃ , ki so vsebovale tetrametilsilan (TMS) kot interni standard, na instrumentu Bruker drx-500 (500 MHz). Preparativna plastna kromatografija (PLC) je bila izvedena na ploščah velikosti 20 × 20cm² , prevlečenih z 1mm debelo plastjo silikagela Merck PF₂₅₄ , pripravljenih z nanosom silikagela v obliki suspenzije in sušenjem na zraku. Vsi produkti so znani, njihovi spektralni podatki pa so bili objavljeni že prej.
Priporočena naprava:
UP400S z ultrazvočnim rogom S3
Referenca / raziskovalni članek:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Fotosonokemijsko katalitsko odpiranje obroča α-epoksiketonov. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Aluminijev/nikljev katalizator: nanostrukturiranje zlitine Al/Ni

Ultrazvočna uporaba:
Delce Al/Ni je mogoče sonokemijsko modificirati z nanostrukturiranjem začetne zlitine Al/Ni. Tako nastane učinkovit katalizator za hidrogeniranje acetofenona.
Ultrazvočna priprava katalizatorja Al/Ni:
5g komercialne zlitine Al/Ni je bilo dispergiranih v prečiščeni vodi (50mL) in sonikiranih do 50 min. z ultrazvočnim sondnim sonikatorjem UIP1000hd (1kW, 20kHz), opremljenim z ultrazvočnim rogom BS2d22 (površina glave 3,8 cm²) in ojačevalnikom amplitude B2-1.8. Izračunana največja intenziteta je bila 140 Wcm⁻² pri mehanski amplitudi 106μm. Da bi preprečili zvišanje temperature med sonikacijo, je bil poskus izveden v termostatirani celici. Po sonikaciji je bil vzorec posušen v vakuumu s pištolo na vroči zrak.
Priporočena naprava:
UIP1000hd s sonotrodo BS2d22 in ojačevalnim rogom B2–1,2
Referenca / raziskovalni članek:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonokemijska aktivacija hidrogenacijskega katalizatorja Al/Ni. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterifikacija za pridobivanje biodizla s katalizatorjem MgO

Ultrazvočna uporaba:
Reakcija transesterifikacije je bila preučevana ob stalnem ultrazvočnem mešanju s sonikatorjem UP200S pri različnih parametrih, kot so količina katalizatorja, molsko razmerje metanola in olja, reakcijska temperatura in trajanje reakcije. Šaržni poskusi so bili izvedeni v reaktorju iz trdega stekla (300 ml, notranji premer 7 cm) s pokrovom z dvema vratovoma in brušenimi spoji. En vrat je bil povezan s titanovo sonotrodo S7 (premer konice 7 mm) ultrazvočnega procesorja UP200S (200W, 24kHz). Ultrazvočna amplituda je bila nastavljena na 50% z 1 ciklom na sekundo. Reakcijska zmes je bila sonikirana ves čas reakcije. Drugi vrat reakcijske komore je bil opremljen s prilagojenim, vodno hlajenim kondenzatorjem iz nerjavnega jekla za povratno kondenzacijo izparelega metanola. Celotna aparatura je bila postavljena v oljno kopel s stalno temperaturo, ki jo je uravnaval proporcionalno-integralno-diferencialni temperaturni regulator. Temperaturo je mogoče zvišati do 65°C z natančnostjo ±1°C. Kot surovini za transesterifikacijo za pridobivanje biodizla sta bila uporabljena odpadno olje in 99,9% čisti metanol. Kot katalizator je bil uporabljen nanometrski MgO, odložen iz dima (magnezijev trak).
Odličen rezultat pretvorbe je bil dosežen pri 1,5 wt% katalizatorja; pri molskem razmerju metanola in olja 5:1 ter 55°C je bila po 45 min. dosežena pretvorba 98,7%.
Priporočena naprava:
UP200S z ultrazvočno sonotrodo S7
Referenca / raziskovalni članek:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Raziskave sonokemijske proizvodnje biodizla z uporabo katalizatorja iz nano MgO, odloženega iz dima. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Sinteza nanokompozita kadmij(II)–tioacetamid

Ultrazvočna uporaba:
Nanokompoziti kadmij(II)–tioacetamid so bili sintetizirani po sonokemijski poti v prisotnosti in odsotnosti polivinilalkohola. Za sonokemijsko sintezo (sonosintezo) so bili 0,532 g kadmijevega(II) acetata dihidrata (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioacetamida (TAA, CH3CSNH2) in 0,664 g kalijevega jodida (KI) raztopljeni v 20mL dvakrat destilirane deionizirane vode. Ta raztopina je bila sonikirana z visokozmogljivim sondnim ultrazvočnim procesorjem UP400S (24 kHz, 400W) pri sobni temperaturi 1 h. Med sonikacijo reakcijske zmesi se je temperatura zvišala na 70–80degC, kot je bilo izmerjeno s termočlenom železo–constantin. Po eni uri je nastala svetlo rumena oborina. Izolirana je bila s centrifugiranjem (4.000 rpm, 15 min), sprana z dvakrat destilirano vodo in nato z absolutnim etanolom, da bi odstranili preostale nečistoče, ter na koncu posušena na zraku (izkoristek: 0,915 g, 68%). Temperatura razpada: 200°C. Za pripravo polimernega nanokompozita je bilo 1,992 g polivinilalkohola raztopljenih v 20 mL dvakrat destilirane deionizirane vode in nato dodanih zgornji raztopini. Ta zmes je bila ultrazvočno obsevana z ultrazvočno sondo UP400S 1 h, pri čemer je nastal svetlo oranžen produkt.
Rezultati SEM so pokazali, da se je v prisotnosti PVA velikost delcev zmanjšala s približno 38 nm na 25 nm. Nato smo s toplotnim razpadom polimernega nanokompozita kadmij(II)–tioacetamid/PVA kot prekurzorja sintetizirali heksagonalne nanodelce CdS s sferično morfologijo. Velikost nanodelcev CdS je bila izmerjena z XRD in SEM, rezultati obeh metod pa so se zelo dobro ujemali.
Ranjbar in sod. (2013) so ugotovili tudi, da je polimerni nanokompozit Cd(II) primeren prekurzor za pripravo nanodelcev kadmijevega sulfida z zanimivimi morfologijami. Vsi rezultati so pokazali, da je ultrazvočno sintezo mogoče uspešno uporabiti kot preprosto, učinkovito, poceni, okolju prijazno in zelo obetavno metodo za sintezo nanometrskih materialov brez potrebe po posebnih pogojih, kot so visoka temperatura, dolgi reakcijski časi in visok tlak.
Priporočena naprava:
UP400S
Referenca / raziskovalni članek:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Sinteza in karakterizacija nanokompozitov kadmij–tioacetamid. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – ultrazvočno prevlečen s stearinsko kislino

Ultrazvočna uporaba:
Ultrazvočno prevlečenje nanooborjenega CaCO₃ (NPCC) s stearinsko kislino za izboljšanje njegove disperzije v polimeru in zmanjšanje aglomeracije. 2g neprevlečenega nanooborjenega CaCO₃ (NPCC) je bilo sonikiranih s sonikatorjem UP400S v 30ml etanola. 9 wt% stearinske kisline je bilo raztopljenih v etanolu. Etanol s stearinsko kislino je bil nato zmešan s sonikirano suspenzijo.
Priporočena naprava:
UP400S s sonotrodo s premerom 22mm (H22D) in pretočno celico s hladilnim plaščem
Referenca / raziskovalni članek:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Učinki ultrazvoka pri prevlečenju nanooborjenega CaCO3 s stearinsko kislino. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Silan, dopiran s cerijevim nitratom

Ultrazvočna uporaba:
Kot kovinske podlage so bile uporabljene hladno valjane plošče iz ogljikovega jekla (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; kemijsko očiščene in mehansko polirane). Pred nanosom prevleke so bile plošče ultrazvočno očiščene z acetonom in nato očiščene z alkalno raztopino (raztopina NaOH 0,3mol L1) pri 60°C 10 min. Za uporabo kot temeljni premaz je bila pred predobdelavo podlage značilna formulacija, ki je vsebovala 50 delov γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane (γ-GPS), razredčena s približno 950 deli metanola pri pH 4,5 (uravnanem z ocetno kislino), nato pa je bila omogočena hidroliza silana. Postopek priprave silana, dopiranega s pigmenti cerijevega nitrata, je bil enak, le da so bili metanolni raztopini pred dodatkom (γ-GPS) dodani 1, 2, 3 wt% cerijevega nitrata, nato pa je bila ta raztopina mešana s propelerskim mešalom pri 1600 rpm 30 min. pri sobni temperaturi. Disperzije, ki so vsebovale cerijev nitrat, so bile nato sonikirane 30 min pri 40°C z zunanjo hladilno kopeljo. Postopek sonikacije je bil izveden z ultrazvočnim procesorjem UIP1000hd (1000W, 20 kHz) z vhodno ultrazvočno močjo približno 1 W/mL. Predobdelava podlage je bila izvedena z izpiranjem vsake plošče 100 sec. z ustrezno raztopino silana. Po obdelavi so bile plošče sušene pri sobni temperaturi 24 h, nato pa so bile predobdelane plošče prevlečene z dvokomponentnim epoksidnim premazom, utrjevanim z aminom (Epon 828, shell Co.), da je nastal moker film debeline 90μm. Plošče z epoksidnim premazom so bile utrjevane 1h pri 115°C; po utrditvi epoksidnih premazov je bila debelina suhega filma približno 60μm.
Priporočena naprava:
UIP1000hd
Referenca / raziskovalni članek:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Elektrokemijski učinki silanskih predobdelav, ki vsebujejo cerijev nitrat, na lastnosti katodnega odstopanja epoksidnih premazov na jeklu. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Bakrovo-aluminijeva ogrodja: sinteza poroznih ogrodij Cu-Al

Ultrazvočna uporaba:
Porozni baker–aluminij, stabiliziran s kovinskim oksidom, je obetaven nov alternativni katalizator za dehidrogeniranje propana, ki ne vsebuje plemenitih ali nevarnih kovin. Struktura oksidirane porozne zlitine Cu–Al (kovinske gobe) je podobna kovinam Raneyjevega tipa. Visokozmogljivi ultrazvok je orodje zelene kemije za sintezo poroznih bakrovo-aluminijevih ogrodij, stabiliziranih s kovinskim oksidom. So poceni (proizvodni stroški približno 3 EUR/liter), metodo pa je mogoče preprosto prenesti v večje merilo. Ti novi porozni materiali (ali »kovinske gobe«) imajo notranjost iz zlitine in oksidirano površino ter lahko katalizirajo dehidrogeniranje propana pri nizkih temperaturah.
Postopek ultrazvočne priprave katalizatorja:
Pet gramov prahu zlitine Al–Cu je bilo dispergiranih v ultračisti vodi (50mL) in sonikiranih 60 min s sondnim sonikatorjem Hielscher UIP1000hd (20kHz, največja izhodna moč 1000W). Ultrazvočna sondna naprava je bila opremljena s sonotrodo BS2d22 (površina konice 3,8cm²) in ojačevalnim rogom B2–1,2. Izračunana največja intenziteta je bila 57 W/cm² pri mehanski amplitudi 81μm. Med obdelavo je bil vzorec hlajen v ledeni kopeli. Po obdelavi je bil vzorec sušen pri 120°C 24 h.
Priporočena naprava:
UIP1000hd s sonotrodo BS2d22 in ojačevalnim rogom B2–1,2
Referenca / raziskovalni članek:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Novi in učinkoviti bakrovo-aluminijevi katalizatorji za dehidrogeniranje propana. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Razgradnja bakrovega ftalocianina

Ultrazvočna uporaba:
Razbarvanje in razgradnja kovinskih ftalocianinov
Bakrov ftalocianin se sonikira z vodo in organskimi topili pri temperaturi okolice in atmosferskem tlaku v prisotnosti katalitske količine oksidanta s 500W ultrazvočnim procesorjem UIP500hd s komoro fold-trough pri ravni moči 37–59 W/cm²: 5 mL vzorca (100 mg/L), 50 D/D vode s kloroformom in piridinom pri 60% ultrazvočne amplitude. Reakcijska temperatura: 20°C.
Priporočena naprava:
UIP500hd

Zlato: morfološka modifikacija nanodelcev zlata

Ultrazvočna uporaba:
Nanodelci zlata so bili morfološko modificirani z intenzivnim ultrazvočnim obsevanjem. Za zlitje nanodelcev zlata v strukturo, podobno ročki za vadbo, je zadostovala ultrazvočna obdelava 20 min. v čisti vodi in v prisotnosti površinsko aktivnih snovi. Po 60 min. sonikacije nanodelci zlata v vodi dobijo črvasto ali obročasto strukturo. Zliti nanodelci s sferično ali ovalno obliko so bili ultrazvočno oblikovani v prisotnosti raztopin natrijevega dodecilsulfata ali dodecilamina.
Protokol ultrazvočne obdelave:
Za ultrazvočno modifikacijo je bila raztopina koloidnega zlata, sestavljena iz predhodno pripravljenih nanodelcev zlata, zaščitenih s citratom, s povprečnim premerom 25nm (± 7nm), sonikirana v zaprti reakcijski komori (prostornina približno 50mL). Raztopina koloidnega zlata (0,97 mmol·L^-1) je bila ultrazvočno obsevana z visoko intenziteto (40 W/cm^-2) z ultrazvočnim procesorjem Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W), opremljenim s sonotrodo BS2d18 iz titanove zlitine (premer konice 0,7 palca), ki je bila potopljena približno 2 cm pod površino sonikirane raztopine. Skozi koloidno zlato je bil prepihovan argon (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. pred sonikacijo in med njo s pretokom 200 mL·min^-1 za odstranitev kisika iz raztopine. 35-mL delež vsake raztopine površinsko aktivne snovi brez dodatka trinatrijevega citrata dihidrata je bil združen s 15 mL predhodno pripravljenega koloidnega zlata, pri čemer je potekalo uvajanje mehurčkov argona 20 min. pred ultrazvočno obdelavo in med njo.
Priporočena naprava:
UIP1000hd s sonotrodo BS2d18 in reaktorjem s pretočno celico
Referenca / raziskovalni članek:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Zlitje predhodno pripravljenih nanodelcev zlata s pomočjo ultrazvoka. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Anorgansko gnojilo – izluževanje Cu, Cd in Pb za analizo

Ultrazvočna uporaba:
Ekstrakcija Cu, Cd in Pb iz anorganskih gnojil za analitske namene:
Za ultrazvočno ekstrakcijo bakra, svinca in kadmija se vzorci, ki vsebujejo zmes gnojila in topila, sonikirajo z ultrazvočno napravo, kot je sonikator VialTweeter za posredno sonikacijo. Vzorci gnojila so bili sonikirani v prisotnosti 2mL 50% (v/v) HNO₃ v steklenih epruvetah 3 minute. Ekstrakte Cu, Cd in Pb je mogoče določiti s plamensko atomsko absorpcijsko spektrometrijo (FAAS).
Priporočena naprava:
VialTweeter
Referenca / raziskovalni članek:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternativna analitska metoda za določanje kovin v anorganskih gnojilih na podlagi ekstrakcije s pomočjo ultrazvoka. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Sinteza lateksa

Ultrazvočna uporaba:
Priprava lateksa P(St-BA)
Delci lateksa Poly(styrene-r-butyl acrylate) P(St-BA) so bili sintetizirani z emulzijsko polimerizacijo v prisotnosti površinsko aktivne snovi DBSA. Najprej je bil 1 g DBSA raztopljen v 100mL vode v bučki s tremi vratovi, vrednost pH raztopine pa je bila uravnana na 2,0. Zmešana monomera 2,80g St in 8,40g BA z iniciatorjem AIBN (0,168g) sta bila vlita v raztopino DBSA. Emulzija O/W je bila pripravljena z magnetnim mešanjem 1 h, nato pa je sledila sonikacija s sonikatorjem UIP1000hd, opremljenim z ultrazvočnim rogom (sondo/sonotrodo), še 30 min. v ledeni kopeli. Na koncu je polimerizacija potekala pri 90degC v oljni kopeli 2h v dušikovi atmosferi.
Priporočena naprava:
UIP1000hd
Referenca / raziskovalni članek:
Izdelava prožnih prevodnih filmov iz poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) na podlagi iz netkanega tekstila. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Kliknite tukaj za več informacij o sonosintezi lateksa!

Odstranjevanje svinca (sonoizluževanje)

Ultrazvočna uporaba:
Ultrazvočno izluževanje svinca iz onesnaženih tal:
Poskusi ultrazvočnega izluževanja so bili izvedeni z ultrazvočnim homogenizatorjem UP400S s titanovo ultrazvočno sondo (premer 14mm), ki deluje pri frekvenci 20kHz. Ultrazvočna sonda (sonotroda) je bila kalorimetrično umerjena, pri čemer je bila ultrazvočna intenziteta nastavljena na 51 ± 0,4 W cm^-2 za vse poskuse sonoizluževanja. Poskusi sonoizluževanja so bili termostatirani pri 25 ± 1°C s stekleno celico z ravnim dnom in plaščem. Kot raztopine za izluževanje tal (0,1L) med sonikacijo so bili uporabljeni trije sistemi: 6 mL raztopine ocetne kisline s koncentracijo 0,3 mol L^-2 (pH 3,24), 3% (v/v) raztopina dušikove kisline (pH 0,17) in pufer ocetna kislina/acetat (pH 4,79), pripravljen z mešanjem 60mL ocetne kisline s koncentracijo 0,3 mol L^-1 in 19 mL raztopine s koncentracijo 0,5 mol L^-1 NaOH. Po postopku sonoizluževanja so bili vzorci filtrirani s filtrirnim papirjem, da bi ločili izluževalno raztopino od tal, nato pa sta sledila elektrodepozicija svinca iz izluževalne raztopine in razkroj tal po uporabi ultrazvoka.
Dokazano je bilo, da je ultrazvok dragoceno orodje za izboljšanje izluževanja svinca iz onesnaženih tal. Ultrazvok je tudi učinkovita metoda za skoraj popolno odstranitev izlužljivega svinca iz tal, zaradi česar so tla precej manj nevarna.
Priporočena naprava:
UP400S s sonotrodo H14
Referenca / raziskovalni članek:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Kombinacija ultrazvočnega izluževanja in elektrokemijske obdelave za odstranjevanje svinca iz tal. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – sinteza nanodelcev svinčevega sulfida

Ultrazvočna uporaba:
Pri sobni temperaturi sta bila 0,151 g svinčevega acetata (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) in 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) dodana 5mL ionske tekočine, [EMIM] [EtSO₄], in 15mL dvakrat destilirane vode v 50mL čaši, izpostavljeni ultrazvočnemu obsevanju s sonikatorjem Hielscher UP200S 7 min. Konica ultrazvočne sonde/sonotrode S1 je bila potopljena neposredno v reakcijsko raztopino. Nastala temno rjava suspenzija je bila centrifugirana za izločitev oborine in dvakrat sprana z dvakrat destilirano vodo oziroma etanolom za odstranitev nezreagiranih reagentov. Za preučitev vpliva ultrazvoka na lastnosti produktov je bil pripravljen še en primerjalni vzorec, pri katerem so bili reakcijski parametri ohranjeni nespremenjeni, le da je bil produkt pripravljen ob neprekinjenem mešanju 24 h brez pomoči ultrazvočnega obsevanja.
Za pripravo nanodelcev PbS je bila predlagana sinteza s pomočjo ultrazvoka v vodni ionski tekočini pri sobni temperaturi. Ta okolju neškodljiva zelena metoda pri sobni temperaturi je hitra in ne uporablja predloge, kar znatno skrajša čas sinteze in omogoča izogibanje zapletenim sinteznim postopkom. Tako pripravljeni nanoskupki kažejo izjemno velik modri premik 3,86 eV, ki ga je mogoče pripisati zelo majhni velikosti delcev in učinku kvantne omejitve.
Priporočena naprava:
UP200S
Referenca / raziskovalni članek:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Preprosta priprava in karakterizacija nanodelcev PbS pri sobni temperaturi v vodni [EMIM][EtSO4] ionski tekočini z ultrazvočnim obsevanjem. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Razgradnja fenola

Ultrazvočna uporaba:
Rokhina in sod. (2013) so uporabili kombinacijo perocetne kisline (PAA) in heterogenega katalizatorja (MnO₂) za razgradnjo fenola v vodni raztopini ob ultrazvočnem obsevanju. Sonikacija je bila izvedena s 400W sondnim ultrazvočnim procesorjem UP400S, ki lahko sonikira neprekinjeno ali v pulznem načinu (tj. 4 s vklopa in 2 s izklopa) pri stalni frekvenci 24 kHz. Izračunana skupna vhodna moč, gostota moči in intenziteta moči, disipirane v sistemu, so bile 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3 in 14,3 W/cm^-2, v navedenem vrstnem redu. Ves čas poskusov je bila uporabljena stalna moč. Za uravnavanje temperature v reaktorju je bila uporabljena potopna cirkulacijska enota. Dejanski čas sonikacije je bil 4 h, čeprav je bil dejanski reakcijski čas zaradi delovanja v pulznem načinu 6 h. Pri značilnem poskusu je bil stekleni reaktor napolnjen s 100mL raztopine fenola (1,05 mM) in ustreznimi odmerki katalizatorja MnO2 in PAA (2%), ki so znašali 0–2 g L^-1 oziroma 0–150 ppm. Vse reakcije so bile izvedene pri približno nevtralnem pH, atmosferskem tlaku in sobni temperaturi (22 ± 1 °C).
S sonikacijo se je površina katalizatorja povečala, kar je privedlo do 4-krat večje površine brez sprememb strukturnih vidikov. Frekvence katalitskega obrata (TOF) so se povečale s 7 x 10^-3 na 12,2 x 10^-3 min^-1 v primerjavi s postopkom brez ultrazvoka. Poleg tega ni bilo zaznano znatno izluževanje katalizatorja. Izotermna oksidacija fenola pri razmeroma nizkih koncentracijah reagentov je pokazala visoke stopnje odstranitve fenola (do 89%) pri blagih pogojih. Na splošno je ultrazvok pospešil proces oksidacije v prvih 60 min. (70% odstranitve fenola v primerjavi s 40% med obdelavo brez ultrazvoka).
Priporočena naprava:
UP400S
Referenca / raziskovalni članek:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Z ultrazvokom podprta homoliza perocetne kisline, katalizirana z MnO₂ , za razgradnjo fenola: ocena kemije in kinetike procesa. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenol: oksidacija fenola z uporabo RuI₃ kot katalizatorja

Ultrazvočna uporaba:
Heterogena oksidacija fenola v vodnem mediju na RuI₃ z vodikovim peroksidom (H₂O₂): Katalitska oksidacija fenola (100 ppm) na RuI₃ kot katalizatorju je bila preučevana v 100 mL steklenem reaktorju, opremljenem z magnetnim mešalom in temperaturnim regulatorjem. Reakcijska zmes je bila mešana s hitrostjo 800 rpm 1–6 ur, da bi zagotovili popolno premešanje za enakomerno porazdelitev in popolno suspendiranje delcev katalizatorja. Med sonikacijo ni bilo mehanskega mešanja raztopine zaradi motenj, ki jih povzročata nihanje in kolaps kavitacijskih mehurčkov, kar samo po sebi zagotavlja izjemno učinkovito mešanje. Ultrazvočno obsevanje raztopine je bilo izvedeno z ultrazvočnim pretvornikom UP400S z ultrazvočno opremo (tako imenovani sondni sonikator), ki lahko deluje neprekinjeno ali v pulznem načinu pri stalni frekvenci 24 kHz in največji izhodni moči 400W.
Za poskus je bil neobdelani RuI₃ kot katalizator (0,5–2 gL^-1) vnesen v reakcijski medij v obliki suspenzije, nato pa je bil dodan H2O2 (30%, koncentracija v območju 200–1200 ppm).
Rokhina in sod. so v svoji raziskavi ugotovili, da je ultrazvočno obsevanje imelo pomembno vlogo pri modifikaciji teksturnih lastnosti katalizatorja, saj je zaradi fragmentacije njegovih delcev nastala mikroporozna struktura z večjo površino. Poleg tega je imelo spodbujevalni učinek, saj je preprečevalo aglomeracijo delcev katalizatorja in izboljšalo dostop fenola in vodikovega peroksida do njegovih aktivnih mest.
Dvakratno povečanje učinkovitosti postopka s pomočjo ultrazvoka v primerjavi s postopkom oksidacije brez ultrazvoka je bilo pripisano izboljšanemu katalitskemu delovanju katalizatorja in nastajanju oksidativnih zvrsti, kot so •OH, •HO2 in •I₂ , s cepitvijo vodikovih vezi in rekombinacijo radikalov.
Priporočena naprava:
UP400S
Referenca / raziskovalni članek:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Z ultrazvokom podprta heterogena mokra peroksidna oksidacija fenola, katalizirana z rutenijem. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Delci Ag/ZnO, prevlečeni s PLA

Ultrazvočna uporaba:
Prevlečenje delcev Ag/ZnO s PLA: mikro- in submikrodelci Ag/ZnO, prevlečeni s PLA, so bili pripravljeni s tehniko izparevanja topila iz emulzije olja v vodi. Ta metoda je bila izvedena na naslednji način. Najprej je bilo 400 mg polimera raztopljenih v 4 ml kloroforma. Nastala koncentracija polimera v kloroformu je bila 100 mg/ml. Nato je bila polimerna raztopina emulgirana v vodni raztopini različnih sistemov površinsko aktivnih snovi (emulgator, PVA 8-88) ob neprekinjenem mešanju s homogenizatorjem s hitrostjo mešanja 24.000 rpm. Zmes je bila mešana 5 min., v tem času pa je bila nastajajoča emulzija hlajena z ledom. Razmerje med vodno raztopino površinsko aktivne snovi in kloroformno raztopino PLA je bilo pri vseh poskusih enako (4:1). Nato je bila dobljena emulzija sonikirana z ultrazvočno sondno napravo UP400S (400W, 24kHz) 5 min. pri ciklu 0,5 in amplitudi 35%. Na koncu je bila pripravljena emulzija prenesena v erlenmajerico in mešana, organsko topilo pa je bilo iz emulzije izparevano pri znižanem tlaku, kar je na koncu privedlo do nastanka suspenzije delcev. Po odstranitvi topila je bila suspenzija trikrat centrifugirana za odstranitev emulgatorja.
Priporočena naprava:
UP400S
Referenca / raziskovalni članek:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Z mikrovalovi sintetizirani hibridni antibakterijski delci, prevlečeni s Poly (L-Lactic Acid). Nanocon 2011.

Polianilinski kompozit

Ultrazvočna uporaba:
Priprava kompozita samodopiranega nanopolianilina (SPAni) na vodni osnovi (Sc-WB)
Za pripravo kompozita SPAni na vodni osnovi je bilo 0,3 gr SPAni, sintetiziranega s polimerizacijo in situ v mediju ScCO2, razredčenega z vodo in sonikiranega 2 minuti s 1000W ultrazvočnim homogenizatorjem UIP1000hd. Nato je bil produkt v obliki suspenzije homogeniziran z dodajanjem 125 gr matrice utrjevalca na vodni osnovi 15 min., končna sonikacija pa je bila izvedena pri temperaturi okolice 5 min.
Priporočena naprava:
UIP1000hd
Referenca / raziskovalni članek:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Zaščitna učinkovitost epoksidnega premaza na vodni osnovi, ki vsebuje samodopirani nanopolianilin, sintetiziran v ScCO2. 2013.

Policiklični aromatski ogljikovodiki: sonokemijska razgradnja naftalena, acenaftilena in fenantrena

Ultrazvočna uporaba:
Za sonokemijsko razgradnjo policikličnih aromatskih ogljikovodikov (PAH), naftalena, acenaftilena in fenantrena, v vodi so bile zmesi vzorcev sonikirane pri 20◦C in 50 µg/l vsakega ciljnega PAH (skupna začetna koncentracija 150 µg/l). Sonikacija je bila izvedena z ultrazvočnim procesorjem UP400S z rogom (400W, 24kHz), ki lahko deluje neprekinjeno ali v pulznem načinu. Sonikator UP400S je bil opremljen s titanovo sondo H7 s konico premera 7 mm. Reakcije so potekale v 200 mL valjasti stekleni reakcijski posodi s titanovim rogom, nameščenim na vrhu reakcijske posode, ki je bila zatesnjena z O-obroči in teflonskim ventilom. Reakcijska posoda je bila postavljena v vodno kopel za uravnavanje procesne temperature. Za preprečevanje kakršnih koli fotokemijskih reakcij je bila posoda prekrita z aluminijasto folijo.
Rezultati analize so pokazali, da se pretvorba PAH povečuje z daljšanjem trajanja sonikacije.
Pri naftalenu se je pretvorba s pomočjo ultrazvoka (ultrazvočna moč nastavljena na 150W) povečala s 77,6%, doseženih po 30 min. sonikacije, na 84,4% po 60 min. sonikacije.
Pri acenaftilenu se je pretvorba s pomočjo ultrazvoka (ultrazvočna moč nastavljena na 150W) povečala s 77,6%, doseženih po 30 min. sonikacije z ultrazvočno močjo 150W, na 84,4% po 60 min. sonikacije z ultrazvokom 150W, povečala se je z 80,7%, doseženih po 30 min. sonikacije z ultrazvočno močjo 150W, na 96,6% po 60 min. sonikacije.
Pri fenantrenu se je pretvorba s pomočjo ultrazvoka (ultrazvočna moč nastavljena na 150W) povečala s 73,8%, doseženih po 30 min. sonikacije, na 83,0% po 60 min. sonikacije.
Za povečanje učinkovitosti razgradnje je mogoče vodikov peroksid učinkoviteje izkoristiti z dodatkom železovega(II) iona. Dokazano je bilo, da ima dodatek železovega(II) iona sinergijske učinke, ki posnemajo Fentonu podobno reakcijo.
Priporočena naprava:
UP400S s H7
Referenca / raziskovalni članek:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Razgradnja policikličnih aromatskih ogljikovodikov v vodnih raztopinah z ultrazvočnim obsevanjem. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Odstranjevanje oksidne plasti s podlag

Ultrazvočna uporaba:
Za pripravo podlage pred rastjo nanožic CuO na podlagah Cu je bila naravna oksidna plast na površini Cu odstranjena s sonikacijo vzorca v 0.7 M klorovodikovi kislini 2 min. z napravo Hielscher UP200S. Vzorec je bil ultrazvočno očiščen v acetonu 5 min. za odstranitev organskih nečistoč, temeljito spran z deionizirano (DI) vodo in posušen s stisnjenim zrakom.
Priporočena naprava:
UP200S ali UP200St
Referenca / raziskovalni članek:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Uravnavanje lastnosti zaznavanja plinov pri nanožicah CuO z ustvarjanjem ločenih nanometrskih p−n spojev na njihovih površinah. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Voltametrični poskusi

Ultrazvočna uporaba:
Za voltametrične poskuse, izboljšane z ultrazvokom, je bil uporabljen ultrazvočni procesor Hielscher UP200S z močjo 200 vatov, opremljen s steklenim rogom (konica premera 13 mm). Ultrazvok je bil uporabljen z intenziteto 8 W/cm^–2.
Zaradi počasne difuzije nanodelcev v vodnih raztopinah in velikega števila redoks centrov na nanodelec v neposredni voltametriji nanodelcev v raztopinski fazi prevladujejo adsorpcijski učinki. Za zaznavanje nanodelcev brez kopičenja zaradi adsorpcije je treba izbrati eksperimentalni pristop z (i) dovolj visoko koncentracijo nanodelcev, (ii) majhnimi elektrodami za izboljšanje razmerja med signalom in ozadjem ali (iii) zelo hitrim prenosom snovi.
Zato so McKenzie in sod. (2012) uporabili visokozmogljivi ultrazvok za drastično povečanje hitrosti prenosa snovi nanodelcev proti površini elektrode. V njihovi eksperimentalni postavitvi je elektroda neposredno izpostavljena ultrazvoku visoke intenzitete pri razdalji 5 mm med elektrodo in rogom ter intenziteti sonikacije 8 W/cm^–2 , kar povzroča mešanje in kavitacijsko čiščenje. Za umerjanje hitrosti prenosa snovi, dosežene pri teh pogojih, je bil uporabljen preskusni redoks sistem, enoelektronska redukcija Ru(NH3)₆³⁺ v vodni raztopini 0,1 M KCl.
Priporočena naprava:
UP200S ali UP200St
Referenca / raziskovalni članek:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Neposredna elektrokemija nanodelcev Fe2O3 v vodni raztopini in adsorbiranih na indijevem oksidu, dopiranem s kositrom. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Sonikatorji za sonokemijske reakcije od laboratorijskega do industrijskega merila

Hielscher ponuja celotno paleto ultrazvočnih procesorjev, od ročnega laboratorijskega homogenizatorja do povsem industrijskih sonikatorjev za tokove z velikim volumskim pretokom. Vse rezultate, dosežene v majhnem merilu med preskušanjem, raziskavami in razvojem ter optimizacijo ultrazvočnega procesa, je mogoče >linearno prenesti v merilo polne komercialne proizvodnje. Sonikatorji Hielscher so zanesljivi, robustni in izdelani za delovanje 24/7.
Vprašajte nas, kako ovrednotiti, optimizirati in povečati merilo vašega procesa! Z veseljem vam pomagamo v vseh fazah – od prvih preskusov in optimizacije procesa do namestitve v vašo industrijsko proizvodno linijo!