Сонохемија: напомене о примени

Сонохемија је дејство ултразвучне кавитације на хемијске системе. Због екстремних услова који настају у кавитационој „врућој тачки“, ултразвук велике снаге је веома ефикасна метода за побољшање исхода реакције (већи принос, бољи квалитет), конверзије и трајања хемијске реакције. Неке хемијске промене могу се постићи само соникацијом, као што је наношење превлаке калаја нанометарске дебљине на титан или алуминијум.

У наставку је дат избор честица и течности са одговарајућим препорукама за обраду материјала ради млевења, дисперговања, деагломерације или модификације честица помоћу ултразвучног хомогенизатора.

У наставку су дати неки протоколи соникације за успешне сонохемијске реакције!

По абецедном реду:

α-Епоксикетони – реакција отварања прстена

Примена ултразвука:
Каталитичко отварање прстена α-епоксикетона спроведено је комбинацијом ултразвука и фотохемијских метода. Као фотокатализатор коришћен је 1-бензил-2,4,6-трифенилпиридинијум-тетрафлуороборат (NBTPT). Комбинацијом соникације (сонохемије) и фотохемије ових једињења у присуству NBTPT постигнуто је отварање епоксидног прстена. Показано је да примена ултразвука значајно повећава брзину фотоиндуковане реакције. Ултразвук може знатно утицати на фотокаталитичко отварање прстена α-епоксикетона, пре свега због ефикасног преноса масе реактаната и побуђеног стања NBTPT. Такође, пренос електрона између активних врста у овом хомогеном систему уз примену соникације одвија се
брже него у систему без соникације. Већи приноси и краћа времена реакције представљају предности ове методе.

Фотокаталитичко отварање прстена α-епоксикетона уз помоћ ултразвука (истраживање и графички приказ: ©Memarian и сар. 2007)

Протокол соникације:
α-Епоксикетони 1a-f и 1-бензил-2,4,6-трифенилпиридинијум-тетрафлуороборат 2 припремљени су према објављеним поступцима. Метанол је набављен од компаније Merck и дестилован пре употребе. Коришћен је ултразвучни уређај са сондом UP400S компаније Hielscher Ultrasonics GmbH. Ултразвучни урањајући рог S3 (познат и као сонда или сонотрода), који емитује ултразвук фреквенције 24 kHz са подесивим нивоима интензитета до максималне густине акустичке снаге од 460Wcm^-2 коришћен је за соникацију. Соникација је спроведена на 100% (максимална амплитуда 210μm). Сонотрода S3 (максимална дубина урањања 90mm) уроњена је директно у реакциону смешу. UV озрачивање спроведено је помоћу живине лампе високог притиска снаге 400W произвођача Narva, уз хлађење узорака у стаклу Duran. Спектри ¹H NMR смеше фотопроизвода мерени су у растворима CDCl₃ који садрже тетраметилсилан (TMS) као интерни стандард, на уређају Bruker drx-500 (500 MHz). Препаративна слојна хроматографија (PLC) изведена је на плочама димензија 20 × 20cm² прекривеним слојем силика-гела Merck PF₂₅₄ дебљине 1mm, припремљеним наношењем силике у облику суспензије и сушењем на ваздуху. Сви производи су познати и њихови спектрални подаци су раније објављени.
Препоручени уређај:
UP400S са ултразвучним рогом S3
Референца / истраживачки рад:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Фотосонохемијско каталитичко отварање прстена α-епоксикетона. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Катализатор алуминијум/никл: наноструктурирање легуре Al/Ni

Примена ултразвука:
Честице Al/Ni могу се сонохемијски модификовати наноструктурирањем полазне легуре Al/Ni. Тиме се добија ефикасан катализатор за хидрогенизацију ацетофенона.
Ултразвучна припрема катализатора Al/Ni:
5g комерцијалне легуре Al/Ni дисперговано је у пречишћеној води (50mL) и сониковано до 50 min. ултразвучним соникатором са сондом UIP1000hd (1kW, 20kHz), опремљеним ултразвучним рогом BS2d22 (површина главе 3,8 cm²) и појачивачем амплитуде B2-1.8. Израчунати максимални интензитет износио је 140 Wcm⁻² при механичкој амплитуди од 106μm. Да би се избегао пораст температуре током соникације, експеримент је изведен у термостатираној ћелији. Након соникације, узорак је осушен под вакуумом помоћу пиштоља за врућ ваздух.
Препоручени уређај:
UIP1000hd са сонотродом BS2d22 и појачивачем амплитуде B2–1,2
Референца / Научни рад:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Сонохемијска активација Al/Ni катализатора за хидрогенацију. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Трансестерификација за добијање биодизела уз употребу MgO катализатора

Примена ултразвука:
Реакција трансестерификације испитивана је уз стално ултразвучно мешање соникатором UP200S при различитим параметрима, као што су количина катализатора, моларни однос метанола и уља, температура реакције и трајање реакције. Шаржни експерименти изведени су у реактору од тврдог стакла (300 ml, унутрашњи пречник 7 cm) са поклопцем са два грла и брушеним спојем. Једно грло било је повезано са титанијумском сонотродом S7 (пречник врха 7 mm) ултразвучног процесора UP200S (200W, 24kHz). Амплитуда ултразвука подешена је на 50% уз 1 циклус у секунди. Реакциона смеша је соникована током целокупног трајања реакције. Друго грло реакционе коморе било је опремљено прилагођеним кондензатором од нерђајућег челика, хлађеним водом, за повратно кондензовање испареног метанола. Цела апаратура постављена је у уљано купатило са константном температуром, којом је управљао пропорционално-интегрално-диференцијални регулатор температуре. Температура се може повећати до 65°C са тачношћу од ±1°C. Као сировине за трансестерификацију за добијање биодизела коришћени су отпадно уље и метанол чистоће 99,9%. Као катализатор коришћен је MgO нанометарских димензија, таложен из дима (магнезијумска трака).
Одличан резултат конверзије добијен је при уделу катализатора од 1,5 wt%; при моларном односу метанола и уља од 5:1 на 55°C, након 45 min. постигнута је конверзија од 98,7%.
Препоручени уређај:
UP200S са ултразвучном сонотродом S7
Референца / Научни рад:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Студије сонохемијске производње биодизела уз употребу нано-MgO катализатора таложеног из дима. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Синтеза нанокомпозита кадмијум(II)–тиоацетамид

Примена ултразвука:
Нанокомпозити кадмијум(II)–тиоацетамид синтетисани су сонохемијским поступком у присуству и одсуству поливинил-алкохола. За сонохемијску синтезу (соносинтезу), 0,532 g кадмијум(II)-ацетата дихидрата (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g тиоацетамида (TAA, CH3CSNH2) и 0,664 g калијум-јодида (KI) растворено је у 20mL двоструко дестиловане дејонизоване воде. Овај раствор је третиран ултразвучним уређајем UP400S велике снаге са сондом (24 kHz, 400W) на собној температури током 1 h. Током ултразвучног третмана реакционе смеше температура је порасла на 70–80degC, што је измерено термопаром гвожђе–константан. После једног сата формирао се јаркожути талог. Издвојен је центрифугирањем (4.000 rpm, 15 min), испран двоструко дестилованом водом, а затим апсолутним етанолом ради уклањања заосталих нечистоћа и на крају осушен на ваздуху (принос: 0,915 g, 68%). Температура разлагања: 200°C. За припрему полимерног нанокомпозита, 1,992 g поливинил-алкохола растворено је у 20 mL двоструко дестиловане дејонизоване воде, а затим додато у претходно наведени раствор. Ова смеша је излагана ултразвуку помоћу ултразвучне сонде UP400S током 1 h, при чему је формиран јарконаранџасти производ.
Резултати SEM анализе показали су да су се у присуству PVA величине честица смањиле са око 38 nm на 25 nm. Затим смо синтетисали хексагоналне наночестице CdS сферне морфологије термичким разлагањем полимерног нанокомпозита кадмијум(II)–тиоацетамид/PVA као прекурсора. Величина наночестица CdS измерена је методама XRD и SEM, а резултати су се међусобно веома добро слагали.
Ranjbar и сар. (2013) такође су утврдили да је полимерни нанокомпозит Cd(II) погодан прекурсор за припрему наночестица кадмијум-сулфида занимљивих морфологија. Сви резултати су показали да се ултразвучна синтеза може успешно применити као једноставна, ефикасна, јефтина, еколошки прихватљива и веома перспективна метода за синтезу материјала нанометарских димензија без потребе за посебним условима, као што су висока температура, дуго време реакције и висок притисак.
Препоручени уређај:
UP400S
Референца / Научни рад:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Синтеза и карактеризација нанокомпозита кадмијум–тиоацетамид. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – Ултразвучно облагање стеаринском киселином

Примена ултразвука:
Ултразвучно облагање нанопреципитованог CaCO₃ (NPCC) стеаринском киселином ради побољшања његовог дисперговања у полимеру и смањења агломерације. 2g необложеног нанопреципитованог CaCO₃ (NPCC) третирано је ултразвучним уређајем UP400S у 30ml етанола. У етанолу је растворено 9 wt% стеаринске киселине. Етанол са стеаринском киселином затим је помешан са суспензијом третираном ултразвуком.
Препоручени уређај:
UP400S са сонотродом пречника 22mm (H22D) и проточном ћелијом са расхладним плаштом
Референца / Научни рад:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Ефекти ултразвука при облагању нанопреципитованог CaCO3 стеаринском киселином. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Силан допиран церијум-нитратом

Примена ултразвука:
Хладноваљане плоче од угљеничног челика (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; хемијски очишћене и механички полиране) коришћене су као металне подлоге. Пре наношења премаза, плоче су ултразвучно очишћене ацетоном, а затим алкалним раствором (раствор NaOH концентрације 0,3mol L1) на 60°C током 10 min. За употребу као основни премаз, пре предтретмана подлоге, типична формулација која садржи 50 делова γ-глицидоксипропилтриметоксисилана (γ-GPS) разблажена је са око 950 делова метанола, при pH 4,5 (подешеном сирћетном киселином), и остављена да би се омогућила хидролиза силана. Поступак припреме силана допираног пигментима церијум-нитрата био је исти, осим што је у раствор метанола пре додавања (γ-GPS) додато 1, 2, 3 мас.% церијум-нитрата, а затим је овај раствор мешан пропелерском мешалицом на 1600 rpm током 30 min. на собној температури. Затим су дисперзије које садрже церијум-нитрат сонициране 30 min на 40°C уз спољашње расхладно купатило. Ултразвучни третман је изведен ултрасоникатором UIP1000hd (1000W, 20 kHz), уз улазну ултразвучну снагу од око 1 W/mL. Предтретман подлоге изведен је испирањем сваке плоче одговарајућим раствором силана током 100 секунди. Након третмана, плоче су остављене да се суше на собној температури 24 h, а затим су претходно третиране плоче премазане двокомпонентним епоксидним премазом који очвршћава помоћу амина (Epon 828, shell Co.), тако да дебљина влажног филма буде 90μm. Плоче са епоксидним премазом остављене су да очвршћавају 1h на 115°C; након очвршћавања епоксидних премаза, дебљина сувог филма износила је око 60μm.
Препорука уређаја:
UIP1000hd
Референца / научни рад:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Електрохемијски ефекти предтретмана силаном који садржи церијум-нитрат на својства катодног одвајања епоксидног премаза од челика. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Бакар–алуминијумске структуре: синтеза порозних Cu-Al структура

Ултразвучна примена:
Порозни бакар–алуминијум стабилизован металним оксидом представља обећавајући нови алтернативни катализатор за дехидрогенизацију пропана, који не садржи племените ни опасне метале. Структура оксидоване порозне Cu–Al легуре (металног сунђера) слична је структури метала Ренијевог типа. Ултразвук велике снаге је алат зелене хемије за синтезу порозних бакар–алуминијумских структура стабилизованих металним оксидом. Оне су јефтине (трошкови производње износе приближно 3 EUR/литар), а метода се лако може пренети на већи обим. Ови нови порозни материјали (или „метални сунђери“) имају унутрашњост од легуре и оксидовану површину и могу катализовати дехидрогенизацију пропана на ниским температурама.
Поступак ултразвучне припреме катализатора:
Пет грама праха Al–Cu легуре дисперговано је у ултрачистој води (50mL) и соницирано 60 min помоћу Hielscher соникатора са сондом UIP1000hd (20kHz, максимална излазна снага 1000W). Ултразвучни уређај са сондом био је опремљен сонотродом BS2d22 (површина врха 3,8cm²) и појачивачем амплитуде B2–1,2. Израчунати максимални интензитет износио је 57 W/cm² при механичкој амплитуди од 81μm. Током третмана узорак је хлађен у леденом купатилу. Након третмана, узорак је сушен на 120°C током 24 h.
Препорука уређаја:
UIP1000hd са сонотродом BS2d22 и појачивачем амплитуде B2–1,2
Референца / научни рад:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Нови и ефикасни бакар–алуминијумски катализатори за дехидрогенизацију пропана. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Разградња бакар-фталоцијанина

Ултразвучна примена:
Обезбојавање и разградња металофталоцијанина
Бакар-фталоцијанин се соницира са водом и органским растварачима на температури околине и атмосферском притиску, у присуству каталитичке количине оксидационог средства, помоћу ултрасоникатора UIP500hd снаге 500W са проточном комором, при нивоу снаге од 37–59 W/cm²: 5 mL узорка (100 mg/L), 50 двоструко дестиловане воде са хлороформом и пиридином при 60% ултразвучне амплитуде. Температура реакције: 20°C.
Препорука уређаја:
UIP500hd

Злато: морфолошка модификација наночестица злата

Примена ултразвука:
Наночестице злата су морфолошки модификоване интензивним ултразвучним озрачивањем. Утврђено је да је ултразвучни третман у трајању од 20 минута у чистој води и у присуству површински активних материја довољан за спајање наночестица злата у структуру налик бучици. После 60 минута соникације, наночестице злата у води попримају структуру налик црву или прстену. Спојене наночестице сферичног или овалног облика формиране су ултразвуком у присуству раствора натријум-додецилсулфата или додециламина.
Протокол ултразвучног третмана:
За ултразвучну модификацију, раствор колоидног злата, који се састојао од претходно формираних наночестица злата заштићених цитратом, просечног пречника 25nm (± 7nm), сонициран је у затвореној реакторској комори (запремине приближно 50mL). Раствор колоидног злата (0,97 mmol·L^-1) ултразвучно је озрачиван високим интензитетом (40 W/cm^-2) помоћу ултразвучног уређаја Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W), опремљеног сонотродом BS2d18 од легуре титанијума (пречник врха 0,7 инча), која је била уроњена око 2 cm испод површине соницираног раствора. Кроз колоидно злато пропуштан је аргон (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 минута пре и током соникације, протоком од 200 mL·min^-1 ради уклањања кисеоника из раствора. У порцију од 35-mL сваког раствора површински активне материје без додатка тринатријум-цитрат дихидрата додато је 15 mL претходно формираног колоидног злата, уз пропуштање мехурића аргона 20 минута пре и током ултразвучног третмана.
Препорука уређаја:
UIP1000hd са сонотродом BS2d18 и проточним реактором
Референца / научни рад:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ултразвучно потпомогнуто спајање претходно формираних наночестица злата. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Неорганско ђубриво – излуживање Cu, Cd и Pb ради анализе

Примена ултразвука:
Екстракција Cu, Cd и Pb из неорганских ђубрива у аналитичке сврхе:
За ултразвучну екстракцију бакра, олова и кадмијума, узорци који садрже смешу ђубрива и растварача соницирају се ултразвучним уређајем, као што је соникатор VialTweeter за индиректну соникацију. Узорци ђубрива соницирани су у присуству 2mL 50% (v/v) HNO₃ у стакленим епруветама током 3 минута. Cu, Cd и Pb у екстрактима могу се одредити пламеном атомском апсорпционом спектрометријом (FAAS).
Препорука уређаја:
VialTweeter
Референца / научни рад:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Алтернативна аналитичка метода за одређивање метала у неорганским ђубривима заснована на ултразвучно потпомогнутој екстракцији. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Синтеза латекса

Примена ултразвука:
Припрема P(St-BA) латекса
Честице латекса поли(стирен-r-бутил-акрилата) P(St-BA) синтетисане су емулзионом полимеризацијом у присуству површински активне материје DBSA. Најпре је 1 g DBSA растворен у 100mL воде у трогрлом балону, а pH вредност раствора подешена је на 2,0. Смеша мономера од 2,80g St и 8,40g BA са иницијатором AIBN (0,168g) сипана је у раствор DBSA. Емулзија уља у води (O/W) припремљена је магнетним мешањем током 1 h, након чега је уследила соникација соникатором UIP1000hd, опремљеним ултразвучним рогом (сондом / сонотродом), још 30 минута у леденом купатилу. На крају је полимеризација спроведена на 90degC у уљном купатилу током 2h у атмосфери азота.
Препорука уређаја:
UIP1000hd
Референца / научни рад:
Израда флексибилних проводних филмова добијених од поли(3,4-етилендиокситиофена)еполи(стиренсулфонске киселине) (PEDOT:PSS) на подлози од нетканог текстила. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Кликните овде да бисте прочитали више о соносинтези латекса!

Уклањање олова (соноизлуживање)

Примена ултразвука:
Ултразвучно излуживање олова из контаминираног земљишта:
Експерименти ултразвучног излуживања изведени су ултразвучним хомогенизатором UP400S са титанијумском ултразвучном сондом (пречника 14mm), који ради на фреквенцији од 20kHz. Ултразвучна сонда (сонотрода) калибрисана је калориметријски, а интензитет ултразвука подешен је на 51 ± 0,4 W cm^-2 за све експерименте соноизлуживања. Експерименти соноизлуживања термостатирани су помоћу стаклене ћелије са равним дном и плаштом на 25 ± 1°C. Као раствори за излуживање земљишта (0,1L) током соникације коришћена су три система: 6 mL 0,3 mol L^-2 раствора сирћетне киселине (pH 3,24), 3% (v/v) раствор азотне киселине (pH 0,17) и пуфер сирћетна киселина/ацетат (pH 4,79), припремљен мешањем 60mL 0,3 mol L^-1 сирћетне киселине са 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH. Након процеса соноизлуживања, узорци су филтрирани кроз филтер-папир ради одвајања раствора излужевине од земљишта, након чега су извршени електроталожење олова из раствора излужевине и дигестија земљишта након примене ултразвука.
Доказано је да је ултразвук драгоцено средство за побољшање излуживања олова из загађеног земљишта. Ултразвук је такође ефикасна метода за готово потпуно уклањање олова подложног излуживању из земљишта, чиме се добија знатно мање опасно земљиште.
Препоручени уређај:
UP400S са сонотродом H14
Референца / научни рад:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Комбиновано ултразвучно излуживање и електрохемијски третман за уклањање олова из земљишта. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – Синтеза наночестица олово-сулфида

Примена ултразвука:
На собној температури, 0,151 g олово-ацетата (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) и 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) додати су у 5mL јонске течности, [EMIM] [EtSO₄], и 15mL двоструко дестиловане воде у лабораторијској чаши од 50mL, изложеној ултразвучном зрачењу помоћу соникатора Hielscher UP200S током 7 min. Врх ултразвучне сонде / сонотроде S1 уроњен је директно у реакциони раствор. Настала тамносмеђа суспензија центрифугирана је ради издвајања талога и испрана два пута двоструко дестилованом водом, а затим етанолом, ради уклањања неизреагованих реагенаса. Да би се испитао утицај ултразвука на својства производа, припремљен је још један упоредни узорак, уз непромењене реакционе параметре, осим што је производ припремљен уз непрекидно мешање током 24 h без помоћи ултразвучног зрачења.
За припрему наночестица PbS предложена је синтеза потпомогнута ултразвуком у воденом раствору јонске течности на собној температури. Ова еколошки нешкодљива зелена метода на собној температури брза је и не захтева шаблон, што знатно скраћује време синтезе и омогућава избегавање сложених поступака синтезе. Тако припремљени нанокластери показују огроман плави помак од 3,86 eV, који се може приписати веома малој величини честица и ефекту квантног ограничења.
Препоручени уређај:
UP200S
Референца / научни рад:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Једноставна припрема и карактеризација наночестица PbS на собној температури у воденој [EMIM][EtSO4] јонској течности уз примену ултразвучног озрачивања. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Разградња фенола

Примена ултразвука:
Rokhina и сар. (2013) користили су комбинацију персирћетне киселине (PAA) и хетерогеног катализатора (MnO₂) за разградњу фенола у воденом раствору под ултразвучним зрачењем. Ултразвучна обрада спроведена је соникатором са сондом UP400S од 400W, који може да врши соникацију непрекидно или у импулсном режиму (тј. 4 секунде укључен и 2 секунде искључен) на фиксној фреквенцији од 24 kHz. Израчунате вредности укупне улазне снаге, густине снаге и интензитета снаге предатих систему износиле су 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, и 14,3 W/cm^-2, редом. Током свих експеримената коришћена је константна снага. За контролу температуре унутар реактора коришћен је урањајући циркулатор. Стварно време соникације износило је 4 h, иако је укупно време реакције било 6 h због рада у импулсном режиму. У типичном експерименту, стаклени реактор је напуњен са 100mL раствора фенола (1,05 mM) и одговарајућим дозама катализатора MnO2 и PAA (2%), у распону од 0–2 g L^-1 и 0–150 ppm, редом. Све реакције су извођене при приближно неутралном pH, атмосферском притиску и собној температури (22 ± 1 °C).
Ултразвучном обрадом површина катализатора повећана је 4 пута, без промене структуре. Фреквенције каталитичког обрта (TOF) повећане су са 7 x 10^-3 на 12,2 x 10^-3 min^-1, у поређењу са процесом без ултразвука. Поред тога, није утврђено значајно излуживање катализатора. Изотермска оксидација фенола при релативно ниским концентрацијама реагенаса показала је високе степене уклањања фенола (до 89%) у благим условима. Уопштено, ултразвук је убрзао процес оксидације током првих 60 min. (70% уклањања фенола у поређењу са 40% током обраде без ултразвука).
Препорука уређаја:
UP400S
Референца/научни рад:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ултразвуком потпомогнута хомолиза персирћетне киселине катализована MnO₂ ради разградње фенола: процена хемије и кинетике процеса. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Фенол: оксидација фенола уз употребу RuI₃ као катализатора

Примена ултразвука:
Хетерогена оксидација фенола у воденој средини на RuI₃ водоник-пероксидом (H₂O₂): Каталитичка оксидација фенола (100 ppm) на RuI₃ као катализатору испитивана је у стакленом реактору запремине 100 mL, опремљеном магнетном мешалицом и регулатором температуре. Реакциона смеша је мешана брзином од 800 rpm током 1–6 сати како би се обезбедило потпуно мешање ради равномерне расподеле и потпуног суспендовања честица катализатора. Током соникације раствор није механички мешан због поремећаја изазваних осциловањем и колапсом кавитационих мехурића, који сами по себи обезбеђују изузетно ефикасно мешање. Ултразвучно озрачивање раствора спроведено је ултразвучним претварачем UP400S опремљеним ултразвучним системом (такозваним соникатором са сондом), који може да ради непрекидно или у импулсном режиму при фиксној фреквенцији од 24 kHz и максималној излазној снази од 400W.
За експеримент је нетретирани RuI₃ као катализатор (0,5–2 gL^-1) уведен у облику суспензије у реакциону средину, након чега је додат H2O2 (30%, концентрација у распону од 200–1200 ppm).
Rokhina и сарадници су у својој студији утврдили да је ултразвучно озрачивање имало значајну улогу у модификацији текстуралних својстава катализатора, стварајући микропорозну структуру са већом површином као резултат фрагментације честица катализатора. Осим тога, имало је подстицајно дејство, спречавајући агломерацију честица катализатора и побољшавајући приступ фенола и водоник-пероксида активним местима катализатора.
Двоструко повећање ефикасности процеса потпомогнутог ултразвуком у поређењу са процесом оксидације без ултразвука приписано је побољшаном каталитичком деловању катализатора и стварању оксидујућих врста као што су •OH, •HO2 и •I₂ раскидањем водоничних веза и рекомбинацијом радикала.
Препорука уређаја:
UP400S
Референца/научни рад:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ултразвуком потпомогнута хетерогена оксидација фенола пероксидом у воденој средини, катализована рутенијумом. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Честице Ag/ZnO обложене PLA

Примена ултразвука:
Облагање честица Ag/ZnO полимером PLA: Микрочестице и субмикрочестице Ag/ZnO обложене полимером PLA припремљене су техником испаравања растварача из емулзије уље у води. Ова метода је спроведена на следећи начин. Прво је 400 mg полимера растворено у 4 ml хлороформа. Добијена концентрација полимера у хлороформу била је 100 mg/ml. Затим је раствор полимера емулгован у воденом раствору различитих система површински активних материја (емулгатор, PVA 8-88) уз непрекидно мешање хомогенизатором при брзини мешања од 24.000 rpm. Смеша је мешана 5 min. и током тог периода емулзија која се формирала хлађена је ледом. Однос воденог раствора површински активне материје и раствора PLA у хлороформу био је исти у свим експериментима (4:1). Потом је добијена емулзија третирана ултразвучним уређајем са сондом UP400S (400W, 24kHz) током 5 min. при циклусу 0,5 и амплитуди 35%. На крају је припремљена емулзија пренета у Ерленмајерову тиквицу и мешана, а органски растварач је испарен из емулзије под сниженим притиском, што је на крају довело до формирања суспензије честица. Након уклањања растварача, суспензија је центрифугирана три пута ради уклањања емулгатора.
Препоручени уређај:
UP400S
Референца/ научни рад:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Хибридне антибактеријске честице синтетисане микроталасима и обложене поли(L-млечном киселином). Nanocon 2011.

Полианилински композит

Примена ултразвука:
Припрема композита на бази воде од самодопираног нанополианилина (SPAni) (Sc-WB)
За припрему композита SPAni на бази воде, 0,3 gr SPAni, синтетисаног полимеризацијом in situ у средини ScCO2, разблажено је водом и соницирано 2 минута ултразвучним хомогенизатором UIP1000hd снаге 1000W. Затим је добијена суспензија хомогенизована уз додавање 125 gr матрице учвршћивача на бази воде током 15 min., а завршна соникација је спроведена на температури околине током 5 min.
Препоручени уређај:
UIP1000hd
Референца/ научни рад:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Заштитна својства епоксидног премаза на бази воде који садржи самодопирани нанополианилин синтетисан у ScCO2. 2013.

Полициклични ароматични угљоводоници: Сонохемијска разградња нафталена, аценафтилена и фенантрена

Примена ултразвука:
За сонохемијску разградњу полицикличних ароматичних угљоводоника (PAHs), нафталена, аценафтилена и фенантрена у води, смеше узорака су сонициране на 20◦C при концентрацији сваког циљног PAH од 50 µg/l (укупна почетна концентрација од 150 µg/l). Ултразвучни третман је спроведен ултразвучним уређајем UP400S са сонотродом (400W, 24kHz), који може да ради у континуалном или импулсном режиму. Соникатор UP400S био је опремљен титанијумском сондом H7 са врхом пречника 7 mm. Реакције су спроведене у цилиндричној стакленој реакционој посуди запремине 200 mL, са титанијумском сонотродом постављеном на врху реакционе посуде и заптивеном помоћу О-прстенова и тефлонског вентила. Реакциона посуда је постављена у водено купатило ради контроле температуре процеса. Да би се избегле било какве фотохемијске реакције, посуда је прекривена алуминијумском фолијом.
Резултати анализе су показали да конверзија полицикличних ароматичних угљоводоника расте са продужењем трајања соникације.
За нафтален, конверзија потпомогнута ултразвуком (снага ултразвука подешена на 150W) порасла је са 77,6%, постигнутих после 30 min. соникације, на 84,4% после 60 min. соникације.
За аценафтилен, конверзија потпомогнута ултразвуком (снага ултразвука подешена на 150W) порасла је са 77,6%, постигнутих после 30 min. соникације снагом ултразвука од 150W, на 84,4% после 60 min. соникације ултразвуком од 150W, порасла је са 80,7%, постигнутих после 30 min. соникације снагом ултразвука од 150W, на 96,6% после 60 min. соникације.
За фенантрен, конверзија потпомогнута ултразвуком (снага ултразвука подешена на 150W) порасла је са 73,8%, постигнутих после 30 min. соникације, на 83,0% после 60 min. соникације.
Ради повећања ефикасности разградње, водоник-пероксид се може ефикасније искористити када се дода јон гвожђа(II). Показано је да додавање јона гвожђа(II) има синергијске ефекте који опонашају реакцију сличну Фентоновој.
Препорука уређаја:
UP400S са H7
Референца/научни рад:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Разградња полицикличних ароматичних угљоводоника у воденим растворима ултразвучним озрачивањем. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Уклањање оксидног слоја са супстрата

Примена ултразвука:
Ради припреме супстрата пре раста CuO наножица на Cu супстратима, природни оксидни слој на површини Cu уклоњен је соникацијом узорка у 0,7 M хлороводоничној киселини током 2 min. помоћу уређаја Hielscher UP200S. Узорак је ултразвучно чишћен у ацетону током 5 min. ради уклањања органских загађивача, темељно испран дејонизованом (DI) водом и осушен компримованим ваздухом.
Препорука уређаја:
UP200S или UP200St
Референца/научни рад:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Подешавање својстава CuO наножица за детекцију гасова стварањем дискретних p−n спојева нанометарских димензија на њиховим површинама. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192−4199.

Волтаметријски експерименти

Примена ултразвука:
За волтаметријске експерименте побољшане ултразвуком коришћен је ултразвучни уређај Hielscher UP200S снаге 200 вати, опремљен стакленом сонотродом (врх пречника 13 mm). Ултразвук је примењен интензитетом од 8 W/cm^–2.
Због споре дифузије наночестица у воденим растворима и великог броја редокс центара по наночестици, у директној волтаметрији наночестица у раствору доминирају ефекти адсорпције. Да би се наночестице детектовале без акумулације услед адсорпције, мора се изабрати експериментални приступ са (i) довољно високом концентрацијом наночестица, (ii) малим електродама ради побољшања односа сигнала и позадине или (iii) веома брзим преносом масе.
Стога су McKenzie и сар. (2012) применили ултразвук велике снаге како би драстично повећали брзину преноса масе наночестица ка површини електроде. У њиховој експерименталној поставци, електрода је директно изложена ултразвуку високог интензитета, при растојању између електроде и ултразвучног рога од 5 mm и интензитету соникације од 8 W/cm^–2 , што доводи до мешања и кавитационог чишћења. За калибрацију брзине преноса масе постигнуте у овим условима коришћен је тестни редокс систем, једноелектронска редукција Ru(NH3)₆³⁺ у воденом раствору 0,1 M KCl.
Препоручени уређај:
UP200S или UP200St
Референца / научни рад:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Директна електрохемија наночестичног Fe2O3 у воденом раствору и адсорбованог на индијум-оксиду допираном калајем. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Соникатори за сонохемијске реакције од лабораторијских до индустријских размера

Hielscher нуди комплетан асортиман ултразвучних уређаја, од ручног лабораторијског хомогенизатора до потпуно индустријских соникатора за токове великог запреминског протока. Сви резултати постигнути у малим размерама током испитивања, истраживања и развоја и оптимизације ултразвучног процеса могу се >линеарно пренети на пуни обим комерцијалне производње. Hielscher соникатори су поуздани, робусни и направљени за рад 24/7.
Питајте нас како да процените, оптимизујете и повећате обим свог процеса! Радо ћемо вам помоћи у свим фазама – од првих испитивања и оптимизације процеса до уградње у вашу индустријску производну линију!