Hög effekt ultraljud

Hög effekt, låg frekventa ultraljud erbjuder hög potential för kemiska processer. När intensiva ultraljudsvågor introduceras i ett flytande medium, omväxlande högtrycks-och lågtrycks cykler med hastigheter beroende på frekvensen inträffar. Högtrycks cykler innebär kompression, medan låg frekventa cykler betyder förtunning av mediet. Under lågt tryck (rarefaction) cykel, hög effekt ultraljud skapar små vakuum bubblor i vätskan. Dessa vakuum bubblor växa under flera cykler.
Följaktligen till ultraljud intensitet, flytande kompresser och sträcker sig i varierande grad. Det innebär att kavitation bubblor kan bete sig på två sätt. Vid låga ultraljud intensiteter av ~ 1-3Wcm^-2, kavitation bubblorna oscillerar om vissa jämvikt storlek för många akustiska cykler. Detta fenomen kallas stabil kavitation. Vid höga ultraljudintensiteter (≤ 10Wcm^-2) de cavitational bubblorna bildas inom några akustiska cykler till en radie av minst två gånger sin ursprungliga storlek och kollaps vid en punkt av kompression när bubblan inte kan absorbera mer energi. Detta kallas övergående eller Tröghets kavitation. Under bubbla implosion, lokalt så kallade hot spots uppstår, som har extrema förhållanden: under implosion, är lokalt mycket höga temperaturer (ca. 5, 000K) och tryck (ca. 2, 000atm) nås. Implosion av kavitation bubblan resulterar också i flytande jets av upp till 280 m/s hastighet, som fungerar som mycket hög skjuvning krafter. [Suslick 1998/Santos et al. 2009]

Mesoporösa TiO₂ via ultraljud sol-gel syntes

Mesoporösa TiO₂ är Widley används som foto katalysatorn samt inom elektronik, sensor teknik och miljö sanering. För optimerade material egenskaper syftar den till att producera TiO₂ med hög kristallinitet och stor yta. Ultraljud assisterad sol-gel rutten har den fördelen att den inneboende och yttre egenskaper av tio₂, såsom partikel storlek, yta, por-volym, por-diameter, kristallinitet samt anatase, rutil och tio fas nyckeltal kan påverkas av att kontrol lera parametrarna.
Milani et al. (2011) har demonstrerat en syntes av TiO₂ anatas nanopartiklar. Därför tillämpades sol-gel-processen på TiCl-₄ föregångare och båda sätten, med och utan ultraljud, har jämförts. Resultaten visar att ultraljud bestrålning har en monotont effekt på alla komponenter i lösningen som gjorts av sol-gel metod och orsaka att bryta lös länkar av stora nanometriska kolloider i lösning. Således skapas mindre nanopartiklar. Den lokalt uppstående kicken pressar, och temperaturer bryter bondings i lång polymer kedjar, såväl som de svaga anknyter bindande mindre partiklarna, som större kolloidal samlas vid bildas. Jämförelsen av både TiO₂ prover, i närvaro och i avsaknad av ultraljud bestrålning, visas i SEM bilderna nedan (se pic. 2).

Pic. 2: SEM bilder av TiO2 pwder, kalcinerade vid 400 degC för 1H och gelatinization tid 24h: (a) i närvaro av och (b) i avsaknad av ultraljud. [Milani et al. 2011]

Dessutom kan kemiska reaktioner dra nytta av sonochemical effekter, som inkluderar t. ex. brott av kemiska obligationer, betydande förbättring av kemisk reaktivitet eller molekylär nedbrytning.

Sono-gels

I Sono-katalytiskt assisterad sol-gel reaktioner, ultraljud appliceras på prekursorer. De resulterande materialen med nya egenskaper kallas sonogels. På grund av frånvaron av ytterligare lösnings medel i kombination med det ultraljuds- kavitation, en unik miljö för sol-gel reaktioner skapas, vilket möjliggör bildandet av särskilda egenskaper i den resulterande geler: hög densitet, fin textur, homogen struktur etc. Dessa egenskaper bestämmer utvecklingen av sonogels på vidare bearbetning och den slutliga material strukturen. [Blanco et al. 1999]
Suslick och pris (1999) visar att ultraljud bestrålning av Si (OC₂H₅)₄ i vatten med en syra katalysator producerar en kiseldioxid "sonogel". Vid konventionell beredning av kiseldioxid-geler från Si (OC₂H₅)₄, är etanol ett vanligt använt co-solvent på grund av icke-löslighet av Si (OC₂H₅)₄ i vatten. Användningen av sådana lösnings medel är ofta problematiskt eftersom de kan orsaka sprickbildning under tork steget. Ultraljud ger en mycket effektiv blandning så att flyktiga co-lösningsmedel som etanol kan undvikas. Detta resulterar i en kiseldioxid Sono-gel som kännetecknas av en högre densitet än konventionellt producerade geler. [Suslick et al. 1999, 319f.]
Konventionella Aerogel består av en låg densitet matris med stora tomma porer. Den sonogels, i kontrast, har finare porositet och porerna är ganska sfäriska-formad, med en slät yta. Sluttningar större än 4 i den höga vinkeln regionen avslöjar viktiga elektroniska densitet variationer på por-matris gränser [rosa-Fox et al. 1990].
Bilderna av ytan av pulvret prover visar tydligt att använda ultraljudsvågor resulterade i större homogenitet i den genomsnittliga storleken på partiklarna och resulterade i mindre partiklar. På grund av ultraljudsbehandling, den genomsnittliga partikel storleken minskar med ca. 3 nm. [Milani et al. 2011]
De positiva effekterna av ultraljud bevisas i olika forsknings studier. T. ex., rapport Neppolian et al. i sitt arbete vikten och fördelarna med ultraljud i modifiering och förbättring av de foto katalytiska egenskaperna hos mesoporösa nano-storlek TiO2 partiklar. [Neppolian et al. 2008]

Nanocoating via ultraljud sol-gel reaktion

Nanocoating innebär täckande material med ett nanoskalat skikt eller täckningen av en nano-storlek enhet. Därmed inkapslad eller Core-Shell strukturer erhålls. Sådana nanokompositer har fysiska och kemiska hög prestanda egenskaper på grund av kombinerade specifika egenskaper och/eller strukturerande effekter av komponenterna.
Exemplarily, kommer beläggningen förfarande indium tenn oxid (ITO) partiklar att demonstreras. ITO partiklar är belagda med kiseldioxid i en två stegs process, som visas i en studie av Chen (2009). I det första kemiska steget genomgår indium tenn oxid pulver en aminosilane suface behandling. Det andra steget är kiseldioxid beläggning under ultraljud. För att ge ett specifikt exempel på ultraljudsbehandling och dess effekter, det processteg som presenteras i Chens studie, sammanfattas nedan:
En typisk process för detta steg är följande: 10g GPTS blandades långsamt med 20g vatten för sur ATS av saltsyra (HCl) (pH = 1,5). 4G av nämnda aminosilane behandlat pulver lades sedan till blandningen, som ingår i en 100ml glas flaska. Flaskan placerades sedan under sonden av någon sonikator för kontinuerlig ultraljud bestrålning med uteffekt av 60W eller högre.
Sol-gel reaktion inleddes efter cirka 2-3min ultraljud bestrålning, på vilken vitt skum genererades, på grund av frisläppandet av alkohol vid omfattande hydrolys av GLYMO (3-(2, 3-Epoxypropoxy) propyltrimethoxysilane). Ultraljudsbehandling tillämpades för 20min, varefter lösningen rördes i flera timmar. När processen var klar, var partiklar samlades genom centrifugering och tvättades upprepade gånger med vatten sedan antingen torkas för karakterisering eller hållas spridda i vatten eller organiska lösnings medel. [Chen 2009, p. 217]