Sonokemi: Tillämpningsanvisningar

Sonokemi är effekten av ultraljudskavitation på kemiska system. På grund av de extrema förhållanden som uppstår i kavitationens ”heta punkt” är högeffektsultraljud en mycket effektiv metod för att förbättra reaktionsresultatet (högre utbyte, bättre kvalitet), omsättningen och reaktionstiden för en kemisk reaktion. Vissa kemiska förändringar kan endast åstadkommas med ultraljudsbehandling, såsom tennbeläggning i nanoskala på titan eller aluminium.

Nedan finns ett urval av partiklar och vätskor med tillhörande rekommendationer om hur materialet ska behandlas för att mala, dispergera, deagglomerera eller modifiera partiklarna med en ultraljudshomogenisator.

Nedan finns några protokoll för ultraljudsbehandling för framgångsrika sonokemiska reaktioner!

I alfabetisk ordning:

α-Epoxiketoner – Ringöppningsreaktion

Ultraljudstillämpning:
Den katalytiska ringöppningen av α-epoxiketoner utfördes med en kombination av ultraljud och fotokemiska metoder. 1-bensyl-2,4,6-trifenylpyridiniumtetrafluorborat (NBTPT) användes som fotokatalysator. Genom kombinationen av ultraljudsbehandling (sonokemi) och fotokemi för dessa föreningar i närvaro av NBTPT uppnåddes öppning av epoxidringen. Det visades att användningen av ultraljud ökade hastigheten för den fotoinducerade reaktionen avsevärt. Ultraljud kan påverka den fotokatalytiska ringöppningen av α-epoxiketoner kraftigt, främst på grund av reaktanternas effektiva masstransport och NBTPT:s exciterade tillstånd. Även elektronöverföringen mellan de aktiva specierna i detta homogena system sker med ultraljudsbehandling
snabbare än i systemet utan ultraljudsbehandling. Högre utbyten och kortare reaktionstider är fördelar med denna metod.

Ultraljudsassisterad fotokatalytisk ringöppning av α-epoxiketoner (studie och grafik: ©Memarian et al 2007)

Protokoll för ultraljudsbehandling:
α-Epoxiketonerna 1a-f och 1-bensyl-2,4,6-trifenylpyridiniumtetrafluorborat 2 framställdes enligt de rapporterade förfarandena. Metanol köptes från Merck och destillerades före användning. Ultraljudsutrustningen som användes var en ultraljudsenhet av sondtyp, UP400S, från Hielscher Ultrasonics GmbH. Ett ultraljudshorn för nedsänkning, S3 (även kallat sond eller sonotrod), som avger ultraljud med frekvensen 24 kHz vid intensitetsnivåer som kan ställas in upp till en maximal akustisk effekttäthet på 460Wcm^-2 användes. Ultraljudsbehandlingen utfördes vid 100% (maximal amplitud 210μm). Sonotroden S3 (maximalt nedsänkningsdjup 90mm) sänktes ned direkt i reaktionsblandningen. UV-bestrålningen utfördes med en 400W högtryckskvicksilverlampa från Narva med kylning av proverna i Duran-glas. De ¹H-NMR-spektra som erhölls för blandningen av fotoprodukter mättes i CDCl₃ -lösningar innehållande tetrametylsilan (TMS) som intern standard på en Bruker drx-500 (500 MHz). Preparativ skiktkromatografi (PLC) utfördes på 20 × 20cm² -plattor belagda med ett 1mm tjockt skikt av Merck kiselgel PF₂₅₄ som framställdes genom att applicera kiselgelen som en slurry och torka i luft. Alla produkter är kända och deras spektraldata har rapporterats tidigare.
Rekommenderad utrustning:
UP400S med ultraljudshorn S3
Referens/forskningsartikel:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Fotosonokemisk katalytisk ringöppning av α-epoxiketoner. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Aluminium/nickelkatalysator: Nanostrukturering av Al/Ni-legering

Ultraljudstillämpning:
Al/Ni-partiklar kan modifieras sonokemiskt genom nanostrukturering av den ursprungliga Al/Ni-legeringen. Därigenom framställs en effektiv katalysator för hydrering av acetofenon.
Framställning av Al/Ni-katalysator med ultraljud:
5g av den kommersiella Al/Ni-legeringen dispergerades i renat vatten (50mL) och ultraljudsbehandlades i upp till 50 min. med ultraljudsenheten av sondtyp UIP1000hd (1kW, 20kHz), utrustad med ultraljudshornet BS2d22 (huvudarea 3,8 cm²) och boostern B2-1.8. Den maximala intensiteten beräknades till 140 Wcm⁻² vid en mekanisk amplitud på 106μm. För att undvika temperaturökningen under ultraljudsbehandlingen utfördes experimentet i en termostatreglerad cell. Efter ultraljudsbehandlingen torkades provet under vakuum med en varmluftspistol.
Rekommenderad utrustning:
UIP1000hd med sonotrod BS2d22 och boosterhorn B2–1,2
Referens/ Forskningsartikel:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonokemisk aktivering av Al/Ni-hydreringskatalysator. Avancerade funktionella material 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterifiering för biodieselproduktion med MgO-katalysator

Ultraljudstillämpning:
Transesterifieringsreaktionen studerades under kontinuerlig ultraljudsblandning med ultraljudsapparaten UP200S för olika parametrar såsom katalysatormängd, molförhållandet mellan metanol och olja, reaktionstemperatur och reaktionstid. Satsförsöken utfördes i en reaktor av hårdglas (300 ml, 7 cm innerdiameter) med ett slipat lock med två halsar. Den ena halsen anslöts till titansonotroden S7 (spetsdiameter 7 mm) på ultraljudsprocessorn UP200S (200W, 24kHz). Ultraljudsamplituden ställdes in på 50% med 1 cykel per sekund. Reaktionsblandningen ultraljudsbehandlades under hela reaktionstiden. Reaktorkammarens andra hals försågs med en specialanpassad, vattenkyld återloppskylare av rostfritt stål för att återföra den förångade metanolen. Hela apparaten placerades i ett oljebad med konstant temperatur som reglerades av en proportionell-integrerande-deriverande temperaturregulator. Temperaturen kan höjas upp till 65°C med en noggrannhet på ±1°C. Spillolja och metanol med 99,9% renhet användes som råvaror för transesterifieringen för biodieselproduktion. Rökdeponerat MgO i nanostorlek (magnesiumband) användes som katalysator.
Ett utmärkt omvandlingsresultat erhölls vid 1,5 vikt% katalysator och ett molförhållande mellan metanol och olja på 5:1 vid 55°C; en omvandling på 98,7% uppnåddes efter 45 min.
Rekommenderad utrustning:
UP200S med ultraljudssonotrod S7
Referens/ Forskningsartikel:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Studies on Sono-Chemical Biodiesel Production Using Smoke Deposited Nano MgO Catalyst. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Syntes av kadmium(II)-tioacetamidnanokompositer

Ultraljudstillämpning:
Nanokompositer av kadmium(II)–tioacetamid syntetiserades med och utan polyvinylalkohol via en sonokemisk metod. För den sonokemiska syntesen (sonosyntesen) löstes 0,532 g kadmium(II)acetatdihydrat (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioacetamid (TAA, CH3CSNH2) och 0,664 g kaliumjodid (KI) i 20mL dubbeldestillerat avjoniserat vatten. Denna lösning ultraljudsbehandlades med en högeffektsultraljudsapparat av sondtyp, UP400S (24 kHz, 400W), vid rumstemperatur i 1 h. Under ultraljudsbehandlingen av reaktionsblandningen steg temperaturen till 70–80degC, mätt med ett termoelement av järn–konstantan. Efter en timme bildades en klargul fällning. Den isolerades genom centrifugering (4 000 rpm, 15 min), tvättades med dubbeldestillerat vatten och därefter med absolut etanol för att avlägsna kvarvarande föroreningar och torkades slutligen i luft (utbyte: 0,915 g, 68%). Sönderfallspunkt 200°C. För att framställa en polymer nanokomposit löstes 1,992 g polyvinylalkohol i 20 mL dubbeldestillerat avjoniserat vatten och tillsattes sedan till ovanstående lösning. Denna blandning bestrålades med ultraljud med ultraljudssonden UP400S i 1 h, varvid en klart orange produkt bildades.
SEM-resultaten visade att partikelstorlekarna i närvaro av PVA minskade från cirka 38 nm till 25 nm. Därefter syntetiserade vi hexagonala CdS-nanopartiklar med sfärisk morfologi genom termisk sönderdelning av den polymera nanokompositen kadmium(II)–tioacetamid/PVA som prekursor. Storleken på CdS-nanopartiklarna mättes med både XRD och SEM, och resultaten stämde mycket väl överens med varandra.
Ranjbar et al. (2013) fann också att den polymera Cd(II)-nanokompositen är en lämplig prekursor för framställning av kadmiumsulfidnanopartiklar med intressanta morfologier. Samtliga resultat visade att ultraljudssyntes med framgång kan användas som en enkel, effektiv, billig, miljövänlig och mycket lovande metod för syntes av material i nanoskala utan behov av särskilda förhållanden, såsom hög temperatur, långa reaktionstider och högt tryck.
Rekommenderad utrustning:
UP400S
Referens/forskningsartikel:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Synthesis and Characterization of Cadmium-Thioacetamide Nanocomposites. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – belagt med stearinsyra med hjälp av ultraljud

Ultraljudstillämpning:
Ultraljudsbeläggning av nanoutfällt CaCO₃ (NPCC) med stearinsyra för att förbättra dess dispergering i polymer och minska agglomerering. 2g obelagt nanoutfällt CaCO₃ (NPCC) har ultraljudsbehandlats med ultraljudsapparaten UP400S i 30ml etanol. 9 vikt% stearinsyra har lösts i etanol. Etanol med stearinsyra blandades sedan med den ultraljudsbehandlade suspensionen.
Rekommenderad utrustning:
UP400S med en sonotrod med diametern 22mm (H22D) och en flödescell med kylmantel
Referens/forskningsartikel:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Effects of ultrasound in coating nano-precipitated CaCO3 with stearic acid. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Silan dopat med ceriumnitrat

Ultraljudstillämpning:
Kallvalsade kolstålsplåtar (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; kemiskt rengjorda och mekaniskt polerade) användes som metalliska substrat. Före appliceringen av beläggningen rengjordes plåtarna med ultraljud i aceton och därefter med en alkalisk lösning (0,3mol L1 NaOH-lösning) vid 60°C i 10 min. För användning som primer före förbehandlingen av substratet späddes en typisk formulering innehållande 50 delar γ-glycidoxipropyltrimetoxisilan (γ-GPS) med cirka 950 delar metanol vid pH 4,5 (justerat med ättiksyra), varefter silanet fick hydrolyseras. Förfarandet för framställning av dopat silan med ceriumnitratpigment var detsamma, förutom att 1, 2, 3 vikt% ceriumnitrat tillsattes till metanollösningen före tillsatsen av (γ-GPS). Därefter blandades lösningen med en propelleromrörare vid 1600 rpm i 30 min. vid rumstemperatur. Därefter ultraljudsbehandlades dispersionerna innehållande ceriumnitrat i 30 min vid 40°C med ett externt kylbad. Ultraljudsbehandlingen utfördes med ultraljudsapparaten UIP1000hd (1000W, 20 kHz) med en tillförd ultraljudseffekt på cirka 1 W/mL. Substratförbehandlingen utfördes genom att varje plåt sköljdes i 100 sek. med motsvarande silanlösning. Efter behandlingen fick plåtarna torka vid rumstemperatur i 24 h. Därefter belades de förbehandlade plåtarna med en tvåkomponents aminhärdad epoxi (Epon 828, shell Co.) till en våt skikttjocklek på 90μm. De epoxibelagda plåtarna fick härda i 1h vid 115°C. Efter härdningen av epoxibeläggningarna var den torra skikttjockleken cirka 60μm.
Rekommenderad utrustning:
UIP1000hd
Referens/ Forskningsartikel:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Elektrokemiska effekter av silanförbehandlingar innehållande ceriumnitrat på egenskaperna för katodisk vidhäftningsförlust hos epoxibelagt stål. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Koppar–aluminiumstrukturer: Syntes av porösa Cu-Al-strukturer

Ultraljudstillämpning:
Porös koppar–aluminium stabiliserad med metalloxid är en lovande ny alternativ katalysator för dehydrogenering av propan som är fri från ädla eller farliga metaller. Strukturen hos den oxiderade porösa Cu–Al-legeringen (metallsvamp) liknar strukturen hos metaller av Raney-typ. Högeffektsultraljud är ett verktyg inom grön kemi för syntes av porösa koppar–aluminiumstrukturer stabiliserade med metalloxid. De är billiga (produktionskostnad på cirka 3 EUR/liter) och metoden kan enkelt skalas upp. Dessa nya porösa material (eller ”metallsvampar”) har en kärna av legering och en oxiderad yta och kan katalysera dehydrogenering av propan vid låga temperaturer.
Förfarande för framställning av katalysatorn med ultraljud:
Fem gram av Al–Cu-legeringspulvret dispergerades i ultrarent vatten (50mL) och ultraljudsbehandlades i 60 min med Hielschers ultraljudsapparat av sondtyp UIP1000hd (20kHz, max. uteffekt 1000W). Ultraljudsapparaten av sondtyp var utrustad med en sonotrod BS2d22 (spetsarea 3,8cm²) och förstärkarhornet B2–1,2. Den maximala intensiteten beräknades till 57 W/cm² vid en mekanisk amplitud på 81μm. Under behandlingen kyldes provet i ett isbad. Efter behandlingen torkades provet vid 120°C i 24 h.
Rekommenderad utrustning:
UIP1000hd med sonotrod BS2d22 och förstärkarhorn B2–1,2
Referens/ Forskningsartikel:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Nya och effektiva koppar–aluminiumkatalysatorer för dehydrogenering av propan. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Nedbrytning av kopparftalocyanin

Ultraljudstillämpning:
Avfärgning och destruktion av metallftalocyaniner
Kopparftalocyanin ultraljudsbehandlas med vatten och organiska lösningsmedel vid omgivningstemperatur och atmosfärstryck i närvaro av en katalytisk mängd oxidationsmedel med ultraljudsapparaten UIP500hd på 500W med fold-trough-kammare vid en effektnivå på 37–59 W/cm²: 5 mL prov (100 mg/L), 50 D/D-vatten med kloroform och pyridin vid 60% av ultraljudsamplituden. Reaktionstemperatur: 20°C.
Rekommenderad utrustning:
UIP500hd

Guld: Morfologisk modifiering av guldnanopartiklar

Ultraljudstillämpning:
Guldnanopartiklar modifierades morfologiskt genom intensiv ultraljudsbestrålning. För att sammanfoga guldnanopartiklar till en hantelliknande struktur visade sig en ultraljudsbehandling på 20 min. i rent vatten och i närvaro av ytaktiva ämnen vara tillräcklig. Efter 60 min. ultraljudsbehandling antar guldnanopartiklarna en maskliknande eller ringliknande struktur i vatten. Sammanfogade nanopartiklar med sfärisk eller oval form bildades med hjälp av ultraljud i närvaro av lösningar av natriumdodecylsulfat eller dodecylamin.
Protokoll för ultraljudsbehandlingen:
För ultraljudsmodifieringen behandlades den kolloidala guldlösningen, bestående av förbildade citratskyddade guldnanopartiklar med en genomsnittlig diameter på 25nm (± 7nm), med ultraljud i en sluten reaktorkammare (volym cirka 50mL). Den kolloidala guldlösningen (0,97 mmol·L^-1) bestrålades med högintensivt ultraljud (40 W/cm^-2) med en Hielscher UIP1000hdT ultraljudsapparat (20kHz, 1000W) utrustad med en sonotrod av titanlegering, BS2d18 (spetsdiameter 0,7 tum), som sänktes ned cirka 2 cm under ytan på den ultraljudsbehandlade lösningen. Argon (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) leddes genom det kolloidala guldet 20 min. före och under ultraljudsbehandlingen med ett flöde på 200 mL·min^-1 för att avlägsna syret i lösningen. Till en portion på 35-mL av varje lösning av ytaktiva ämnen utan tillsats av trinatriumcitratdihydrat tillsattes 15 mL förbildat kolloidalt guld, genom vilket argongas bubblades 20 min. före och under ultraljudsbehandlingen.
Rekommenderad utrustning:
UIP1000hd med sonotrod BS2d18 och flödescellsreaktor
Referens/forskningsartikel:
Radziuk, D.; Grigoriev, D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ultraljudsassisterad fusion av förformade guldnanopartiklar. Tidskrift för fysikalisk kemi C 114, 2010. 1835–1843.

Oorganiska gödselmedel – Lakning av Cu, Cd och Pb för analys

Ultraljudstillämpning:
Extraktion av Cu, Cd och Pb ur oorganiska gödselmedel för analytiska ändamål:
För ultraljudsextraktion av koppar, bly och kadmium behandlas prover som innehåller en blandning av gödselmedel och lösningsmedel med en ultraljudsapparat, såsom VialTweeter för indirekt ultraljudsbehandling. Gödselmedelsproverna behandlades med ultraljud i närvaro av 2mL 50% (v/v) HNO₃ i glasrör i 3 minuter. Cu, Cd och Pb i extrakten kan bestämmas med flamatomabsorptionsspektrometri (FAAS).
Rekommenderad utrustning:
VialTweeter
Referens/forskningsartikel:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternativ analysmetod för metallbestämning i oorganiska gödningsmedel baserat på ultraljudsassisterad extraktion. Tidskrift för det brasilianska kemiska sällskapet 22/8. 2011. 1519-1524.

Latexsyntes

Ultraljudstillämpning:
Framställning av P(St-BA)-latex
Latexpartiklar av poly(styren-r-butylakrylat), P(St-BA), syntetiserades genom emulsionspolymerisation i närvaro av det ytaktiva ämnet DBSA. Först löstes 1 g DBSA i 100mL vatten i en trehalsad kolv och lösningens pH-värde justerades till 2,0. En blandning av monomererna 2,80g St och 8,40g BA med initiatorn AIBN (0,168g) hälldes i DBSA-lösningen. O/W-emulsionen framställdes genom magnetomrörning i 1 h följt av ultraljudsbehandling med ultraljudsapparaten UIP1000hd utrustad med ett ultraljudshorn (sond/sonotrod) i ytterligare 30 min. i isbadet. Slutligen genomfördes polymerisationen vid 90degC i ett oljebad i 2h under kväveatmosfär.
Rekommenderad utrustning:
UIP1000hd
Referens/forskningsartikel:
Framställning av flexibla ledande filmer baserade på poly(3,4-etylendioxitiofen)epoly(styrensulfonsyra) (PEDOT:PSS) på ett substrat av fiberduk. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Klicka här för att läsa mer om sonokemisk syntes av latex!

Avlägsnande av bly (sonolakning)

Ultraljudstillämpning:
Ultraljudslakning av bly ur förorenad jord:
Ultraljudslakningsförsöken utfördes med en ultraljudshomogenisator UP400S med en ultraljudssond av titan (diameter 14mm), som arbetar vid en frekvens på 20kHz. Ultraljudssonden (sonotroden) kalibrerades kalorimetriskt med ultraljudsintensiteten inställd på 51 ± 0,4 W cm^-2 för samtliga sonolakningsförsök. Sonolakningsförsöken termostaterades vid 25 ± 1°C med hjälp av en mantlad glascell med plan botten. Tre system användes som lakningslösningar för jord (0,1L) under ultraljudsbehandling: 6 mL ättiksyralösning med koncentrationen 0,3 mol L^-2 (pH 3,24), 3% (v/v) salpetersyralösning (pH 0,17) och en ättiksyra/acetatbuffert (pH 4,79) framställd genom att blanda 60mL 0,3 mol L^-1 ättiksyra med 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH. Efter sonolakningen filtrerades proverna med filterpapper för att separera laklösningen från jorden, följt av elektrolytisk utfällning av bly ur laklösningen och uppslutning av jorden efter ultraljudsbehandlingen.
Ultraljud har visat sig vara ett värdefullt verktyg för att förbättra utlakningen av bly ur förorenad jord. Ultraljud är också en effektiv metod för att nästan fullständigt avlägsna lakbart bly ur jord, vilket ger en betydligt mindre farlig jord.
Utrustningsrekommendation:
UP400S med sonotrod H14
Referens/forskningsartikel:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultraljudsurlakning och elektrokemisk behandling kombinerad för blyborttagning av jord. Tidskrift för nya material för elektrokemiska system 10, 2007. 195-199.

PbS – syntes av blysulfidnanopartiklar

Ultraljudstillämpning:
Vid rumstemperatur tillsattes 0,151 g blyacetat (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) och 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) till 5mL av jonvätskan, [EMIM] [EtSO₄], och 15mL dubbeldestillerat vatten i en 50mL bägare som utsattes för ultraljud med Hielscher ultraljudsapparat UP200S i 7 min. Spetsen på ultraljudssonden/sonotroden S1 sänktes ned direkt i reaktionslösningen. Den bildade mörkbruna suspensionen centrifugerades för att avskilja fällningen och tvättades två gånger med dubbeldestillerat vatten respektive etanol för att avlägsna oreagerade reagens. För att undersöka ultraljudets inverkan på produkternas egenskaper framställdes ytterligare ett jämförelseprov med oförändrade reaktionsparametrar, förutom att produkten framställdes under kontinuerlig omrörning i 24 h utan ultraljudsbehandling.
Ultraljudsassisterad syntes i vattenhaltig jonvätska vid rumstemperatur föreslogs för framställning av PbS-nanopartiklar. Denna miljövänliga gröna metod vid rumstemperatur är snabb och kräver ingen mall, vilket förkortar syntestiden avsevärt och undviker komplicerade syntesförfaranden. De så framställda nanoklustren uppvisar en enorm blåförskjutning på 3,86 eV som kan tillskrivas partiklarnas mycket små storlek och kvantinneslutningseffekten.
Utrustningsrekommendation:
UP200S
Referens/forskningsartikel:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Enkel framställning och karakterisering av PbS-nanopartiklar vid rumstemperatur i vattenlösning [EMIM][EtSO4] jonvätska med ultraljudsbestrålning. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Nedbrytning av fenol

Ultraljudstillämpning:
Rokhina et al. (2013) använde kombinationen av perättiksyra (PAA) och en heterogen katalysator (MnO₂) för nedbrytning av fenol i en vattenlösning under ultraljudsbehandling. Ultraljudsbehandlingen utfördes med en sondbaserad ultraljudsapparat UP400S på 400W, som kan behandla prover antingen kontinuerligt eller i pulsläge (dvs. 4 sek. på och 2 sek. av) vid en fast frekvens på 24 kHz. Den beräknade totala tillförda effekten, effekttätheten och effektintensiteten som överfördes till systemet var 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, och 14,3 W/cm^-2, respektive. Den fasta effekten användes under samtliga försök. En doppcirkulator användes för att reglera temperaturen inuti reaktorn. Den faktiska ultraljudsbehandlingstiden var 4 h, medan den verkliga reaktionstiden var 6 h på grund av driften i pulsläge. I ett typiskt försök fylldes glasreaktorn med 100mL fenollösning (1,05 mM) och lämpliga doser av katalysatorn MnO2 och PAA (2%), i intervallen 0–2 g L^-1 respektive 0–150 ppm. Alla reaktioner utfördes vid ungefär neutralt pH, atmosfärstryck och rumstemperatur (22 ± 1 °C).
Genom ultraljudsbehandlingen ökades katalysatorns ytarea till det fyrdubbla utan någon strukturförändring. Omsättningsfrekvenserna (TOF) ökades från 7 x 10^-3 till 12,2 x 10^-3 min^-1, jämfört med processen utan ultraljud. Dessutom påvisades ingen betydande urlakning av katalysatorn. Den isotermiska oxidationen av fenol vid relativt låga reagenskoncentrationer uppvisade höga avlägsnandegrader för fenol (upp till 89%) under milda betingelser. Generellt påskyndade ultraljud oxidationsprocessen under de första 60 min. (70% avlägsnande av fenol jämfört med 40% under behandlingen utan ultraljud).
Rekommenderad utrustning:
UP400S
Referens/forskningsartikel:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultraljudsassisterad MnO₂ -katalyserad homolys av perättiksyra för nedbrytning av fenol: bedömning av processkemi och kinetik. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenol: oxidation av fenol med RuI₃ som katalysator

Ultraljudstillämpning:
Heterogen oxidation av fenol i vatten med RuI₃ med väteperoxid (H₂O₂): Den katalytiska oxidationen av fenol (100 ppm) med RuI₃ som katalysator studerades i en glasreaktor på 100 mL utrustad med magnetomrörare och temperaturregulator. Reaktionsblandningen omrördes med en hastighet på 800 rpm i 1–6 timmar för att säkerställa fullständig blandning, jämn fördelning och fullständig suspension av katalysatorpartiklarna. Ingen mekanisk omrörning av lösningen utfördes under ultraljudsbehandlingen eftersom de störningar som orsakas av kavitationsbubblornas oscillation och kollaps i sig ger en extremt effektiv blandning. Lösningen bestrålades med ultraljud med en ultraljudsomvandlare UP400S utrustad med ultraljud (en så kallad ultraljudsbehandlare av sondtyp), som kan arbeta antingen kontinuerligt eller i pulsläge vid en fast frekvens på 24 kHz och en maximal uteffekt på 400W.
För försöket tillfördes obehandlad RuI₃ som katalysator (0,5–2 gL^-1) i form av en suspension till reaktionsmediet, följt av tillsats av H2O2 (30%, koncentration i intervallet 200–1200 ppm).
Rokhina et al. fann i sin studie att ultraljudsbestrålning spelade en framträdande roll vid modifieringen av katalysatorns texturegenskaper och skapade en mikroporös struktur med större ytarea genom fragmentering av katalysatorpartiklarna. Dessutom hade den en främjande effekt genom att förhindra agglomerering av katalysatorpartiklarna och förbättra fenolens och väteperoxidens åtkomst till katalysatorns aktiva säten.
Fördubblingen av den ultraljudsassisterade processens effektivitet jämfört med oxidationsprocessen utan ultraljud tillskrevs katalysatorns förbättrade katalytiska egenskaper och bildningen av oxiderande species såsom •OH, •HO2 och •I₂ genom klyvning av vätebindningar och rekombination av radikaler.
Rekommenderad utrustning:
UP400S
Referens/forskningsartikel:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ultraljudsassisterad heterogen ruteniumkatalyserad våtoxidation av fenol med peroxid. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

PLA-belagda Ag/ZnO-partiklar

Ultraljudstillämpning:
PLA-beläggning av Ag/ZnO-partiklar: Mikro- och submikropartiklar av Ag/ZnO belagda med PLA framställdes med en teknik där lösningsmedlet avdunstas från en olja-i-vatten-emulsion. Metoden genomfördes på följande sätt. Först löstes 400 mg polymer i 4 ml kloroform. Den resulterande koncentrationen av polymer i kloroform var 100 mg/ml. Därefter emulgerades polymerlösningen i en vattenlösning av olika tensidsystem (emulgeringsmedel, PVA 8-88) under kontinuerlig omrörning med en homogenisator vid en omrörningshastighet på 24 000 rpm. Blandningen omrördes i 5 min. och under denna tid kyldes den emulsion som bildades med is. Förhållandet mellan vattenlösningen av tensid och kloroformlösningen av PLA var identiskt i alla försök (4:1). Därefter ultraljudsbehandlades den erhållna emulsionen med ultraljudsapparaten UP400S av sondtyp (400W, 24kHz) i 5 min. vid cykel 0,5 och amplitud 35%. Slutligen överfördes den framställda emulsionen till Erlenmeyerkolven och omrördes, och det organiska lösningsmedlet avdunstades från emulsionen under reducerat tryck, vilket slutligen leder till att en partikelsuspension bildas. Efter att lösningsmedlet avlägsnats centrifugerades suspensionen tre gånger för att avlägsna emulgeringsmedlet.
Rekommenderad utrustning:
UP400S
Referens/forskningsartikel:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Poly (L-Lactic Acid) Coated Microwave Synthesized Hybrid Antibacterial Particles. Nanocon 2011.

Polyanilinkomposit

Ultraljudstillämpning:
Framställning av vattenbaserad komposit av självdopad nanopolyanilin (SPAni) (Sc-WB)
För att framställa den vattenbaserade SPAni-kompositen späddes 0,3 gr SPAni, syntetiserad genom in situ-polymerisation i ScCO2-medium, med vatten och ultraljudsbehandlades i 2 minuter med ultraljudshomogenisatorn UIP1000hd på 1000W. Därefter homogeniserades den erhållna suspensionen i 15 min. under tillsats av 125 gr vattenbaserad härdarmatris, och den avslutande ultraljudsbehandlingen utfördes vid omgivningstemperatur i 5 min.
Rekommenderad utrustning:
UIP1000hd
Referens/forskningsartikel:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Skyddande prestanda hos vattenbaserad epoxibeläggning som innehåller ScCO2-syntetiserad självdopad nanopolyanilin. 2013.

Polycykliska aromatiska kolväten: Sonokemisk nedbrytning av naftalen, acenaftylen och fenantren

Ultraljudstillämpning:
För sonokemisk nedbrytning av de polycykliska aromatiska kolvätena (PAH) naftalen, acenaftylen och fenantren i vatten ultraljudsbehandlades provblandningar vid 20◦C och med 50 µg/l av varje undersökt PAH (150 µg/l i total initialkoncentration). Ultraljudsbehandlingen utfördes med en ultraljudsapparat av horntyp, UP400S (400W, 24kHz), som kan arbeta antingen kontinuerligt eller i pulsläge. Ultraljudsapparaten UP400S var utrustad med en titansond H7 med en spetsdiameter på 7 mm. Reaktionerna utfördes i ett cylindriskt reaktionskärl av glas på 200 mL med titanhornet monterat ovanpå reaktionskärlet och tätat med O-ringar och en Teflonventil. Reaktionskärlet placerades i ett vattenbad för att reglera processtemperaturen. För att undvika fotokemiska reaktioner täcktes kärlet med aluminiumfolie.
Analysresultaten visade att omsättningen av PAH ökar med ökande ultraljudsbehandlingstid.
För naftalen ökade den ultraljudsassisterade omsättningen (ultraljudseffekten inställd på 150W) från 77,6%, som uppnåddes efter 30 min. ultraljudsbehandling, till 84,4% efter 60 min. ultraljudsbehandling.
För acenaftylen ökade den ultraljudsassisterade omsättningen (ultraljudseffekten inställd på 150W) från 77,6%, som uppnåddes efter 30 min. ultraljudsbehandling med 150W ultraljudseffekt, till 84,4% efter 60 min. ultraljudsbehandling med 150W ultraljud ökade från 80,7%, som uppnåddes efter 30 min. ultraljudsbehandling med 150W ultraljudseffekt, till 96,6% efter 60 min. ultraljudsbehandling.
För fenantren ökade den ultraljudsassisterade omsättningen (ultraljudseffekten inställd på 150W) från 73,8%, som uppnåddes efter 30 min. ultraljudsbehandling, till 83,0% efter 60 min. ultraljudsbehandling.
För att förbättra nedbrytningseffektiviteten kan väteperoxid utnyttjas effektivare när järn(II)joner tillsätts. Tillsats av järn(II)joner har visats ge synergistiska effekter som efterliknar en Fentonliknande reaktion.
Rekommenderad utrustning:
UP400S med H7
Referens/forskningsartikel:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Nedbrytning av polycykliska aromatiska kolväten i vattenhaltiga lösningar genom ultraljudsbestrålning. Tidskrift för farliga material B108, 2004. 95–102.

Avlägsnande av oxidskikt från substrat

Ultraljudstillämpning:
För att förbereda substratet före tillväxt av CuO-nanotrådar på Cu-substrat avlägsnades det naturliga oxidskiktet på Cu-ytan genom att provet ultraljudsbehandlades i 0,7 M saltsyra i 2 min. med en Hielscher UP200S. Provet rengjordes med ultraljud i aceton i 5 min. för att avlägsna organiska föroreningar, sköljdes noggrant med avjoniserat (DI) vatten och torkades med tryckluft.
Rekommenderad utrustning:
UP200S eller UP200St
Referens/forskningsartikel:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modulering av gasavkännande egenskaper hos CuO-nanotrådar genom skapande av diskreta nanostora p−n-övergångar på deras ytor. ACS-tillämpade material & Gränssnitt 4, 2012. 4192−4199.

Voltammetriska experiment

Ultraljudstillämpning:
För ultraljudsförstärkta voltammetriska experiment användes en Hielscher ultraljudsapparat UP200S på 200 watt utrustad med ett glashorn (spetsdiameter 13 mm). Ultraljudet applicerades med en intensitet på 8 W/cm^–2.
På grund av nanopartiklarnas långsamma diffusion i vattenlösningar och det stora antalet redoxcentra per nanopartikel domineras direkt voltammetri av nanopartiklar i lösningsfas av adsorptionseffekter. För att kunna detektera nanopartiklar utan ackumulering till följd av adsorption måste man välja ett experimentellt tillvägagångssätt med (i) en tillräckligt hög koncentration av nanopartiklar, (ii) små elektroder för att förbättra förhållandet mellan signal och bakgrund eller (iii) mycket snabb masstransport.
Därför använde McKenzie et al. (2012) högeffektsultraljud för att drastiskt öka hastigheten för nanopartiklarnas masstransport mot elektrodytan. I deras försöksuppställning exponeras elektroden direkt för högintensivt ultraljud med ett avstånd på 5 mm mellan elektroden och ultraljudshornet och en ultraljudsintensitet på 8 W/cm^–2 vilket ger omrörning och kavitationsrengöring. Ett redoxsystem för testning, enelektronreduktionen av Ru(NH3)₆³⁺ i 0,1 M KCl-vattenlösning, användes för att kalibrera den masstransporthastighet som uppnåddes under dessa förhållanden.
Rekommenderad utrustning:
UP200S eller UP200St
Referens/ Forskningsartikel:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Direkt elektrokemi av nanopartikelformigt Fe2O3 i vattenlösning och adsorberat på tenndopad indiumoxid. Ren tillämpad kemi, 73/12, 2001. 1885–1894.

Ultraljudsapparater för sonokemiska reaktioner från laboratorieskala till industriell skala

Hielscher erbjuder hela sortimentet av ultraljudsapparater, från den handhållna laboratoriehomogenisatorn till fullt industriella ultraljudsapparater för stora volymflöden. Alla resultat som uppnås i liten skala vid testning, forskning och utveckling samt optimering av en ultraljudsprocess kan >skalas upp linjärt till full kommersiell produktion. Hielschers ultraljudsapparater är tillförlitliga, robusta och byggda för drift dygnet runt, alla dagar i veckan.
Fråga oss hur du kan utvärdera, optimera och skala upp din process! Vi hjälper dig gärna i alla steg – från de första testerna och processoptimeringen till installationen i din industriella produktionslinje!