Сонохімія: рекомендації щодо застосування

Сонохімія – це вплив ультразвукової кавітації на хімічні системи. Завдяки екстремальним умовам, що виникають у кавітаційній «гарячій точці», потужний ультразвук є дуже ефективним методом поліпшення результатів реакції (вищий вихід, краща якість), підвищення ступеня перетворення та скорочення тривалості хімічної реакції. Деякі хімічні зміни можна здійснити лише за допомогою ультразвукової обробки, наприклад нанесення нанорозмірного олов’яного покриття на титан або алюміній.

Нижче наведено добірку частинок і рідин із відповідними рекомендаціями щодо обробки матеріалу для подрібнення, диспергування, деагломерації або модифікації частинок за допомогою ультразвукового гомогенізатора.

Нижче наведено кілька протоколів ультразвукової обробки для успішного проведення сонохімічних реакцій!

В алфавітному порядку:

α-Епоксикетони – реакція розкриття циклу

Застосування ультразвуку:
Каталітичне розкриття циклу α-епоксикетонів здійснювали шляхом поєднання ультразвукових і фотохімічних методів. Як фотокаталізатор використовували 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate (NBTPT). Поєднання ультразвукової обробки (сонохімії) та фотохімії цих сполук у присутності NBTPT дало змогу досягти розкриття епоксидного циклу. Було продемонстровано, що застосування ультразвуку значно підвищувало швидкість фотоіндукованої реакції. Ультразвук може істотно впливати на фотокаталітичне розкриття циклу α-епоксикетонів переважно завдяки ефективному масоперенесенню реагентів і збудженому стану NBTPT. Крім того, перенесення електронів між активними частинками в цій гомогенній системі за ультразвукової обробки відбувається
швидше, ніж у системі без ультразвукової обробки. Вищі виходи та коротший час реакції є перевагами цього методу.

Фотокаталітичне розкриття циклу α-епоксикетонів за допомогою ультразвуку (дослідження та графічний матеріал: ©Memarian et al 2007)

Протокол ультразвукової обробки:
α-Епоксикетони 1a-f і 1-benzyl-2,4,6-triphenylpyridinium tetrafluoroborate 2 отримували за описаними раніше методиками. Метанол придбали в Merck і перед використанням переганяли. Як ультразвуковий пристрій використовували зондовий ультразвуковий апарат UP400S від Hielscher Ultrasonics GmbH. Ультразвуковий занурювальний випромінювач S3 (також відомий як зонд або сонотрод), що випромінює ультразвук із частотою 24 kHz і регульованою інтенсивністю аж до максимальної густини акустичної потужності 460Wcm^-2 , було використано. Ультразвукову обробку проводили за 100% (максимальна амплітуда 210μm). Сонотрод S3 (максимальна глибина занурення 90mm) занурювали безпосередньо в реакційну суміш. УФ-опромінення проводили за допомогою ртутної лампи високого тиску Narva потужністю 400W з охолодженням зразків у склі Duran. Спектри ¹H ЯМР суміші фотопродуктів вимірювали в розчинах CDCl₃ із тетраметилсиланом (TMS) як внутрішнім стандартом на Bruker drx-500 (500 MHz). Препаративну шарову хроматографію (PLC) проводили на пластинах розміром 20 × 20cm² , вкритих шаром завтовшки 1mm із силікагелю Merck PF₂₅₄ , які готували нанесенням силікагелю у вигляді суспензії та сушінням на повітрі. Усі продукти відомі, а їхні спектральні дані було опубліковано раніше.
Рекомендований пристрій:
UP400S з ультразвуковим випромінювачем S3
Джерело / наукова публікація:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Фотосонохімічне каталітичне розкриття циклу α-епоксикетонів. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Алюмінієво-нікелевий каталізатор: наноструктурування сплаву Al/Ni

Застосування ультразвуку:
Частинки Al/Ni можна сонохімічно модифікувати шляхом наноструктурування вихідного сплаву Al/Ni. У такий спосіб отримують ефективний каталізатор гідрування ацетофенону.
Ультразвукове отримання каталізатора Al/Ni:
5g комерційного сплаву Al/Ni диспергували в очищеній воді (50mL) та піддавали ультразвуковій обробці тривалістю до 50 min. за допомогою зондового ультразвукового апарата UIP1000hd (1kW, 20kHz), оснащеного ультразвуковим випромінювачем BS2d22 (площа торця 3,8 cm²) і бустером B2-1.8. Розрахункова максимальна інтенсивність становила 140 Wcm⁻² за механічної амплітуди 106μm. Щоб уникнути підвищення температури під час ультразвукової обробки, експеримент проводили в термостатованій комірці. Після ультразвукової обробки зразок висушували під вакуумом за допомогою термофена.
Рекомендований пристрій:
UIP1000hd із сонотродом BS2d22 і бустером B2–1,2
Посилання / Наукова публікація:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Сонохімічна активація каталізатора гідрування Al/Ni. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Переетерифікація для виробництва біодизеля з використанням каталізатора MgO

Застосування ультразвуку:
Реакцію переетерифікації досліджували за постійного ультразвукового перемішування за допомогою ультразвукового пристрою UP200S, змінюючи такі параметри, як кількість каталізатора, молярне співвідношення метанолу й олії, температура та тривалість реакції. Експерименти в періодичному режимі проводили в реакторі з тугоплавкого скла (300 ml, внутрішній діаметр 7 cm) із кришкою з двома горловинами зі шліфованими з’єднаннями. В одну горловину встановлювали титановий сонотрод S7 (діаметр наконечника 7 mm) ультразвукового процесора UP200S (200W, 24kHz). Амплітуду ультразвуку встановлювали на 50% із 1 циклом на секунду. Реакційну суміш піддавали ультразвуковій обробці протягом усього часу реакції. Іншу горловину реакційної камери оснащували виготовленим на замовлення конденсатором із нержавіючої сталі з водяним охолодженням для конденсації та повернення випаруваного метанолу. Усю установку розміщували в оливній бані зі сталою температурою, яку підтримував пропорційно-інтегрально-диференціальний регулятор температури. Температуру можна підвищувати до 65°C із точністю ±1°C. Як сировину для переетерифікації з метою отримання біодизеля використовували відпрацьовану олію та метанол чистотою 99,9%. Як каталізатор використовували нанорозмірний MgO, осаджений із диму (магнієва стрічка).
Відмінний результат конверсії отримали за вмісту каталізатора 1,5 wt%; за молярного співвідношення метанолу й олії 5:1 та температури 55°C після 45 min. досягли конверсії 98,7%.
Рекомендований пристрій:
UP200S з ультразвуковим сонотродом S7
Посилання / Наукова публікація:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Дослідження сонохімічного виробництва біодизеля з використанням нанорозмірного каталізатора MgO, осадженого з диму. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Синтез нанокомпозитів кадмій(II)–тіоацетамід

Застосування ультразвуку:
Нанокомпозити кадмій(II)–тіоацетамід синтезували сонохімічним методом у присутності та за відсутності полівінілового спирту. Для сонохімічного синтезу (соносинтезу) 0,532 g дигідрату ацетату кадмію(II) (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g тіоацетаміду (TAA, CH3CSNH2) та 0,664 g йодиду калію (KI) розчиняли у 20mL двічі дистильованої деіонізованої води. Цей розчин обробляли високопотужним ультразвуковим гомогенізатором зондового типу UP400S (24 kHz, 400W) за кімнатної температури протягом 1 h. Під час ультразвукової обробки реакційної суміші температура підвищувалася до 70–80degC за вимірюваннями термопарою залізо–constantin. Через одну годину утворювався яскраво-жовтий осад. Його виділяли центрифугуванням (4 000 rpm, 15 min), промивали двічі дистильованою водою, а потім абсолютним етанолом для видалення залишкових домішок і зрештою висушували на повітрі (вихід: 0,915 g, 68%). Температура розкладання: 200°C. Для приготування полімерного нанокомпозиту 1,992 g полівінілового спирту розчиняли у 20 mL двічі дистильованої деіонізованої води, а потім додавали до зазначеного вище розчину. Цю суміш обробляли ультразвуком за допомогою ультразвукового зонда UP400S протягом 1 h, у результаті чого утворювався яскраво-помаранчевий продукт.
Результати сканувальної електронної мікроскопії (SEM) показали, що в присутності PVA розміри частинок зменшувалися приблизно з 38 nm до 25 nm. Потім ми синтезували гексагональні наночастинки CdS зі сферичною морфологією шляхом термічного розкладання полімерного нанокомпозиту кадмій(II)–тіоацетамід/PVA як прекурсора. Розмір наночастинок CdS вимірювали методами рентгенівської дифракції (XRD) та SEM, і результати дуже добре узгоджувалися між собою.
Ranjbar та співавт. (2013) також установили, що полімерний нанокомпозит Cd(II) є придатним прекурсором для отримання наночастинок сульфіду кадмію з цікавою морфологією. Усі результати показали, що ультразвуковий синтез можна успішно застосовувати як простий, ефективний, недорогий, екологічно безпечний і дуже перспективний метод синтезу нанорозмірних матеріалів без потреби в спеціальних умовах, таких як висока температура, тривалий час реакції та високий тиск.
Рекомендований пристрій:
UP400S
Джерело / наукова стаття:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Синтез і характеристика нанокомпозитів кадмій–тіоацетамід. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – нанесення покриття зі стеаринової кислоти за допомогою ультразвуку

Застосування ультразвуку:
Ультразвукове покриття наноосадженого CaCO₃ (NPCC) стеариновою кислотою для поліпшення його диспергування в полімері та зменшення агломерації. 2g наноосадженого CaCO₃ (NPCC) без покриття обробляли ультразвуковим гомогенізатором UP400S у 30ml етанолу. 9 wt% стеаринової кислоти розчиняли в етанолі. Потім етанол зі стеариновою кислотою змішували із суспензією, обробленою ультразвуком.
Рекомендований пристрій:
UP400S із сонотродом діаметром 22mm (H22D) та проточною коміркою з охолоджувальною сорочкою
Джерело / наукова стаття:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Вплив ультразвуку на покриття наноосадженого CaCO3 стеариновою кислотою. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Силан, допований нітратом церію

Застосування ультразвуку:
Як металеві підкладки використовували панелі з холоднокатаної вуглецевої сталі (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; хімічно очищені та механічно відполіровані). Перед нанесенням покриття панелі очищали ультразвуком в ацетоні, а потім лужним розчином (розчин NaOH 0,3mol L1) за 60°C протягом 10 min. Для використання як ґрунтовки перед попередньою обробкою підкладки типовий склад, що містив 50 частин γ-гліцидоксипропілтриметоксисилану (γ-GPS), розбавляли приблизно 950 частинами метанолу за pH 4,5 (відрегульованого оцтовою кислотою) і витримували для гідролізу силану. Процедура приготування силану, легованого пігментами нітрату церію, була такою самою, за винятком того, що до розчину метанолу перед додаванням (γ-GPS) додавали 1, 2, 3 wt% нітрату церію, а потім цей розчин перемішували пропелерною мішалкою за 1600 rpm протягом 30 min. за кімнатної температури. Далі дисперсії, що містили нітрат церію, піддавали ультразвуковій обробці протягом 30 min за 40°C із використанням зовнішньої охолоджувальної ванни. Ультразвукову обробку проводили за допомогою ультразвукового пристрою UIP1000hd (1000W, 20 kHz) із вхідною потужністю ультразвуку близько 1 W/mL. Попередню обробку підкладки здійснювали промиванням кожної панелі відповідним силановим розчином протягом 100 sec. Після обробки панелі залишали сушитися за кімнатної температури протягом 24 h, потім на попередньо оброблені панелі наносили двокомпонентне епоксидне покриття з амінним затверджувачем (Epon 828, shell Co.), щоб отримати товщину мокрої плівки 90μm. Панелі з епоксидним покриттям витримували для затвердіння протягом 1h за 115°C; після затвердіння епоксидних покриттів товщина сухої плівки становила близько 60μm.
Рекомендований пристрій:
UIP1000hd
Джерело / Наукова стаття:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Електрохімічний вплив попередньої обробки силанами, що містять нітрат церію, на характеристики катодного відшарування епоксидного покриття сталі. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Мідно-алюмінієві каркаси: синтез пористих каркасів Cu-Al

Застосування ультразвуку:
Пористий мідно-алюмінієвий матеріал, стабілізований оксидом металу, є перспективним новим альтернативним каталізатором дегідрування пропану, який не містить благородних або небезпечних металів. Структура окисненого пористого сплаву Cu–Al (металевої губки) подібна до структури металів типу Ренея. Ультразвук високої потужності є інструментом зеленої хімії для синтезу пористих мідно-алюмінієвих каркасів, стабілізованих оксидом металу. Вони недорогі (собівартість виробництва становить приблизно 3 EUR/liter), а метод легко масштабувати. Ці нові пористі матеріали (або «металеві губки») мають об’ємну частину зі сплаву та окиснену поверхню й можуть каталізувати дегідрування пропану за низьких температур.
Процедура ультразвукового приготування каталізатора:
П’ять грамів порошку сплаву Al–Cu диспергували в надчистій воді (50mL) і піддавали ультразвуковій обробці протягом 60 min за допомогою зондового ультразвукового пристрою Hielscher UIP1000hd (20kHz, максимальна вихідна потужність 1000W). Зондовий ультразвуковий пристрій був оснащений сонотродом BS2d22 (площа наконечника 3,8cm²) та бустером B2–1,2. Розрахована максимальна інтенсивність становила 57 W/cm² за механічної амплітуди 81μm. Під час обробки зразок охолоджували в льодяній ванні. Після обробки зразок сушили за 120°C протягом 24 h.
Рекомендований пристрій:
UIP1000hd із сонотродом BS2d22 та бустером B2–1,2
Джерело / Наукова стаття:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Нові та ефективні мідно-алюмінієві каталізатори дегідрування пропану. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Деградація фталоціаніну міді

Застосування ультразвуку:
Знебарвлення та руйнування металофталоціанінів
Фталоціанін міді піддають ультразвуковій обробці з водою та органічними розчинниками за температури навколишнього середовища й атмосферного тиску в присутності каталітичної кількості окисника, використовуючи ультразвуковий пристрій UIP500hd потужністю 500W із камерою fold-trough за рівня потужності 37–59 W/cm²: 5 mL зразка (100 mg/L), 50 D/D води з хлороформом і піридином за 60% амплітуди ультразвуку. Температура реакції: 20°C.
Рекомендований пристрій:
UIP500hd

Золото: морфологічна модифікація наночастинок золота

Ультразвукове застосування:
Наночастинки золота морфологічно модифікували під дією інтенсивного ультразвукового опромінення. Було встановлено, що для злиття наночастинок золота в гантелеподібну структуру достатньо ультразвукової обробки протягом 20 min. у чистій воді та за наявності поверхнево-активних речовин. Після 60 min. ультразвукової обробки наночастинки золота набувають у воді червоподібної або кільцеподібної структури. За наявності розчинів додецилсульфату натрію або додециламіну під дією ультразвуку утворювалися злиті наночастинки сферичної або овальної форми.
Протокол ультразвукової обробки:
Для ультразвукової модифікації розчин колоїдного золота, що містив попередньо сформовані наночастинки золота, захищені цитратом, із середнім діаметром 25nm (± 7nm), піддавали ультразвуковій обробці в закритій реакторній камері (об’ємом приблизно 50mL). Розчин колоїдного золота (0,97 mmol·L^-1) піддавали ультразвуковому опроміненню високої інтенсивності (40 W/cm^-2) за допомогою ультразвукового гомогенізатора Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W), оснащеного сонотродом BS2d18 із титанового сплаву (діаметр наконечника 0,7 дюйма), який занурювали приблизно на 2 cm нижче поверхні розчину, що піддавався ультразвуковій обробці. Через колоїдне золото пропускали аргон (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) протягом 20 min. перед ультразвуковою обробкою та під час неї з об’ємною витратою 200 mL·min^-1 для видалення кисню з розчину. Порцію об’ємом 35-mL кожного розчину поверхнево-активної речовини без додавання дигідрату тринатрійцитрату поєднували з 15 mL попередньо сформованого колоїдного золота; барботування газоподібним аргоном здійснювали протягом 20 min. перед ультразвуковою обробкою та під час неї.
Рекомендований пристрій:
UIP1000hd із сонотродом BS2d18 і реактором із проточною коміркою
Джерело / наукова стаття:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Злиття попередньо сформованих наночастинок золота за допомогою ультразвуку. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Неорганічні добрива – вилуговування Cu, Cd і Pb для аналізу

Ультразвукове застосування:
Екстракція Cu, Cd і Pb з неорганічних добрив для аналітичних цілей:
Для ультразвукової екстракції міді, свинцю та кадмію зразки, що містять суміш добрива й розчинника, піддають ультразвуковій обробці за допомогою ультразвукового пристрою, наприклад VialTweeter для непрямої ультразвукової обробки. Зразки добрив піддавали ультразвуковій обробці за наявності 2mL 50% (v/v) HNO₃ у скляних пробірках протягом 3 хвилин. Вміст Cu, Cd і Pb в екстрактах можна визначати методом полуменевої атомно-абсорбційної спектрометрії (FAAS).
Рекомендований пристрій:
VialTweeter
Джерело / наукова стаття:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Альтернативний аналітичний метод визначення металів у неорганічних добривах на основі ультразвукової екстракції. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Синтез латексу

Ультразвукове застосування:
Одержання латексу P(St-BA)
Частинки латексу полі(стирол-r-бутилакрилату) P(St-BA) синтезували методом емульсійної полімеризації за наявності поверхнево-активної речовини DBSA. Спочатку 1 g DBSA розчиняли в 100mL води в тригорлій колбі, а pH розчину доводили до 2,0. Суміш мономерів 2,80g St і 8,40g BA з ініціатором AIBN (0,168g) вливали в розчин DBSA. Емульсію типу олія у воді (O/W) готували перемішуванням на магнітній мішалці протягом 1 h із подальшою ультразвуковою обробкою за допомогою ультразвукового гомогенізатора UIP1000hd, оснащеного ультразвуковим рупором (зондом / сонотродом), ще протягом 30 min. у крижаній бані. На завершення полімеризацію проводили за температури 90degC в олійній бані протягом 2h в атмосфері азоту.
Рекомендований пристрій:
UIP1000hd
Джерело / наукова стаття:
Виготовлення гнучких електропровідних плівок на основі poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) на підкладці з нетканого матеріалу. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про сонохімічний синтез латексу!

Видалення свинцю (ультразвукове вилуговування)

Ультразвукове застосування:
Ультразвукове вилуговування свинцю із забрудненого ґрунту:
Експерименти з ультразвукового вилуговування проводили за допомогою ультразвукового гомогенізатора UP400S із титановим ультразвуковим зондом (діаметр 14mm), який працює на частоті 20kHz. Ультразвуковий зонд (сонотрод) калібрували калориметрично, встановлюючи інтенсивність ультразвуку на рівні 51 ± 0,4 W cm^-2 для всіх експериментів з ультразвукового вилуговування. Експерименти з ультразвукового вилуговування термостатували за допомогою плоскодонної скляної комірки з сорочкою за температури 25 ± 1°C. Як розчини для вилуговування ґрунту (0,1L) під час ультразвукової обробки використовували три системи: 6 mL розчину оцтової кислоти з концентрацією 0,3 mol L^-2 (pH 3,24), 3% (v/v) розчин азотної кислоти (pH 0,17) та буферний розчин оцтової кислоти/ацетату (pH 4,79), приготовлений змішуванням 60mL 0f розчину оцтової кислоти з концентрацією 0,3 mol L^-1 з 19 mL розчину з концентрацією 0,5 mol L^-1 NaOH. Після ультразвукового вилуговування зразки фільтрували через фільтрувальний папір, щоб відокремити розчин вилуговування від ґрунту, після чого проводили електроосадження свинцю з розчину вилуговування та мінералізацію ґрунту після застосування ультразвуку.
Доведено, що ультразвук є цінним інструментом для посилення вилуговування свинцю із забрудненого ґрунту. Ультразвук також є ефективним методом майже повного видалення з ґрунту свинцю, здатного до вилуговування, завдяки чому ґрунт стає значно менш небезпечним.
Рекомендований пристрій:
UP400S із сонотродом H14
Джерело / наукова стаття:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Поєднання ультразвукового вилуговування та електрохімічної обробки для видалення свинцю з ґрунту. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – синтез наночастинок сульфіду свинцю

Ультразвукове застосування:
За кімнатної температури 0,151 g ацетату свинцю (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) та 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) додавали до 5mL іонної рідини, [EMIM] [EtSO₄], та 15mL двічі дистильованої води у хімічному стакані об’ємом 50mL, який піддавали ультразвуковому опроміненню за допомогою ультразвукового пристрою Hielscher UP200S протягом 7 min. Кінчик ультразвукового зонда/сонотрода S1 занурювали безпосередньо в реакційний розчин. Утворену темно-коричневу суспензію центрифугували для відокремлення осаду та двічі промивали двічі дистильованою водою й етанолом відповідно, щоб видалити реагенти, які не прореагували. Для дослідження впливу ультразвуку на властивості продуктів готували ще один порівняльний зразок, зберігаючи незмінними параметри реакції, за винятком того, що продукт одержували за безперервного перемішування протягом 24 h без ультразвукового опромінення.
Для одержання наночастинок PbS було запропоновано синтез за допомогою ультразвуку у водній іонній рідині за кімнатної температури. Цей екологічно безпечний метод зеленої хімії, що здійснюється за кімнатної температури, є швидким і не потребує шаблонів, що суттєво скорочує час синтезу та дає змогу уникнути складних синтетичних процедур. Одержані нанокластери демонструють величезний синій зсув на 3,86 eV, який можна пояснити дуже малим розміром частинок та ефектом квантового обмеження.
Рекомендований пристрій:
UP200S
Джерело / наукова стаття:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Просте одержання та характеристика наночастинок PbS за кімнатної температури у водній [EMIM][EtSO4] іонній рідині з використанням ультразвукового опромінення. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Розкладання фенолу

Ультразвукове застосування:
Rokhina та співавт. (2013) використовували поєднання пероцтової кислоти (PAA) та гетерогенного каталізатора (MnO₂) для розкладання фенолу у водному розчині під дією ультразвукового опромінення. Ультразвукову обробку проводили за допомогою зондового ультразвукового пристрою UP400S потужністю 400W, здатного здійснювати обробку безперервно або в імпульсному режимі (тобто 4 sec. увімкнено та 2 sec. вимкнено) на фіксованій частоті 24 kHz. Розраховані загальна потужність, що вводиться в систему, об’ємна густина потужності та інтенсивність потужності, що розсіюється в системі, становили 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, та 14,3 W/cm^-2, відповідно. Протягом усіх експериментів використовували незмінну потужність. Для регулювання температури всередині реактора використовували занурювальний циркуляційний термостат. Фактична тривалість ультразвукової обробки становила 4 h, хоча реальна тривалість реакції становила 6 h через роботу в імпульсному режимі. У типовому експерименті скляний реактор заповнювали 100mL розчину фенолу (1,05 mM) і відповідними дозами каталізатора MnO2 та PAA (2%) у діапазонах 0–2 g L^-1 і 0–150 ppm відповідно. Усі реакції проводили за pH, близького до нейтрального, атмосферного тиску та кімнатної температури (22 ± 1 °C).
Ультразвукова обробка збільшила площу поверхні каталізатора в 4 рази без змін у структурному аспекті. Частоти каталітичних оборотів (TOF) зросли з 7 x 10^-3 до 12,2 x 10^-3 min^-1, порівняно з процесом без ультразвуку. Крім того, значного вимивання каталізатора не виявлено. Ізотермічне окиснення фенолу за відносно низьких концентрацій реагентів продемонструвало високий ступінь видалення фенолу (до 89%) за м’яких умов. Загалом ультразвук прискорював процес окиснення протягом перших 60 min (70% видалення фенолу порівняно з 40% під час обробки без ультразвуку).
Рекомендований пристрій:
UP400S
Джерело / наукова публікація:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Гомоліз пероцтової кислоти для розкладання фенолу за сприяння ультразвуку та каталізу MnO₂ : оцінка хімії та кінетики процесу. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Фенол: окиснення фенолу з використанням RuI₃ як каталізатора

Застосування ультразвуку:
Гетерогенне окиснення фенолу у водному середовищі на RuI₃ пероксидом водню (H₂O₂): каталітичне окиснення фенолу (100 ppm) на RuI₃ як каталізаторі досліджували у скляному реакторі об’ємом 100 mL, оснащеному магнітною мішалкою та регулятором температури. Реакційну суміш перемішували зі швидкістю 800 rpm протягом 1–6 годин для забезпечення повного перемішування, рівномірного розподілу та повного суспендування частинок каталізатора. Під час ультразвукової обробки механічне перемішування розчину не проводили, оскільки збурення, спричинені коливанням і колапсом кавітаційних бульбашок, самі забезпечували надзвичайно ефективне перемішування. Ультразвукове опромінення розчину здійснювали за допомогою ультразвукового перетворювача UP400S з ультразвуковим оснащенням (так званого ультразвукового апарата зондового типу), здатного працювати безперервно або в імпульсному режимі з фіксованою частотою 24 kHz та максимальною вихідною потужністю 400W.
Для експерименту необроблений RuI₃ як каталізатор (0,5–2 gL^-1) вводили у вигляді суспензії в реакційне середовище з подальшим додаванням H2O2 (30%, концентрація в діапазоні 200–1200 ppm).
Rokhina та співавтори у своєму дослідженні встановили, що ультразвукове опромінення відігравало вагому роль у модифікації текстурних властивостей каталізатора, утворюючи мікропористу структуру з більшою площею поверхні внаслідок фрагментації частинок каталізатора. Крім того, воно справляло стимулювальний вплив, запобігаючи агломерації частинок каталізатора та поліпшуючи доступ фенолу й пероксиду водню до активних центрів каталізатора.
Дворазове підвищення ефективності процесу за сприяння ультразвуку порівняно з процесом окиснення без ультразвуку пояснювали поліпшенням каталітичних властивостей каталізатора та утворенням окиснювальних частинок, таких як •OH, •HO2 та •I₂ , шляхом розриву водневих зв’язків і рекомбінації радикалів.
Рекомендований пристрій:
UP400S
Джерело / наукова публікація:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Гетерогенне рідиннофазне окиснення фенолу пероксидом за сприяння ультразвуку та каталізу рутенієм. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Частинки Ag/ZnO з покриттям із PLA

Застосування ультразвуку:
Нанесення покриття з PLA на частинки Ag/ZnO: мікро- та субмікрочастинки Ag/ZnO, вкриті PLA, отримували методом випаровування розчинника з емульсії типу «олія у воді». Цей метод реалізували таким чином. Спочатку 400 mg полімеру розчиняли в 4 ml хлороформу. Отримана концентрація полімеру в хлороформі становила 100 mg/ml. Далі розчин полімеру емульгували у водному розчині різних систем поверхнево-активних речовин (емульгатор, PVA 8-88) за безперервного перемішування гомогенізатором зі швидкістю 24 000 rpm. Суміш перемішували протягом 5 min., і впродовж цього часу емульсію, що утворювалася, охолоджували льодом. Співвідношення водного розчину поверхнево-активної речовини та розчину PLA у хлороформі було однаковим у всіх експериментах (4:1). Потім отриману емульсію обробляли ультразвуком за допомогою ультразвукового пристрою зондового типу UP400S (400W, 24kHz) протягом 5 min. за циклу 0,5 та амплітуди 35%. На завершення підготовлену емульсію переносили в колбу Ерленмейєра, перемішували та випаровували з неї органічний розчинник за зниженого тиску, що зрештою призводило до утворення суспензії частинок. Після видалення розчинника суспензію тричі центрифугували для видалення емульгатора.
Рекомендований пристрій:
UP400S
Джерело / Наукова стаття:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Гібридні антибактеріальні частинки, синтезовані мікрохвильовим методом і вкриті полі(L-молочною кислотою). Nanocon 2011.

Поліаніліновий композит

Застосування ультразвуку:
Приготування композиту на водній основі із самолегованим нанополіаніліном (SPAni) (Sc-WB)
Для приготування композиту SPAni на водній основі 0,3 gr SPAni, синтезованого шляхом полімеризації in situ в середовищі ScCO2, розбавляли водою та обробляли ультразвуком протягом 2 хвилин за допомогою ультразвукового гомогенізатора UIP1000hd потужністю 1000W. Потім отриману суспензію гомогенізували протягом 15 min., додаючи 125 gr матриці затверджувача на водній основі, а завершальну ультразвукову обробку проводили за температури навколишнього середовища протягом 5 min.
Рекомендований пристрій:
UIP1000hd
Джерело / Наукова стаття:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Захисні властивості епоксидного покриття на водній основі, що містить самолегований нанополіанілін, синтезований у ScCO2. 2013.

Поліциклічні ароматичні вуглеводні: сонохімічне розкладання нафталіну, аценафтилену та фенантрену

Застосування ультразвуку:
Для сонохімічної деградації поліциклічних ароматичних вуглеводнів (ПАВ) – нафталіну, аценафтилену та фенантрену – у воді суміші зразків піддавали ультразвуковій обробці за температури 20◦C і концентрації кожного цільового ПАВ 50 µg/l (загальна початкова концентрація 150 µg/l). Ультразвукову обробку проводили за допомогою ультразвукового апарата UP400S із сонотродом (400W, 24kHz), здатного працювати як у безперервному, так і в імпульсному режимі. Ультразвуковий апарат UP400S був оснащений титановим зондом H7 із наконечником діаметром 7 mm. Реакції проводили в циліндричній скляній реакційній посудині об’ємом 200 mL із титановим сонотродом, установленим у верхній частині реакційної посудини та герметизованим за допомогою ущільнювальних кілець і тефлонового клапана. Реакційну посудину поміщали у водяну баню для регулювання температури процесу. Щоб уникнути будь-яких фотохімічних реакцій, посудину вкривали алюмінієвою фольгою.
Результати аналізу показали, що конверсія ПАВ зростає зі збільшенням тривалості ультразвукової обробки.
Для нафталіну конверсія за сприяння ультразвуку (потужність ультразвуку встановлено на 150W) зросла з 77,6%, досягнутих після 30 min. ультразвукової обробки, до 84,4% після 60 min. ультразвукової обробки.
Для аценафтилену конверсія за сприяння ультразвуку (потужність ультразвуку встановлено на 150W) зросла з 77,6%, досягнутих після 30 min. ультразвукової обробки за потужності ультразвуку 150W, до 84,4% після 60 min. ультразвукової обробки ультразвуком потужністю 150W; зросла з 80,7%, досягнутих після 30 min. ультразвукової обробки за потужності ультразвуку 150W, до 96,6% після 60 min. ультразвукової обробки.
Для фенантрену конверсія за сприяння ультразвуку (потужність ультразвуку встановлено на 150W) зросла з 73,8%, досягнутих після 30 min. ультразвукової обробки, до 83,0% після 60 min. ультразвукової обробки.
Для підвищення ефективності деградації пероксид водню можна використовувати ефективніше за додавання іона заліза(II). Показано, що додавання іона заліза(II) має синергічні ефекти, які імітують реакцію типу Фентона.
Рекомендований пристрій:
UP400S з H7
Джерело / Наукова стаття:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Деградація поліциклічних ароматичних вуглеводнів у водних розчинах під дією ультразвукового опромінення. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Видалення оксидного шару з підкладок

Застосування ультразвуку:
Для підготовки підкладки перед вирощуванням нанодротів CuO на підкладках Cu природний оксидний шар на поверхні Cu видаляли шляхом ультразвукової обробки зразка в 0,7 M соляній кислоті протягом 2 min. за допомогою Hielscher UP200S. Зразок очищували ультразвуком в ацетоні протягом 5 min. для видалення органічних забруднень, ретельно промивали деіонізованою (DI) водою та сушили стисненим повітрям.
Рекомендований пристрій:
UP200S або UP200St
Джерело / Наукова стаття:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Регулювання газосенсорних властивостей нанодротів CuO шляхом створення дискретних нанорозмірних p−n-переходів на їхніх поверхнях. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Вольтамперометричні експерименти

Застосування ультразвуку:
Для вольтамперометричних експериментів, інтенсифікованих ультразвуком, використовували ультразвуковий апарат Hielscher UP200S потужністю 200 ват, оснащений скляним сонотродом (наконечник діаметром 13 mm). Ультразвук застосовували з інтенсивністю 8 W/cm^–2.
Через низьку швидкість дифузії наночастинок у водних розчинах і велику кількість окисно-відновних центрів на одну наночастинку в прямій вольтамперометрії наночастинок у розчині переважають адсорбційні ефекти. Щоб виявляти наночастинки без їх накопичення внаслідок адсорбції, необхідно вибрати експериментальний підхід із (i) достатньо високою концентрацією наночастинок, (ii) малими електродами для поліпшення співвідношення сигналу до фону або (iii) дуже швидким масоперенесенням.
Тому McKenzie та співавт. (2012) застосували потужний ультразвук, щоб різко підвищити швидкість масоперенесення наночастинок до поверхні електрода. У їхній експериментальній установці електрод безпосередньо зазнає впливу високоінтенсивного ультразвуку за відстані між електродом і сонотродом 5 mm та інтенсивності 8 W/cm^–2 під час ультразвукової обробки, що забезпечує перемішування та кавітаційне очищення. Тестову окисно-відновну систему, одноелектронне відновлення Ru(NH3)₆³⁺ у водному розчині 0,1 M KCl, використовували для калібрування швидкості масоперенесення, досягнутої за цих умов.
Рекомендований пристрій:
UP200S або UP200St
Джерело / Наукова стаття:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Пряма електрохімія наночастинок Fe2O3 у водному розчині та в адсорбованому стані на оксиді індію, легованому оловом. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Ультразвукові апарати для сонохімічних реакцій від лабораторного до промислового масштабу

Hielscher пропонує повний асортимент ультразвукових апаратів від ручного лабораторного гомогенізатора до повністю промислових ультразвукових апаратів для потоків із великою об’ємною витратою. Усі результати, досягнуті в малому масштабі під час випробувань, досліджень і розробок та оптимізації ультразвукового процесу, можна >лінійно масштабувати до повномасштабного комерційного виробництва. Ультразвукові апарати Hielscher надійні, міцні та розраховані на роботу в режимі 24/7.
Запитайте нас, як оцінити, оптимізувати та масштабувати ваш процес! Ми раді допомогти вам на всіх етапах – від перших випробувань та оптимізації процесу до встановлення обладнання на вашій промисловій виробничій лінії!