Aktivieren Moleküle, Ionen und Feststoffpartikeln mit Acoustic Cavitation
Summary
Akustische Kavitation in Flüssigkeiten Leistungsultraschall eingereicht schafft vorübergehende extremen Bedingungen im Inneren der kollabierenden Bläschen, die die Herkunft des ungewöhnlichen chemischen Reaktivität und die Lichtemission, wie Sonolumineszenz bekannt. In Gegenwart von Edelgasen, Nichtgleichgewichtsplasma gebildet wird. Die "heiße" Teilchen und Photonen durch Kollabieren Blasen erzeugt werden können, Spezies in der Lösung anzuregen.
Abstract
Die chemischen und physikalischen Effekte des Ultraschalls entstehen nicht aus einer direkten Wechselwirkung von Molekülen mit Schallwellen, sondern von der akustischen Kavitation: Die Keimbildung, Wachstum und implosive Zusammenbruch der Mikrobläschen in Flüssigkeiten an die Macht Ultraschall eingereicht. Die gewaltsame Implosion der Blasen führt zur Bildung von chemisch reaktiven Spezies und die Emission von Licht, mit dem Namen Sonolumineszenz. In diesem Manuskript, beschreiben wir die Techniken, so dass Studium der extremen intrabubble Bedingungen und chemische Reaktivität akustische Kavitation in Lösungen. Die Analyse der Spektren Sonolumineszenz von Wasser mit Edelgase eingeblasen bietet Belege für Nichtgleichgewichtsplasmabildung. Die Photonen und die "heiße" Teilchen, die durch Kavitation erzeugten Blasen zu ermöglichen, die nicht-flüchtige Spezies in Lösung zu erregen Erhöhung ihrer chemischen Reaktivität. Beispielsweise der Mechanismus der ultra Sonolumineszenz von Uranylionen in sauren Lösungen variiert mit Urankonzentration: Sonophotoluminescence dominiert in verdünnten Lösungen und Stoßanregung trägt bei höheren Urankonzentration. Sekundär sonochemischer Erzeugnisse aus chemisch aktiven Spezies, die in der Blase ausgebildet sind, ergeben sich aber dann in der flüssigen Phase zu diffundieren und mit Lösung Vorläufer reagieren, um eine Vielzahl von Produkten zu bilden. Beispielsweise die Verringerung der sonochemischen Pt (IV) in reinem Wasser stellt eine innovative Syntheseweg für monodisperse Nanopartikel aus metallischem Platin ohne Schablonen oder Verkappungsmittel. Viele Studien zeigen die Vorteile von Ultraschall, um die verteilten Feststoffen zu aktivieren. Im allgemeinen sind die mechanischen Effekte von Ultraschall stark in heterogenen Systemen neben der chemischen Wirkung beitragen. Insbesondere die Sonolyse von PuO 2-Pulver in reinem Wasser ergibt stabile Kolloide von Plutonium aufgrund beider Effekte.
Introduction
Der Einsatz von Leistungsultraschall in zahlreichen Industrie-und Forschungsbereiche, wie zB die Reinigung von festen Oberflächen, Entgasung von Flüssigkeiten, Materialwissenschaften, Umweltsanierung und Medizin, hat viel Aufmerksamkeit in der letzten Dekade 1 empfangen. Die Ultraschallbehandlung erhöht die Umwandlung, die Ausbeute verbessert, und leitet die Reaktionen in homogener Lösung als auch in heterogenen Systemen. Es ist allgemein anerkannt, dass die physikalischen und chemischen Effekte der Ultraschallschwingungen in Flüssigkeiten ergeben sich aus akustischer Kavitation oder, in anderen Worten, um die implosive Zusammenbruch der Mikrobläschen in Flüssigkeiten mit Leistungsultraschall 2 bestrahlt. Gewaltsame Implosion der Kavitationsblasen erzeugt transiente extremen Bedingungen in der Gasphase des Bläschens, welche die Bildung von chemisch aktiven Spezies und Sonolumineszenz verantwortlich sind. Dennoch Debatte noch weiter über die Herkunft der extremen Bedingungen. Spektroskopische analysis der Sonolumineszenz hilft, die Prozesse bei der Blasenkollaps auftreten besser zu verstehen. In Wasser mit Edelgasen gesättigt, die Sonolumineszenz Spektren von OH aus (A 2 Σ +-X 2 Π i), OH (C 2 S +-A 2 S +)-Bands und ein breites Kontinuum von UV bis NIR Teil der Emissionsspektren 3. Spektroskopische Analyse von OH (A 2 Σ +-X 2 Π i) Emissionsbanden zeigte die Bildung von Nichtgleichgewichtsplasma während Sonolyse Wasser 4, 5. Bei niedrigen Ultraschallfrequenz, schwach angeregt Plasma mit Brau Schwingungsverteilung gebildet wird. Im Gegensatz zu Hochfrequenz-Ultraschall, das Plasma im Inneren kollabierenden Blasen Exponate Treanor Verhalten ist typisch für starke Schwingungsanregung. Die Schwingungs Temperaturen (T v, T e) steigen mit Ultraschallfrequenz anzeigt drastischere intrabubble Bedingungen bei HochFrequenz-Ultraschall.
Im Prinzip kann jeder Kavitationsblase als plasmachemische Mikroreaktor die Bereitstellung hochenergetische Prozesse in nahezu Raumtemperatur von der Gesamtlösung betrachtet werden. Die Photonen und die in der Blase erzeugten "heiße" Teilchen zu ermöglichen, die nicht-flüchtige Spezies in Lösung zu erregen damit ihre chemische Reaktivität erhöht wird. Zum Beispiel ist der Mechanismus der ultra Sonolumineszenz von Uranylionen in sauren Lösungen von Urankonzentration beeinflusst: Photonen-Absorption / Re-Emission in verdünnten Lösungen und Anregung über Kollisionen mit "heißen" Teilchen trägt zu höheren Konzentration Uranyl 6. Von Kavitationsblasen erzeugt chemischen Spezies kann für die Synthese von metallischen Nanopartikeln ohne Schablonen oder Verkappungsmittel verwendet werden. In reinem Wasser mit Argon gespült, die sonochemischen Reduktion von Pt (IV) tritt von Wasserstoff aus Wassermolekülen sonochemischen Aufspaltung ergibt monodispersen nanopartic ausgestelltles von metallischem Platin 7. Sonochemischen Reduktion Verteiler in Gegenwart von Ameisensäure oder Ar / CO Gasgemisch beschleunigt.
Viele frühere Studien haben die Vorteile des Ultraschall gezeigt, die Oberfläche des verteilten Feststoffen aufgrund der mechanischen Effekte zusätzlich zu chemischen Aktivierung 8,9 aktivieren. Kleine Feststoffpartikel, deren Größe wesentlich geringer als die Kavitationsblasen nicht stören die Symmetrie des Zusammenbruchs. Wenn jedoch eine Kavitation Veranstaltung in der Nähe von großen Aggregaten oder in der Nähe von ausgedehnten Oberfläche tritt die Blase implodiert asymmetrisch, wodurch ein Überschall-Mikrostrahl, die zum Cluster aufgespalten und auf die feste Oberfläche Erosion. Ultraschall-Behandlung von Plutonium Kohlendioxid in reinem Wasser mit Argon gespült, verursacht die Bildung von stabilen Nanokolloide von Plutonium (IV) durch physische und chemische Einwirkungen 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die wichtigsten Parameter für eine erfolgreiche Beobachtung Sonolumineszenz und sonochemistry sind: 1) eine strenge Kontrolle des Sättigungsgases und die Massetemperatur während der Beschallung, 2) die sorgfältige Auswahl der Ultraschallfrequenz, 3) mit einer optimalen Zusammensetzung der Lösung mit Ultraschall behandelt, um ein Abschrecken zu verhindern.
Die Kinetik der sonochemischen Reaktionen sowie die Intensität Sonolumineszenz ist sehr empfindlich auf die Temperatur des Ultrascha…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten die Französisch ANR (grant ANR-10-0810-BLAN NEQSON) und CEA / DEN / Marcoule bestätigen.
Materials
| 20 kHz Ultrasound Generator | Sonics Vibracell | ||
| Multifrequency Generator AG 1006 | T&C Power Conversion | ||
| Cryostat RE210 | Lauda | ||
| Spectrometer SP 2356i | Roper Scientific | ||
| CCD camera SPEC10-100BR cooled with liquid nitrogen | Roper Scientific | ||
| Quadrupole mass-spectrometer PROLAB 300 | Thermoscientific | ||
| Centrifuge Sigma 1-14 | Sigma-Aldrich | ||
| H2PtCl6 6H2O | Sigma-Aldrich | ||
| Ar; Ar/CO gases | Air Liquid | ||
| Uranium and Plutonium compounds | Prepared in the laboratories of Marcoule Research Center | ||
| Perchloric acid | Sigma-Aldrich | ||
| Phosphoric acid | Sigma-Aldrich | ||
| Formic acid | Sigma-Aldrich |
References
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