Activación de moléculas, iones y partículas sólidas con cavitación acústica
Summary
Cavitación acústica en líquidos sometidos a ultrasonidos de potencia crea condiciones extremas transitorias dentro de las burbujas colapsan, que son el origen de la inusual reactividad química y la emisión de luz, conocidos como sonoluminiscencia. En presencia de gases nobles, se forma el plasma de no equilibrio. Las partículas "calientes" y los fotones generados por el colapso de las burbujas son capaces de excitar a las especies en solución.
Abstract
La química y los efectos físicos de la ecografía no se derivan de una interacción directa de las moléculas con las ondas de sonido, sino de la cavitación acústica: la nucleación, crecimiento y colapso implosiva de microburbujas en líquidos sometidos a ultrasonidos de potencia. La violenta implosión de las burbujas conduce a la formación de especies reactivas químicamente y para la emisión de luz, llamado sonoluminiscencia. En este manuscrito, se describen las técnicas que permiten estudiar condiciones extremas intrabubble y reactividad química de cavitación acústica en soluciones. El análisis de los espectros sonoluminiscencia de agua purgó con gases nobles proporciona evidencia de formación de plasma de no equilibrio. Los fotones y las partículas "calientes" generados por burbujas de cavitación permiten para excitar las especies no volátiles en soluciones de aumentar su reactividad química. Por ejemplo el mecanismo de sonoluminiscencia Ultrabright de iones de uranilo en soluciones ácidas varía con la concentración de uranio: Sonophotoluminescence domina en soluciones diluidas, y de excitación colisional contribuye a una concentración de uranio superior. Sonochemical productos secundarios pueden surgir de las especies químicamente activas que se forman dentro de la burbuja, pero entonces difundirse en la fase líquida y reaccionar con los precursores de la solución para formar una variedad de productos. Por ejemplo, la reducción sonoquímica de Pt (IV) en agua pura proporciona una ruta sintética innovadora para nanopartículas monodispersas de platino metálico sin ningún tipo de plantillas o agentes de terminación. Muchos estudios revelan las ventajas de ultrasonido para activar los sólidos divididos. En general, los efectos mecánicos de los ultrasonidos contribuyen fuertemente en sistemas heterogéneos además de los efectos químicos. En particular, la sonolisis de PuO 2 en polvo en los rendimientos de agua pura coloides estables de plutonio debido a ambos efectos.
Introduction
El uso de los ultrasonidos de potencia en numerosas áreas industriales y de investigación, tales como la limpieza de superficies sólidas, desgasificación de líquidos, ciencias de los materiales, la remediación ambiental, y la medicina, ha recibido mucha atención en la última década 1. El tratamiento ultrasónico aumenta la conversión, mejora el rendimiento, e inicia las reacciones en soluciones homogéneas, así como en sistemas heterogéneos. Se acepta generalmente que los efectos físicos y químicos de vibraciones ultrasónicas en líquidos surgen de cavitación acústica o, en otras palabras, al colapso implosiva de microburbujas en los fluidos irradiados con ultrasonidos de potencia 2. Implosión violenta de la burbuja de cavitación genera condiciones extremas transitorios en la fase gaseosa de la burbuja, que son responsables de la formación de las especies químicamente activas y sonoluminiscencia. Sin embargo, el debate aún continúa sobre el origen de tales condiciones extremas. Analysi espectroscópicos del sonoluminiscencia ayuda a comprender mejor los procesos que ocurren durante el colapso de la burbuja. En el agua, se satura con gases nobles, los espectros sonoluminiscencia están compuestos de OH (A 2 Σ +-X 2 Π i), OH (C 2 S + A-2 S +) bandas y un amplio continuo que va desde UV a NIR parte de los espectros de emisión 3. El análisis espectroscópico de OH (A 2 Σ +-X 2 Π i) la formación de bandas de emisión revelada de plasma de no equilibrio durante sonólisis de agua 4, 5. A la frecuencia de ultrasonidos de baja, se forma el plasma débilmente excitado con Brau distribución vibracional. Por el contrario, en el ultrasonido de alta frecuencia, el plasma dentro de colapso de las burbujas de exposiciones Treanor comportamiento típico de fuerte excitación vibracional. Las temperaturas vibrónicas (T v, T e) aumentan con la frecuencia ultrasónica que indica condiciones intrabubble más drásticas en alto-ultrasonido de frecuencia.
En principio, cada burbuja de cavitación puede ser considerado como un microrreactor químico de plasma proporcionar procesos de alta energía a casi la temperatura ambiente de la solución a granel. Los fotones y las partículas "calientes" producidos dentro de la burbuja permiten excitar las especies no volátiles en las soluciones que aumenta su reactividad química. Por ejemplo, el mecanismo de sonoluminiscencia Ultrabright de iones de uranilo en soluciones ácidas se ve influenciada por la concentración de uranio: fotones de absorción / re-emisión en soluciones diluidas, y de excitación a través de colisiones con partículas "calientes" contribuye a mayor concentración de uranilo 6. Especies químicas producidas por las burbujas de cavitación se pueden utilizar para la síntesis de nanopartículas metálicas sin ninguna plantilla o agentes de terminación. En el agua pura se purgó con argón, la reducción sonoquímica de Pt (IV) se produce por el hidrógeno emitido por las moléculas de agua sonoquímica división dando nanopartic monodispersadaLes de platino metálico 7. Reducción sonoquímica se acelera colector en presencia de ácido fórmico o Ar / mezcla de gas CO.
Muchos estudios anteriores han demostrado las ventajas de ultrasonido para activar la superficie de los sólidos divididos debido a los efectos mecánicos, además de la activación química 8,9. Partículas sólidas pequeñas que son mucho menos en tamaño que las burbujas de cavitación no perturbar la simetría de colapso. Sin embargo, cuando se produce un evento de cavitación cerca de grandes agregados o cerca de la superficie extendida de la burbuja implosiona asimétricamente, formando un microchorro supersónico que conduce a la desagregación de clúster y a la erosión de la superficie sólida. El tratamiento ultrasónico del dióxido de plutonio en el agua pura se purgó con argón causa la formación de nanocoloides estables de plutonio (IV) debido a efectos tanto físicos como químicos 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los parámetros más críticos para la observación éxito de sonoluminiscencia y sonoquímica son: 1) el control riguroso de la saturación de gas y la temperatura durante la sonicación, 2) la selección cuidadosa de la frecuencia ultrasónica, 3) el uso de una composición óptima de la solución se sonicó para evitar la extinción.
La cinética de las reacciones sonochemical así como la intensidad de sonoluminiscencia es muy sensible a la temperatura de la solución sometida a ultrason…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a la ANR francesa (subvención ANR-10-BLAN-0810 NEQSON) y CEA / DEN / Marcoule.
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 |
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