Activation de molécules, des ions et des particules solides avec cavitation acoustique
Summary
Cavitation acoustique dans les liquides soumis à des ultrasons de puissance crée des conditions extrêmes transitoires à l'intérieur des bulles s'effondrent, qui sont à l'origine de rare réactivité chimique et l'émission de lumière, connue sous le nom sonoluminescence. En présence de gaz nobles, le plasma de non-équilibre est formé. Les particules "chaudes" et les photons générés par l'effondrement des bulles sont capables d'exciter des espèces en solution.
Abstract
Les effets physiques des ultrasons chimique et se présentent pas d'une interaction directe de molécules avec des ondes sonores, mais plutôt de la cavitation acoustique: la nucléation, la croissance et l'effondrement implosive de microbulles dans les liquides soumis à des ultrasons de puissance. L'implosion des bulles violent conduit à la formation d'espèces réactives chimiquement, et à l'émission de lumière, sonoluminescence nommé. Dans ce manuscrit, nous décrivons les techniques permettant l'étude des conditions extrêmes intrabubble et la réactivité chimique de cavitation acoustique dans les solutions. L'analyse des spectres de sonoluminescence de l'eau soumise à un barbotage avec des gaz nobles fournit la preuve de la formation du plasma de non-équilibre. Les photons et les particules "chaudes" générées par des bulles de cavitation permettent d'exciter les espèces non volatiles dans des solutions de plus en plus leur réactivité chimique. Par exemple, le mécanisme de la sonoluminescence ultrabright d'ions uranyle dans des solutions acides varie avec la concentration d'uranium: Sonophotoluminescence domine dans les solutions diluées, et l'excitation de collision contribue à une concentration d'uranium supérieure. Sonochimiques produits secondaires peuvent résulter d'espèces chimiquement actives qui sont formés à l'intérieur de la bulle, mais ensuite se diffuser dans la phase liquide et de réagir avec des précurseurs de la solution pour former une série de produits. Par exemple, la réduction sonochimique de Pt (IV) dans l'eau pure fournit une voie de synthèse innovante pour les nanoparticules monodisperses de platine métallique sans modèles ou agents de coiffage. De nombreuses études révèlent les avantages de l'échographie pour activer les solides divisés. En général, les effets mécaniques des ultrasons contribuent fortement dans des systèmes hétérogènes, en plus des effets chimiques. En particulier, la sonolyse de PuO 2 en poudre avec des rendements de l'eau pure colloïdales stables de plutonium en raison de ces deux effets.
Introduction
L'utilisation de la puissance des ultrasons dans de nombreux domaines industriels et de recherche, tels que le nettoyage des surfaces solides, le dégazage de liquides, les sciences des matériaux, assainissement de l'environnement, et de la médecine, a reçu beaucoup d'attention au cours de la dernière décennie 1. Le traitement aux ultrasons augmente la conversion, permet d'améliorer le rendement, et initie les réactions dans des solutions homogènes et aussi dans les systèmes hétérogènes. Il est généralement admis que les effets physiques et chimiques des vibrations ultrasonores dans les liquides proviennent de cavitation acoustique ou, en d'autres termes, à l'effondrement implosive de microbulles dans les fluides irradiés par ultrasons de puissance 2. Implosion violente de la bulle de cavitation génère des conditions extrêmes transitoires dans la phase gazeuse de la bulle, qui sont responsables de la formation d'espèces chimiquement actives et de sonoluminescence. Néanmoins, le débat se poursuit encore sur l'origine de ces conditions extrêmes. Spectroscopique analysis de la sonoluminescence aide à mieux comprendre les processus qui se produisent lors de l'effondrement de la bulle. Dans l'eau, saturée de gaz nobles, les spectres de sonoluminescence sont composés de OH (A 2 Σ +-X 2 Π i), OH (C 2 S + A 2 S +) bandes et un vaste continuum allant de l'UV à partie NIR des spectres d'émission 3. L'analyse spectroscopique de OH (A 2 Σ +-X 2 Π i) des bandes d'émission de formation de plasma de non-équilibre a révélé au cours de sonolyse de l'eau 4, 5. A basse fréquence ultrasonore, le plasma faiblement excité avec Brau distribution vibrationnelle est formée. En revanche, à ultrasons à haute fréquence, le plasma à l'intérieur de s'effondrer bulles expositions Treanor comportement typique d'une forte excitation vibratoire. Les températures vibroniques (T v, T e) augmentent en fréquence ultrasonore indiquant des conditions plus drastiques intrabubble à haute-la fréquence des ultrasons.
En principe, chaque bulle de cavitation peut être considéré comme un micro-réacteur chimique à plasma hautement énergétiques des procédés fournissant à peu près la température ambiante de la solution en vrac. Les photons et les particules "chaudes" produites à l'intérieur de la bulle permettent d'exciter les espèces non volatiles dans des solutions augmentant ainsi leur réactivité chimique. Par exemple, le mécanisme de sonoluminescence ultrabright des ions uranyle en solution acide est influencée par la concentration en uranium: absorption des photons / ré-émission dans les solutions diluées, et l'excitation par l'intermédiaire de collisions avec des particules "chaudes" contribue à la concentration plus élevée d'uranyle 6. les espèces chimiques produites par les bulles de cavitation peuvent être utilisés pour la synthèse de nanoparticules métalliques sans aucun des modèles ou des agents de coiffage. Dans l'eau pure aspergé avec de l'argon, la réduction sonochimique de Pt (IV) se produit par de l'hydrogène issu de sonochimique molécules d'eau fractionnement rendement nanopartic monodisperseles 7 de platine métallique. Réduction sonochimique collecteur est accéléré en présence d'acide formique ou de mélange gazeux Ar / CO.
De nombreuses études précédentes ont démontré les avantages de l'échographie pour activer la surface des solides divisés à cause des effets mécaniques en plus de l'activation chimique 8,9. Petites particules solides qui sont beaucoup moins grandes que les bulles de cavitation ne perturbent pas la symétrie de l'effondrement. Cependant, quand un événement de cavitation près des grandes agrégats ou près de la surface de la bulle implose prolongée asymétrique, formant un micro-jet supersonique conduisant à la désagrégation de la grappe et à l'érosion de surface solide. Traitement par ultrasons de dioxyde de plutonium dans l'eau pure aspergé avec de l'argon provoque la formation de nano-colloïdes stables de plutonium (IV) en raison de deux effets physiques et chimiques 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les paramètres les plus critiques pour l'observation de la réussite et de sonoluminescence sonochemistry sont les suivants: 1) un contrôle rigoureux de la saturation de gaz et la température de la masse au cours de la sonication, 2) une sélection soigneuse de la fréquence ultrasonore, 3) en utilisant une composition optimale d'une solution traitée aux ultrasons pour éviter la trempe.
La cinétique de la réaction sonochimiques ainsi que l'intensité de sonoluminescence es…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier l'ANR française (ANR-10-BLAN-0810 NEQSON) et le 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 |
Riferimenti
- Mason, T. J., Lorimer, J. P. Applied Sonochemistry. The Uses of Power Ultrasound in Chemistry and Processing. Wiley-VCH Verlag GmbH. , (2002).
- Suslick, K. S. . Ultrasound: Its Chemical, Physical, and Biological Effects. , (1988).
- Pflieger, R., Brau, H. -. P., Nikitenko, S. I. Sonoluminescence from OH(C2Σ+) and OH(A2Σ+) Radicals in Water: Evidence for Plasma Formation during Multibubble Cavitation. Chem. Eur. J. 16, 11801-11803 (2010).
- Ndiaye, A. A., Pflieger, R., Siboulet, B., Molina, J., Dufreche, J. -. F., Nikitenko, S. I. Nonequilibrium Vibrational Excitation of OH Radicals Generated during Multibubble Cavitation in Water. J. Phys. Chem. A. 116, 4860-4867 (2012).
- Ndiaye, A. A., Pflieger, R., Siboulet, B., Nikitenko, S. I. The Origin of Isotope Effects in Sonoluminescence Spectra of Heavy and Light. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2478-2481 (2013).
- Pflieger, R., Cousin, V., Barré, N., Moisy, P., Nikitenko, S. I. Sonoluminescence of Uranyl Ions in Aqueous Solutions. Chem. Eur. J. 18, 410-414 (2012).
- Chave, T., Navarro, N. M., Nitsche, S., Nikitenko, S. I. Mechanism of Pt(IV) Sonochemical Reduction in Formic Acid Media and Pure Water. Chem. Eur. J. 18, 3879-3885 (2010).
- Thompson, L. H., Doraiswamy, L. K. Sonochemistry: science and engineering. Ind. Eng. Chem. Res. 38, 1215-1249 (2012).
- Nikitenko, S. I., Venault, L., Pflieger, R., Chave, T., Bisel, I., Moisy, P. Potential applications of sonochemistry in spent nuclear fuel reprocessing: a short review. Ultrason. Sonochem. 17, 1033-1040 (2010).
- Chave, T., Den Auwer, C., Moisy, P., Nikitenko, S. I. Sonochemical formation of Pu(IV) colloids. ATALANTE 2012 Nuclear chemistry for sustainable fuel cycles. , (2012).
- Baird, C. P., Kemp, T. J. Luminescence spectroscopy, lifetimes and quenching mechanisms of excited states of uranyl and other actinide ions. Prog. React. Kinet. 22 (2), 87-139 (1997).
- Marcantonatos, M. D. Photochemistry and exciplex of the uranyl ion in aqueous solution. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 76, 1093-1097 (1980).
- Burrows, H. D., Kemp, T. J. Photochemistry of uranyl ion. Chem. Soc. Rev. 3, 139-165 (1974).
- Kazakov, V. P., Sharipov, G. L., Sadykov, P. A. Specific quenching of the radioluminescence from UO22+ ions by the products of radiolysis in acidic solutions. High Energy Chemistry (Khimiya Vysokikh Energii. 16, 376-377 (1982).
- Katz, J. J., Seaborg, G. T., Morss, L. R. 2nd ed. The Chemistry of the Actinide Elements. , (1986).
- Rabinowitch, E., Belford, R. L. . Spectroscopy and Photochemistry of Uranyl Compounds. , (1964).
- Mizukoshi, Y., Takagi, E., Okuno, H., Oshima, R., Maeda, Y., Nagata, Y. Preparation of platinum nanoparticles by sonochemical reduction of the Pt(IV) ions: role of surfactants. Ultrason. Sonochem. 8, 1-6 (2001).
- Fischer, C. H., Hart, E. J., Henglein, A. Ultrasonic Irradiation of Water in the Presence of 18,18O2: Isotope Exchange and Isotopic Distribution of H2O2. J. Phys. Chem. 90, 1954-1956 (1986).
- Nikitenko, S. I., Martinez, P., Chave, T., Billy, I. Sonochemical Disproportionation of Carbon Monoxide in Water: Evidence for Treanor Effect during Multibubble Cavitation. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 9529-9532 (2009).
- Surendran, G., et al. From self-assembly of platinum nanoparticles to nanostructured materials. Small. 1, 964-967 (2005).
- Chave, T., Grunenwald, A., Ayral, A., Lacroix-Desmazes, P., Nikitenko, S. I. Sonochemical deposition of platinum nanoparticles on polymer beads and their transfer on the pore surface of a silica matrix. J. Colloid Interface Sci. 395, 81-84 (2013).
- Virot, M., et al. Catalytic dissolution of ceria under mild conditions. J. Mater. Chem. 22, 14734-14740 (2012).
- Virot, M., Chave, T., Nikitenko, S. I., Shchukin, D. G., Zemb, T., Moehwald, H. Acoustic cavitation at the water-glass interface. J. Phys. Chem. C. 114, 13083-13091 (2010).
- Virot, M., Pflieger, R., Skorb, E. V., Ravaux, J., Zemb, T., Mohwald, H. Crystalline silicon under acoustic cavitation: from mechanoluminescence to amorphization. J. Phys. Chem. C. 116, 15493-15499 (2012).
- Walther, C., et al. New insights in the formation processes of Pu(IV) colloids. Radiochim. Acta. 97, 199-207 (2009).
- Young, F. R. . Sonoluminescence. , (2004).
- Pflieger, R., Schneider, J., Siboulet, B., Möhwald, H., Nikitenko, S. I. Luminescence of trivalent lanthanide ions excited by single-bubble and multibubble cavitations. J. Phys. Chem. B. 117, 2979-2984 (2013).
