Ativando moléculas, íons e partículas sólidas com Acústico cavitação
Summary
Cavitação acústica em líquidos submetidos a ultra-som poder cria condições extremas transitórios dentro das bolhas em colapso, que são a origem da reatividade química incomum e emissão de luz, conhecido como sonoluminescência. Na presença de gases nobres, de plasma de não equilíbrio é formado. As partículas "quentes" e os fotões gerados pelo colapso de bolhas são capazes de excitar as espécies em solução.
Abstract
Os efeitos físicos do ultrassom química e não surgem de uma interação direta de moléculas com ondas sonoras, mas sim a partir da cavitação acústica: a nucleação, crescimento e colapso implosiva de microbolhas em líquidos submetidos a ultra-som de potência. A implosão das bolhas violento leva à formação de espécies reactivas quimicamente e para a emissão de luz, sonoluminescência nomeado. Neste artigo, descrevemos as técnicas que permitem estudo das condições intrabubble extremas e reatividade química de cavitação acústica em soluções. A análise dos espectros sonoluminescência de água aspergido com gases nobres fornece evidência para a formação de plasma de não equilíbrio. Os fotões e as partículas "quentes" gerados por bolhas de cavitação permitir a excitar as espécies não-voláteis em soluções de aumentar a sua reactividade química. Por exemplo, o mecanismo de sonoluminescência ultrabright de iões uranilo em soluções ácidas varia com a concentração de urânio: Sonophotoluminescence domina em soluções diluídas, e excitação colisional contribui em maior concentração de urânio. Produtos sonoquímicos secundários podem surgir de espécies quimicamente activas que são formados no interior da bolha, mas, em seguida, difundem-se para a fase líquida e reage com os precursores de solução para formar uma variedade de produtos. Por exemplo, a redução sonoquímico de Pt (IV) em água pura fornece uma via de síntese inovadora para as nanopartículas monodispersas de platina metálica, sem quaisquer modelos ou agentes de nivelamento. Muitos estudos revelam as vantagens de ultra-sons para activar os sólidos divididos. Em geral, os efeitos mecânicos de ultra-som contribuir fortemente em sistemas heterogéneos em adição aos efeitos químicos. Em particular, a sonólise de puo 2 em pó em rendimentos de água pura coloidais estáveis de plutónio devido a ambos os efeitos.
Introduction
O uso do ultra-som de potência em diversas áreas industriais e de investigação, tais como a limpeza de superfícies sólidas, desgaseificação de líquidos, ciências dos materiais, remediação ambiental, e da medicina, tem recebido muita atenção na última década 1. O tratamento ultra-sónico a conversão aumenta, melhora o rendimento, e inicia as reacções em soluções homogéneas, assim como em sistemas heterogéneos. É geralmente aceite que os efeitos físicos e químicos de vibrações ultra-sónicas em líquidos surgem de cavitação acústico ou, em outras palavras, para o colapso implosivas de microbolhas em fluidos irradiados com energia de ultra-sons 2. Implosão violenta da bolha de cavitação gera condições extremas transiente na fase gasosa da espuma, que são responsáveis pela formação de espécies quimicamente activas e sonoluminescência. No entanto, o debate continua sobre a origem de tais condições extremas. Espectroscópica analysis do sonoluminescência ajuda a entender melhor os processos que ocorrem durante o colapso da bolha. Na água, saturada com gases nobres, os espectros sonoluminescência são compostas a partir de OH (A 2 + Σ-X 2 Π i), OH (C 2 S + A-2 S +) bandas e um continuum amplo variando de UV para NIR parte do espectro de emissão 3. Análise espectroscópica de OH (A 2 + Σ-X 2 Π i) bandas de emissão revelaram formação de plasma de não equilíbrio durante a sonólise de água 4, 5. Em baixa freqüência ultra-sônica, plasma fracamente animado com Brau distribuição vibracional é formado. Por outro lado, a ultra-sonografia de alta freqüência, o plasma dentro colapso bolhas exposições Treanor comportamento típico de uma forte excitação vibracional. As temperaturas vibrônicos (T v, T e) aumentar com a freqüência ultra-sônica, indicando condições mais drásticas intrabubble em altaultra-som de freqüência.
Em princípio, cada bolha de cavitação pode ser considerado como um micro-reactor químico de plasma proporcionar processos altamente energéticos em quase temperatura ambiente, de uma solução a granel. Os fotões e as partículas "quentes", produzida no interior da bolha permitir a excitar as espécies não-voláteis em soluções, aumentando assim a sua reactividade química. Por exemplo, o mecanismo de sonoluminescência ultrabright de iões uranilo em soluções ácidas é influenciada pela concentração de urânio: fotões absorção / re-emissão, em soluções diluídas, e excitação através de colisões de partículas com "quentes" contribui em maior concentração de uranilo 6. Espécies químicas produzidas por bolhas de cavitação pode ser utilizado para a síntese de nanopartículas metálicas sem quaisquer modelos ou agentes de nivelamento. Em água pura aspergido com argônio, a redução sonoquímica de Pt (IV) ocorre por hidrogênio emitido a partir sonoquímica dividir moléculas de água produzindo nanopartic monodispersales de platina metálica 7. Sonochemical redução é acelerada colector, na presença de ácido fórmico ou Ar / mistura de gás de CO.
Muitos estudos anteriores demonstraram as vantagens de ultra-sons para activar a superfície de sólidos divididos, devido aos efeitos mecânicos, além de activação química 8,9. As pequenas partículas sólidas que são muito menos em tamanho do que as bolhas de cavitação não perturba a simetria de colapso. No entanto, quando um evento cavitação ocorre perto grandes agregados ou perto da superfície estendida a bolha implode de forma assimétrica, formando um microjacto supersónico que conduz à desagregação de agrupamento e à erosão de superfície sólida. Tratamento de ultra-som de dióxido de plutónio em água pura aspergido com argônio provoca a formação de nanocolóides estáveis de plutônio (IV), devido a ambos os efeitos físicos e químicos 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os parâmetros mais críticos para a observação de sucesso de sonoluminescência e Sonochemistry são: 1) O controlo rigoroso da saturação do gás e a temperatura da massa durante a sonicação, 2) selecção cuidadosa de frequência ultra-sónica, 3), utilizando uma composição óptima de solução sonicada para evitar têmpera.
As cinéticas das reacções sonoquímicos, bem como a intensidade de sonoluminescência é muito sensível à temperatura da solução submetida a ultra-sons:…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer a ANR francesa (concessão ANR-10-0810-BLAN NEQSON) e 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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