Сонокатализ

Сонокатализ — это область сонохимии , основанная на использовании ультразвука для изменения реакционной способности катализатора в гомогенном или гетерогенном катализе . Обычно он используется для поддержки катализа . Этот метод катализа известен со времени создания сонохимии в 1927 году Альфредом Ли Лумисом (1887–1975) и Робертом Уильямсом Вудом (1868–1955). ^[1] Сонокатализ зависит от ультразвука, открытого в 1794 году итальянским биологом Лазарро Спалланцани (1729–1799). ^[2]

Принцип

Общая концепция

Сонокатализ не является самодостаточным методом катализа, а вместо этого поддерживает катализатор в реакции. Сонокатализ и сонохимия происходят из явления, называемого «акустической кавитацией », которое происходит, когда жидкость облучается ультразвуком. Ультразвук создаст огромные локальные колебания давления и температуры жидкости , влияя на относительную плотность и создавая кавитационные пузырьки, когда давление жидкости падает ниже давления ее пара . Когда эти пузырьки взрываются, выделяется некоторая энергия, возникающая в результате преобразования кинетической энергии в тепло. Сонокатализ может происходить в гомогенной или гетерогенной фазе . Это зависит от фазы, на которой катализатор сравнивается с реакцией. ^[1]

Выдувание кавитационных пузырьков может вызвать интенсивные локальные давления и температуры, достигающие давления 1000 атм и температуры 5000 К. ^[1] Это может спровоцировать образование высокоэнергетических радикалов . Выдувание пузырьков приводит к образованию гидроксильного радикала. ${\ce {HO^{.}}}$ и водородный радикал ${\ce {H^{.}}}$ в водной среде. Затем эти радикалы могут объединяться с образованием различных молекул, например воды. ${\ce {H2O}}$ , гидропероксил ${\ce {HO2^{.}}}$ , перекись водорода ${\ce {H2O2}}$ и дикислород ${\ce {O2}}$ ^[3]

Реакции образования радикалов вследствие разложения воды ультразвуком можно описать так:

${\ce {H2O ->[{)))}] HO{.}+ H{.}}}$

${\ce {.OH + H. -> H2O2}}$

${\ce {.H + O2 ->HO2.}}$

${\ce {2HO. -> H2O2}}$

${\ce {2HO2.->H2O2 +O2}}$

${\ce {H2O +.OH->H2O2 +H.}}$

Энергия ультразвукового излучения отличается от тепловой энергии или энергии электромагнитного излучения временем, давлением и энергией, получаемой молекулой. ^[1]. Например, ультразвук с частотой 20 кГц создает 8,34 х 10 ^-11 энергию эВ, а лазер с длиной волны 300 нм создает энергию 4,13 эВ. Этот ультразвук вызывает более короткое время реакции и лучший выход.

Прямое и непрямое облучение

различают два типа облучения В сонокатализе и сонохимии : прямое облучение и непрямое облучение . При прямом облучении раствор контактирует с излучателем звуковых волн (обычно преобразователем ), тогда как при непрямом облучении эти два элемента разделяются облучаемой ванной. Ванна передает излучение раствору за счет конвекции . Хотя непрямое облучение является наиболее часто используемым методом облучения, возможно и прямое облучение, особенно когда облучаемая ванна может также служить контейнером для раствора. ^[2]

Катализаторы

Гомогенные катализаторы

Карбонилы металлов , такие как Fe(CO) ₅ , Fe ₃ (CO) ₁₂ , Cr(CO) ₆ , Mo(CO) ₆ и W(CO) ₆ , очень часто используются в гомогенном катализе, поскольку это стабильные соединения при стандартная температура и давление из-за их структуры. ^[4] Более того, их каталитическая способность хорошо известна и эффективна. ^[5]

Гетерогенные катализаторы

Виды углерода на основе, такие как углеродные нанотрубки , графен , оксид графена, активированный уголь , биоуголь , gC ₃ N ₄ , легированные углеродом материалы , бакминстерфуллерен (C60) и мезопористый углерод, очень часто используются в гетерогенном сонокатализе. Эти виды являются отличными сонокатализаторами, поскольку они способствуют процессу разложения во время сонокатализа. Кроме того, они обладают огромной активностью и стабильностью для сонокатализа, а также демонстрируют эффект нуклеации . Эти свойства обусловлены такими характеристиками, как оптическая активность, электрическое сопротивление и проводимость , химическая стабильность, силы и их пористая структура. Эти виды используются все чаще. ^[3]

Материалы

Датчики

Для генерации ультразвука для сонокатализа требуется оборудование, отличное от катализаторов, например преобразователи, которые создают ультразвук путем преобразования электрической энергии в механическую . Существует два типа преобразователей: пьезоэлектрические преобразователи и магнитострикционные преобразователи . Пьезоэлектрические преобразователи используются чаще, поскольку они дешевле, легче и менее громоздки. Эти преобразователи состоят из монокристаллов или керамики и двух электродов, закрепленных на стороне предшествующих материалов. На эти электроды подается напряжение , максимально равное резонансной частоте преобразователя. Затем монокристаллы могут сжиматься или расширяться, создавая волну. ^[2]

Несколько примеров преобразователей

Ультразвуковой очиститель представляет собой ванну, полную жидкости. Жидкость может передавать акустическую энергию от дна ванны раствору в контейнере. Этот очиститель часто генерирует ультразвук низких частот (от 20 до 60 кГц) и стоит недорого. Однако у него есть некоторые неудобства, такие как сложность контроля температуры жидкости в ванне и тот факт, что облучение не одинаково повсюду в ванне. ^[2]

Чашечный ультразвуковой аппарат аналогичен ультразвуковому очистителю, но он может облучать как прямым, так и непрямым излучением. В то время как ультразвуковая очистка генерирует ультразвук только низких частот, чашечный ультразвуковой аппарат может генерировать ультразвук также и высоких частот и с более высокой интенсивностью. Однако это оборудование очень дорогое из-за своей концепции. ^[2]
Реактор -свисток представляет собой реактор, в котором реакционная смесь непрерывно прокачивается через отверстие регулируемой ширины в ограниченной области, где происходит кавитация. Ультразвуковые волны генерируются в этой области за счет вибрации лопастей во время прохождения перекачиваемого раствора. Этот реактор часто используют для гомогенных реакционных смесей, так как твердая часть гетерогенных смесей не может пройти через свисток. Этот тип реактора используется реже. ^[2]

Приложения

Растет использование сонокатализа. ^[6] Сегодня сонокатализ используется во многих областях, таких как медицина, фармакология, металлургия, окружающая среда, нанотехнологии и очистка сточных вод .

Здоровье

Синтез активных ингредиентов

Пример пиразола

Несколько исследований показали, что сонокатализ может увеличить выход синтеза пиразолов , соединений, обладающих противомикробной , антигипертензивной , противовоспалительной и противосудорожной активностью.

В ходе исследования был разработан новый способ синтеза этой молекулы с использованием экологических и экономичных реагентов при сохранении высокого выхода и использовании сонокатализа. ^[7]

В следующей таблице приведен пример синтеза 3-метил-5-фенил-4,5-дигидро-1H-пиразол-1-карботиоамида :

Продолжительность синтеза 3-метил-5-фенил-4,5-дигидро-1Н-пиразол-1-карботиоамида
	Продолжительность (мин)	Урожай (%)
Реакция в условиях сонокатализа (*)	20	76
Реакция без сонокатализа (*)	20	16
Литература ^[8]	120	66

(*) условия синтеза описаны на рисунке выше

Среда

Деградация загрязняющих веществ

Примером использования сонокатализа является разложение загрязняющих веществ. Ультразвук может генерировать ${\ce {HO^{.}}}$ радикал из молекулы воды. Этот радикал является сильным окислителем , который может разлагать стойкие органические загрязнители . Однако скорость реакции гидрофобных соединений низкая, поэтому ультразвук часто используют в сочетании с твердым катализатором. Добавление этого катализатора означает добавление атомных ядер , которые усиливают явление полости, а значит, и эффективность ультразвука. Вблизи поверхности контакта твердого тела с жидкостью на одну из сторон пузыря оказывается давление, вызывающее более сильное выдувание пузыря. ^[3]

46 катионный красный отбеливатель

Этот принцип можно применить к окисленному отбеливанию 46 катионного красного. ^[9] оксидом цинка, удерживаемым бентонитом . От 10% до 20% органических красителей теряются и высвобождаются в природе. Поиск новых способов улучшения отбеливания красителей является важной темой, поскольку эти красители могут быть токсичными и канцерогенными. Окисление происходит из-за ${\ce {HO^{.}}}$ радикал, окислительная способность которого известна. Действительно, мы можем наблюдать, что более высокая концентрация ${\ce {HO^{.}}}$ радикал провоцирует лучшее катионное отбеливание 46 красного, так как выход отбеливания катионного красного составляет 17,8% до использования ультразвука и 81,6% после использования ультразвука. ^[9] Однако эффективность сонокатализа в основном достигается за счет сочетания катализатора и ультразвука. Например, мы наблюдаем катионное красное отбеливание всего на 25,4% при применении только ультразвука. ^[9]

Выведение тетрациклина

Другим примером разложения загрязняющих веществ является устранение тетрациклина , антибиотика, который часто встречается в качестве загрязнителя в сточных водах. Когда тетрациклин растворяется в водном растворе, использование только ультразвука неэффективно для разложения тетрациклина, поскольку оно кинетически неблагоприятно.

Добавление катализаторов, таких как диоксид титана. ${\ce {TiO2}}$ или перекись водорода ${\ce {H2O2}}$ Ультразвук может ускорить деградацию: при использовании ультразвука и обоих катализаторов достаточно тридцати минут. ^[10]

Разложение родамина Б

используется при разложении родамина B. Сонокатализ также Родамин Б — синтетический краситель, который может быть вредным для водных растений при попадании в сточные воды. ^[11]

Применение к реакциям

Фентона Реакция

Сонокатализ можно применять для реакций, подобных реакции Фентона. Связав сонокатализ (на частоте 20 кГц) и реакцию Фентона с хлоридом железа 5,0 мг/л ( ${\ce {FeCl2}}$ ) массовой концентрации и pH 4, эффективность разложения составляет около 80% через 12 минут. ^[12]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Саслик, Кеннет С.; Диденко Юрий; Фанг, Мин М.; Хён, Тэгван (15 февраля 1999 г.). «Акустическая кавитация и ее химические последствия» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия А: Математические, физические и технические науки . 357 (1751): 335–353. Бибкод : 1999RSPTA.357..335S . дои : 10.1098/rsta.1999.0330 . ISSN 1364-503X . Проверено 29 марта 2024 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Белинг, Ронан, Нала Араджи и Грегори Шатель. «Что такое сонохимия? » Chemical News 410 (сентябрь 2016 г.): 11–20.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Голами, Пейман, Алиреза Хатаи, Реза Дарвиши Чешме Солтани и Амит Бхатнагар. «Обзор углеродных материалов для гетерогенного сонокатализа: основы, свойства и применение». Ultrasonics Sonochemistry 58 (ноябрь 2019 г.): 104681. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.104681 .
^ Амин, Дж.Г.; Дерфи, HF (июнь 1971 г.). «Строение карбонилов металлов». Журнал химического образования . 48 (6): 372. Бибкод : 1971ЖЧЭд..48..372А . дои : 10.1021/ed048p372 .
^ Саслик, Кеннет С.; Гудейл, Джеймс В.; Шуберт, Пол Ф.; Ван, Хау Х. (сентябрь 1983 г.). «Сонохимия и сонокатализ карбонилов металлов». Журнал Американского химического общества . 105 (18): 5781–5785. дои : 10.1021/ja00356a014 .
^ «Сонохимия и сонокатализ: использование звука для усиленных каталитических реакций». Проконсультируйтесь 26 февраля 2024 г. https://new.societechimiquedefrance.fr/wp-content/uploads/woocommerce_uploads/2023/11/489_AC11_2023_WEB_V2-bqo2n5.pdf .
^ Пиццути, Лукас; Пиовесан, Лусиана А.; Флорес, Алекс ФК; Куина, Фрэнк Х.; Перейра, Клаудио, член парламента (август 2009 г.). «Экологически чистый сонокатализ способствовал получению 1-тиокарбамоил-3,5-диарил-4,5-дигидро-1H-пиразолов». Ультразвуковая сонохимия . 16 (6): 728–731. Бибкод : 2009UltS...16..728P . дои : 10.1016/j.ultsonch.2009.02.005 . ПМИД 19324584 .
^ Ратинасами, Суреш, Субхас Сомалингаппа Карки, Шиладитья Бхаттачарья, Лакшманан Маникандан, Сентилкумар Г. Прабакаран, Малая Гупта и др Упал Канти Мазумдер. «Синтез и противораковая активность некоторых мононуклеарных комплексов Ru(II)». Журнал ингибирования ферментов и медицинской химии 21, № 5 (2006): 501-7. https://doi.org/10.1080/14756360600703396 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Дарвиши Чешме Солтани, Реза, Саханд Джорфи, Махди Сафари и Мохаммад-Садех Раджаи. «Усиленный сонокатализ текстильных сточных вод с использованием наночастиц ZnO, нанесенных на бентонит: методологический подход поверхности отклика». Журнал экологического менеджмента 179 (сентябрь 2016 г.): 47–57. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.05.001 .
^ Хосейни, Мохаммед; Сафари, Голам Хосейн; Камани, Хосейн; Джаафари, Джалиль; Ганбарайн, Марджан; Махви, Амир Хосейн (декабрь 2013 г.). «Сонокаталитическая деградация тетрациклинового антибиотика в водном растворе методом сонокатализа». Токсикологическая и экологическая химия . 95 (10): 1680–1689. Бибкод : 2013TxEC...95.1680H . дои : 10.1080/02772248.2014.901328 .
^ Шарма, Джьотшана; Шарма, Шубхангани; Бхатт, Упма; Сони, Винет (ноябрь 2022 г.). «Токсическое воздействие родамина Б на антиоксидантную систему и фотосинтез Hydrilla verticillata» . Журнал писем об опасных материалах . 3 : 100069. Бибкод : 2022JHzML...300069S . дои : 10.1016/j.hazl.2022.100069 .
^ Сюй, Ифань; Комаров Сергей; Ямамото, Такуя; Куцудзава, Такааки (22 ноября 2022 г.). «Усиление и механизм разложения родамина B при кавитационной плазменной обработке в сочетании с реакциями Фентона» . Катализаторы . 12 (12): 1491. doi : 10.3390/catal12121491 .

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Саслик, Кеннет С.; Диденко Юрий; Фанг, Мин М.; Хён, Тэгван (15 февраля 1999 г.). «Акустическая кавитация и ее химические последствия» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия А: Математические, физические и технические науки . 357 (1751): 335–353. Бибкод : 1999RSPTA.357..335S . дои : 10.1098/rsta.1999.0330 . ISSN 1364-503X . Проверено 29 марта 2024 г.

[:2-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Белинг, Ронан, Нала Араджи и Грегори Шатель. «Что такое сонохимия? » Chemical News 410 (сентябрь 2016 г.): 11–20.

[:3-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Голами, Пейман, Алиреза Хатаи, Реза Дарвиши Чешме Солтани и Амит Бхатнагар. «Обзор углеродных материалов для гетерогенного сонокатализа: основы, свойства и применение». Ultrasonics Sonochemistry 58 (ноябрь 2019 г.): 104681. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.104681 .

[4] Амин, Дж.Г.; Дерфи, HF (июнь 1971 г.). «Строение карбонилов металлов». Журнал химического образования . 48 (6): 372. Бибкод : 1971ЖЧЭд..48..372А . дои : 10.1021/ed048p372 .

[5] Саслик, Кеннет С.; Гудейл, Джеймс В.; Шуберт, Пол Ф.; Ван, Хау Х. (сентябрь 1983 г.). «Сонохимия и сонокатализ карбонилов металлов». Журнал Американского химического общества . 105 (18): 5781–5785. дои : 10.1021/ja00356a014 .

[6] «Сонохимия и сонокатализ: использование звука для усиленных каталитических реакций». Проконсультируйтесь 26 февраля 2024 г. https://new.societechimiquedefrance.fr/wp-content/uploads/woocommerce_uploads/2023/11/489_AC11_2023_WEB_V2-bqo2n5.pdf .

[7] Пиццути, Лукас; Пиовесан, Лусиана А.; Флорес, Алекс ФК; Куина, Фрэнк Х.; Перейра, Клаудио, член парламента (август 2009 г.). «Экологически чистый сонокатализ способствовал получению 1-тиокарбамоил-3,5-диарил-4,5-дигидро-1H-пиразолов». Ультразвуковая сонохимия . 16 (6): 728–731. Бибкод : 2009UltS...16..728P . дои : 10.1016/j.ultsonch.2009.02.005 . ПМИД 19324584 .

[8] Ратинасами, Суреш, Субхас Сомалингаппа Карки, Шиладитья Бхаттачарья, Лакшманан Маникандан, Сентилкумар Г. Прабакаран, Малая Гупта и др Упал Канти Мазумдер. «Синтез и противораковая активность некоторых мононуклеарных комплексов Ru(II)». Журнал ингибирования ферментов и медицинской химии 21, № 5 (2006): 501-7. https://doi.org/10.1080/14756360600703396 .

[:9-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с Дарвиши Чешме Солтани, Реза, Саханд Джорфи, Махди Сафари и Мохаммад-Садех Раджаи. «Усиленный сонокатализ текстильных сточных вод с использованием наночастиц ZnO, нанесенных на бентонит: методологический подход поверхности отклика». Журнал экологического менеджмента 179 (сентябрь 2016 г.): 47–57. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.05.001 .

[:10-10] Хосейни, Мохаммед; Сафари, Голам Хосейн; Камани, Хосейн; Джаафари, Джалиль; Ганбарайн, Марджан; Махви, Амир Хосейн (декабрь 2013 г.). «Сонокаталитическая деградация тетрациклинового антибиотика в водном растворе методом сонокатализа». Токсикологическая и экологическая химия . 95 (10): 1680–1689. Бибкод : 2013TxEC...95.1680H . дои : 10.1080/02772248.2014.901328 .

[11] Шарма, Джьотшана; Шарма, Шубхангани; Бхатт, Упма; Сони, Винет (ноябрь 2022 г.). «Токсическое воздействие родамина Б на антиоксидантную систему и фотосинтез Hydrilla verticillata» . Журнал писем об опасных материалах . 3 : 100069. Бибкод : 2022JHzML...300069S . дои : 10.1016/j.hazl.2022.100069 .

[12] Сюй, Ифань; Комаров Сергей; Ямамото, Такуя; Куцудзава, Такааки (22 ноября 2022 г.). «Усиление и механизм разложения родамина B при кавитационной плазменной обработке в сочетании с реакциями Фентона» . Катализаторы . 12 (12): 1491. doi : 10.3390/catal12121491 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]