JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Акустическая кавитация в жидкостях, представленных ультразвука питания создает переходные экстремальные условия внутри схлопывающихся пузырьках, которые происхождение необычного химической активности и светового излучения, известный как звуколюминисценции. В присутствии инертных газов, неравновесная плазма образуется. В "горячие" частицы и фотоны, генерируемые рушится пузыри могут возбудить видов в растворе.

Аннотация

Химические и физические эффекты ультразвука возникают не от прямого взаимодействия молекул со звуковыми волнами, а с акустической кавитации: зарождение, рост и имплозийный крах микропузырьков в жидкостях, представленных ультразвука питания. Насильственное взрыв пузырьков приводит к образованию химически активных форм и к излучению света, названный звуколюминисценции. В этой рукописи, мы опишем методики, позволяющие изучать экстремальных intrabubble условий и химической активности акустической кавитации в растворах. Анализ звуколюминесценции спектров воды продувают благородных газов свидетельствует для формирования неравновесной плазмы. Фотоны и "горячие" частицы, порожденные кавитационных пузырьков позволяют возбуждать энергонезависимой видов в растворах увеличивая их химическую реакционную способность. Например механизм Ultrabright звуколюминисценции ионов уранила в кислых растворах изменяется с концентрацией урана: Сонофотолюминесценцию доминирует в разбавленных растворах, и столкновительная возбуждения способствует при более высокой концентрации урана. Вторичные сонохимические продукты могут возникать из химически активных частиц, которые образуются внутри пузырька, но затем диффундируют в жидкой фазе и вступает в реакцию с предшественников растворе с образованием различных продуктов. Например, сонохимический уменьшение Pt (IV) в чистой воде обеспечивает инновационный синтетический способ монодисперсных наночастиц металлической платины без каких-либо шаблонов или укупорки агентов. Многие исследования показывают преимущества ультразвука, чтобы активировать измельченных твердых веществ. В общем, механические эффекты ультразвука сильно способствовать в гетерогенных системах в дополнение к химическим воздействиям. В частности, сонолизе PuO 2 порошка в чистой воды дает стабильные коллоиды плутоний за счет обеих эффектов.

Введение

Использование ультразвука питания в многочисленных промышленных и исследовательских областях, таких как очистки твердых поверхностей, дегазации жидкостей, материаловедения, экологической реабилитации и медицины, получил много внимания в последнее десятилетие 1. Ультразвуковая обработка увеличивает конверсию, улучшает выход и инициирует реакции в гомогенных растворов, а также в гетерогенных системах. Принято считать, что физические и химические эффекты ультразвуковых колебаний в жидкостях возникают из акустической кавитации или, другими словами, к имплозийного распада микропузырьков в жидкостях, облученных мощности ультразвука 2. Насильственные Распад кавитационного пузырька генерирует переходные экстремальные условия в газовой фазе пузыря, которые отвечают за формирование химически активных видов и СЛ. Тем не менее, дебаты все еще продолжается в течение происхождения таких экстремальных условиях. Спектроскопические анах годов звуколюминисценции помогает лучше понять процессы, происходящие в период распада пузыря. В воде, насыщенной благородных газов, спектры сонолюминесценция состоят из ОН (2 Σ +-X 2 Π I), Огайо (C 2 S +-2 S +) группы и широкий континуум от УФ до ближней ИК части спектров излучения 3. Спектроскопического анализа ОН (2 Σ +-X 2 Π я) полосы излучения показал, формирование неравновесной плазмы при сонолизе воды 4, 5. При низкой частоте ультразвука, слабо рады плазма с Брау колебательного распределения формируется. В противоположность этому, в высокочастотной ультразвука, плазма внутри рушится пузыри экспонатов Тринора поведение, типичное для сильного колебательного возбуждения. Вибронные температуры (Т у, Т е) увеличить с ультразвуковой частотой, указывающий более радикальные intrabubble условия на высокойчастота ультразвука.

В принципе, каждый кавитационный пузырек можно рассматривать как микрореактор плазмохимического обеспечивая высокую энергетические процессы в почти комнатной температуре объеме раствора. Фотоны и «горячие» частицы, полученные внутри пузыря позволяют возбуждать энергонезависимой видов в растворах тем самым увеличивая их химическую реакционную способность. Например, механизм Ultrabright звуколюминисценции ионов уранила в кислых растворах зависит от концентрации урана: поглощение фотонов / повторное излучение в разбавленных растворах, и возбуждение через столкновения с "горячих" частиц способствует при более высокой концентрации уранила 6. Химических веществ, производимые кавитационных пузырьков может быть использован для синтеза металлических наночастиц без каких-либо шаблонов или укупорки агентов. В чистой воды барботируют аргон, сонохимический уменьшение Pt (IV) происходит путем водорода, поступающего из сонохимического молекул воды расщепления получа монодисперсных nanoparticле из металлической платины 7. Сонохимического снижение ускоряется коллектор в присутствии муравьиной кислоты или Ar / газовой смеси CO.

Многие предыдущие исследования показали преимущества ультразвука, чтобы активировать поверхность измельченных твердых веществ из-за механических эффектов в дополнение к химической активации 8,9. Небольшие твердые частицы, которые по размеру намного меньше, чем кавитационных пузырьков не возмущать симметрию краха. Однако, когда событие кавитации происходит вблизи крупных агрегатов или вблизи поверхности расширенной пузырь взрывается асимметрично, формировани сверхзвуковой MicroJet, ведущий к кластерной дезагрегирования и к твердой поверхностной эрозии. Ультразвуковая обработка двуокиси плутония в чистой воде продувке аргоном вызывает образование устойчивых наноколлоидах плутония (IV) в связи с физическим и химическим воздействиям 10.

протокол

1. Измерение урана Сонолюминесценция

Термостатируют цилиндрический sonoreactor смонтирован на верхней части высокой частоты преобразователя, обеспечивающего 203 или 607 кГц ультразвук. Ультразвуковой облучение с низкой частотой ультразвука 20 кГц выполняется с титановым рога 1 см 2 помещенного воспроизводимо в верхней части реактора. Спектры излучения регистрируются в диапазоне 230-800 нм, используя спектрометр, соединенный с жидким азотом охлаждают ПЗС-камеры. Водород в выходном газе измеряется одновременно с спектроскопического изучения с помощью квадрупольного масс-спектрометра (МС).

  1. Подготовьте sonoreactor по плотно крепления стекла участие на высоком частотного преобразователя и крышкой Teflon холдинга рог на 20 кГц на стеклянную часть. Поставьте sonoreactor на сцене перевода и скорректировать свою позицию с тем, чтобы изображение с двух зеркал с центром реактора на входную щель спектрометра излучения.
  2. Подготовка уранила решения в хлорной кислоты путем растворения взвешенных УО 3 образца, предусмотренные CETAMA / CEA Франции, в минимальном объеме концентрированной HClO 4 при нагревании. Отрегулируйте затем объем раствора с разбавленным HClO 4. Для подготовки уранила решения в H 3 PO 4 распустить UO 3 образцов в концентрированной HClO 4, испаряются полученного раствора до влажных солей и растворить последний в нужном объеме 0,5 MH 3 PO 4.
  3. Поставьте решение учиться в sonoreactor. Плотно заменить рог на 20 кГц. Добавить термопары и газовая труба на входе на sonoreactor и подключите газовая труба на выходе к входу в масс-спектрометр.
  4. Положите на криостата при ~ 0-1 ° С. Пусть аргонового пузыря в растворе при скорости потока 100 мл / мин в течение не менее 30 мин и вступить в круги 2 сигналы MS Ar и H.
  5. Когда сигналы MS постоянны, включите ультразвукового генератора(Либо высокочастотный один, при 60-80 Вт, или 20 кГц один, при 35 Вт) и подождать примерно 20 мин до стационарного температуре примерно 10 ° С достигается внутри sonoreactor. Сигнал Н 2 МС должна увеличиваться, указывая кавитации и сонолизе воды.
  6. Закройте светонепроницаемую рамку вокруг sonoreactor и начать измерения сонолюминесценции спектры, каждый во время 300 сек, чтобы обеспечить хорошую интенсивность сигнала. Для каждого интервала длин волн сделать три спектра увеличить отношение сигнал-шум и положить второго порядка света фильтр при необходимости.
  7. После измерения спектров SL, выключите ультразвуковой генератор и держать измерения сигналов MS пока хороший базовый не будет достигнута. В то же время, измерить спектры излучения в отсутствие США, что позволит исправить SL спектры для паразита света.

2. Сонохимического Снижение Pt (IV) в водных растворах

  1. Подготовьте 5 г / л Pt (IV) решение, начиная с H 2 </ Суб> PtCl 6 · 6H 2 O соль. Примечания: платиновые соли легкие и чувствительных к влаге. Держите оставшуюся соль в инертной атмосфере и, если возможно, провести процедуру взвешивания в инертном бардачке газовой атмосфере.
  2. Под вытяжным шкафом, создали 50 мл герметичной стеклянный реактор, снабженный двойной рубашкой (рис. 6).

    figure-protocol-3420
    Рисунок 6:.. Экспериментальная установка для Pt (IV) сонохимический снижение на частоте 20 кГц 1 Ультразвуковой генератор ультразвука 20 кГц с 750 Вт максимального электроэнергии, 2 пьезокерамического излучателя, 3 Titanium рога, 4 реактор, термостатированный, 5... . Подвод газа, 6. Выход пробы, 7. термопары, 8. PTFE кольцо.
  3. Одета в реактор с Pt-100 термопара, перегородка, впускной PTFE газа, а также газа на выходе с калиброванных расходомеров в диапазоне от 100 мл / мин. Подключите выход газа в водяной ловушке (молекулярные сита) и, наконец, к массовому газа спектрометра ВНИМАНИЕ:. Обязательно для выхода газа в вытяжной шкаф с СО является очень вредным соединение. Детектор СО газа в лаборатории является обязательным.
  4. В верхней части реактора, исправить 1 см ² титана зонд с пьезоэлектрическим преобразователем, подаваемого от генератора 20 кГц. Убедитесь, что наконечник волновод находится на отметке 2 см от дна реактора.
  5. До экспериментов, начать чиллера и установить температуру до -18 ° С. В то же время вводить 50 мл деионизированной воды внутри реактора и сделать Ar / CO (10%) газ восходящей глубоко в растворе при скорости потока около 100 мл / мин. Убедитесь, что нет никаких серьезных утечки, проверив расход выхода газа. Убедитесь, что кончик сонотрод составляет от 1 до 2 сантиметров ниже поверхностижидкость и начать мониторинг газообразных продуктов.
  6. После 10 до 15 мин, зафиксировать входное отверстие для газа немного ниже поверхности жидкости и после того, как охладитель достигает температуры установки, запуска ультразвукового излучения с акустической мощности 17 Вт / мл.
  7. После 15 до 20 мин ультразвукового облучения, убедитесь, что температура достигает стабильного состояния вокруг 40 ° C. Если нет, измените настройки чиллера для удовлетворения этого требования.
  8. Возьмите точное количество Н 2 PtCl 6 растворе с помощью шприца, оснащенного нержавеющей стали иглы. Осторожно ввести иглу через мембрану, и внедрить решение в зоны кавитации под кончиком сонотрода. Промойте шприц, осторожно насосных решение и выйдет, и, наконец, взять пробы на 1 мл. Повторите процедуру отбора проб через равные промежутки времени от 15 до 30 мин.
  9. Измерьте общую эволюцию концентрация ионов Pt в растворе анализа ICP-OES после разбавления аliquots в 0,3 М HNO 3. В то же время определения количества Pt (IV) ионов в системе, следуя 260 нм группу в UV / VIS спектроскопии.
  10. Как только нет ионы платины не могут быть обнаружены в растворе, выключите ультразвуковой экспозиции, выключите пузырьков газа и чиллер. Возьмем платина суспензии наночастиц из реактора.
  11. До ТЭМ анализ, попробуйте центрифуге подвеску на высокой скорости вращения (20414 мкг) в течение не менее 20 мин. Осторожно удалите супернатант и хранить депозит после сушки при комнатной температуре под вакуумом или оставить его в небольшом количестве воды.
  12. Некоторые образцы могут быть очень трудно сосредоточиться и может нужно больше времени центрифугирования. Если это не удалось, использовать эту процедуру только для разделения наночастиц платины из более крупных частиц титана, опубликованным в растворе в течение ультразвукового облучения, а затем сохранить супернатант этот раз.
  13. Дисперсные одну каплю супернатантаили несколько миллиграммов сушеных продуктов в абсолютной этанол или изопропанол. Депозит одну каплю суспензии на углеродной медную сетку, покрытую и приступить к анализу ПЭМВР после полного испарения растворителя.

3. Сонохимического Синтез плутония коллоидов

В Маркуле, объект ATALANTE оснащен несколькими горячими лабораторий и экранированных линий клеток выделенных на научные исследования и разработки для ядерного топливного цикла. Один из перчаточных боксах посвящена изучению сонохимических реакций актиноидов.

  1. Приостановить 200 мг PuO 2 (S BET = 13,3 м 2 / г) в 50 мл чистой воды в сонохимического реактора, расположен в перчаточном ящике.
  2. Одета в реактор с плотным кольцом тефлоновой и 20 кГц ультразвукового зонда. Перед каждым экспериментом, винт новый наконечник для обеспечения максимального эффекта кавитации и избежать накопления частиц титана в растворе в результате наконечника эрозии.
  3. Установить температуру криостата (Huber CC1), расположенной вне коробки достаточно низкой, чтобы управлять увеличение температуры в растворе после ультразвука перчаток будет включенное. Обратите внимание, что система охлаждения снабжена теплообменником, чтобы избежать радиоактивное заражение за пределами барьера. Вставьте плотно термопару в клетку для регулирования температуры раствора.
  4. Разрешить барботирования раствора с чистого аргона 20 мин до обработки ультразвуком (100 мл / мин). Обратите внимание, что на цепочке Ar будет применяться в течение целых экспериментов ультразвуком, чтобы обеспечить максимальные эффекты акустической кавитации.
  5. Установка ультразвуковой генератор в соответствующем амплитуды (~ 30%), чтобы получить требуемую акустическую мощность переменного тока P (17 Вт / см 2) доставлены в растворе. Обратите внимание, что акустическая мощность ранее измеренное методом теплового зонда 22. Использование соответствующих условий, накопление пероксида водорода в растворе (в результатеиз комбинации гидроксильных радикалов, индуцированных гемолитического диссоциации молекул ультразвуком воды) ранее измеренное в чистой воде для калибровки системы и позволяют воспроизводимость эксперимента.
  6. Включить ультразвукового генератора и разрушать ультразвуком решение PuO 2. Настройте параметры криостата получить температуру 30 ° С в растворе.
  7. После того, как коллоиды образуются (5-12 ч после облучения), выключение ультразвуковой генератор, передавать решение центрифужную пробирку, и центрифуга в течение 10 мин (22000 мкг), чтобы удалить твердую фазу.
  8. UV-Vis спектрометр после этого может быть использован для прямого анализа и характеризации Pu коллоидов. Во время обработки ультразвуком, кинетика Н 2 О 2 накопление в растворе при ультразвуковом облучении может также быть измерена колориметрическим методом при 410 нм (ε = 780 см -1 м -1), после разбавления 500 мкл отобранного решения500 мкл TiOSO 4 (2 × 10 -2 М в 2 М HNO 3 - 0,01 M [N 2 H 5] [NO 3]) с последующим центрифугированием.

Результаты

Иона уранила сонолюминесценция крайне слаба в HClO 4 решений: хотя поглощения типичный свет на UO 2 2 + ионов наблюдается ниже 500 нм, линий излучения от возбужденных (UO 2 2 +) * (с центром в 512 нм и 537 нм) практически не видел (рис. 1). SL из UO 2 2 + г...

Обсуждение

Наиболее критичными параметрами для успешного наблюдения звуколюминисценции и сонохимии являются: 1) строгий контроль насыщающего газа и температура массы при обработке ультразвуком, 2) тщательный отбор ультразвуковой частоты, 3) с использованием оптимального состава ультразвуком ра...

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

Авторы хотели бы выразить признательность французскому ANR (грант ANR-10-BLAN-0810 NEQSON) и СЕА / DEN / Маркуле.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
20 kHz Ultrasound GeneratorSonics Vibracell
Multifrequency Generator AG 1006T&C Power Conversion
Cryostat RE210 Lauda
Spectrometer SP 2356iRoper Scientific
CCD camera SPEC10-100BR cooled with liquid nitrogenRoper Scientific
Quadrupole mass-spectrometer PROLAB 300Thermoscientific
Centrifuge Sigma 1-14Sigma-Aldrich
H2PtCl6 6H2OSigma-Aldrich
Ar; Ar/CO gasesAir Liquid
Uranium and Plutonium compoundsPrepared in the laboratories of Marcoule Research Center
Perchloric acidSigma-Aldrich
Phosphoric acidSigma-Aldrich
Formic acidSigma-Aldrich

Ссылки

  1. Mason, T. J., Lorimer, J. P. Applied Sonochemistry. The Uses of Power Ultrasound in Chemistry and Processing. Wiley-VCH Verlag GmbH. , (2002).
  2. Suslick, K. S. . Ultrasound: Its Chemical, Physical, and Biological Effects. , (1988).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Thompson, L. H., Doraiswamy, L. K. Sonochemistry: science and engineering. Ind. Eng. Chem. Res. 38, 1215-1249 (2012).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Marcantonatos, M. D. Photochemistry and exciplex of the uranyl ion in aqueous solution. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 76, 1093-1097 (1980).
  13. Burrows, H. D., Kemp, T. J. Photochemistry of uranyl ion. Chem. Soc. Rev. 3, 139-165 (1974).
  14. 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).
  15. Katz, J. J., Seaborg, G. T., Morss, L. R. 2nd ed. The Chemistry of the Actinide Elements. , (1986).
  16. Rabinowitch, E., Belford, R. L. . Spectroscopy and Photochemistry of Uranyl Compounds. , (1964).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Surendran, G., et al. From self-assembly of platinum nanoparticles to nanostructured materials. Small. 1, 964-967 (2005).
  21. 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).
  22. Virot, M., et al. Catalytic dissolution of ceria under mild conditions. J. Mater. Chem. 22, 14734-14740 (2012).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Walther, C., et al. New insights in the formation processes of Pu(IV) colloids. Radiochim. Acta. 97, 199-207 (2009).
  26. Young, F. R. . Sonoluminescence. , (2004).
  27. 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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

86

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены