Sonocatálisis – Catálisis Mejorada por Ultrasonidos
La ultrasonicación afecta a la reactividad del catalizador durante la catálisis al aumentar la transferencia de masa y el aporte de energía. En la catálisis heterogénea, en la que el catalizador se encuentra en una fase distinta a la de los reactivos, la dispersión ultrasónica aumenta la superficie disponible para los reactivos.
Antecedentes de la sonocatálisis
La catálisis es un proceso en el que la velocidad de un aumenta la reacción química (o disminuido) por medio de un catalizador. En la producción de muchas sustancias químicas interviene la catálisis. La influencia en la velocidad de reacción depende de la frecuencia de contacto de los reactivos en el paso que determina la velocidad. En general, los catalizadores aumentan la velocidad de reacción y reducen la energía de activación al proporcionar una vía de reacción alternativa al producto de reacción. Para ello, los catalizadores reaccionan con uno o más reactivos para formar productos intermedios que posteriormente dan lugar al producto final. Este último paso regenera el catalizador. En reducir la energía de activaciónDe este modo, más colisiones moleculares tienen la energía necesaria para alcanzar el estado de transición. En algunos casos se utilizan catalizadores para cambiar la selectividad de una reacción química.
El diagrama a la derecha ilustra el efecto de un catalizador en una reacción química X+Y para producir Z. El catalizador proporciona una vía alternativa (verde) con una menor Energía de activación Ea.
Efectos de la ultrasonicación
La longitud de onda acústica en los líquidos oscila entre aproximadamente 110 y 0,15 mm para frecuencias entre 18 kHz y 10 MHz. Esto está muy por encima de las dimensiones moleculares. Por este motivo, no existe un acoplamiento directo del campo acústico con las moléculas de una especie química. Los efectos de la ultrasonicación son en gran medida el resultado de la Cavitación ultrasónica en líquidos. Por lo tanto, la catálisis asistida por ultrasonidos requiere que al menos un reactivo esté en fase líquida. La ultrasonicación contribuye a la catálisis heterogénea y homogénea de muchas maneras. Los efectos individuales pueden potenciarse o reducirse adaptando la amplitud ultrasónica y la presión del líquido.
Dispersión y emulsión por ultrasonidos
Las reacciones químicas en las que intervienen reactivos y un catalizador de más de una fase (catálisis heterogénea) se limitan al límite de fase, ya que es el único lugar en el que están presentes tanto el reactivo como el catalizador. La exposición de los reactivos y del catalizador entre sí es una factor clave para muchas reacciones químicas multifásicas. Por este motivo, la superficie específica del límite de fase influye en la velocidad de reacción química.
La ultrasonicación es un medio muy eficaz para la Dispersión de sólidos y para el emulsificación de líquidos. Al reducir el tamaño de la partícula o gota, aumenta al mismo tiempo la superficie total del límite de fase. El gráfico de la izquierda muestra la correlación entre el tamaño de las partículas y la superficie en el caso de partículas esféricas o gotas (Haga clic para ampliar la imagen.). A medida que aumenta la superficie del límite de fase, también lo hace la velocidad de reacción química. Para muchos materiales, la cavitación ultrasónica puede hacer que las partículas y gotas de tamaño muy fino – a menudo muy por debajo de los 100 nanómetros. Si la dispersión o emulsión se estabiliza al menos temporalmente, la aplicación de los ultrasonidos pueden ser necesarios sólo en una fase inicial de la reacción química. Un reactor ultrasónico en línea para la mezcla inicial de los reactivos y el catalizador puede generar partículas/gotas de tamaño fino en muy poco tiempo y a altos caudales. Puede aplicarse incluso a medios muy viscosos.
Transferencia de masa
Cuando los reactivos reaccionan en un límite de fase, los productos de la reacción química se acumulan en la superficie de contacto. Esto impide que otras moléculas de reactivo interactúen en este límite de fase. Las fuerzas mecánicas de cizallamiento causadas por las corrientes de chorro cavitacionales y acústicas provocan un flujo turbulento y el transporte de material desde y hacia las superficies de las partículas o las gotas. En el caso de las gotas, el elevado cizallamiento puede provocar la coalescencia y la posterior formación de nuevas gotas. A medida que la reacción química progresa en el tiempo, puede ser necesaria una sonicación repetida, por ejemplo en dos etapas o por recirculación, para maximizar la exposición de los reactivos.
Entrada de energía
La cavitación ultrasónica es una forma única de poner energía en las reacciones químicas. Una combinación de chorros de líquido de alta velocidad, alta presión (>1000atm) y altas temperaturas (>5000K), enormes velocidades de calentamiento y enfriamiento (>109Ks-1) se concentran localmente durante la compresión implosiva de las burbujas cavitacionales. Kenneth Suslick dice: “La cavitación es un método extraordinario de concentrar la energía difusa del sonido en una forma químicamente utilizable.”
Aumento de la reactividad
Erosión cavitacional en superficies de partículas genera superficies no pasivadas y altamente reactivas. Las altas temperaturas y presiones de corta duración contribuyen a descomposición molecular y aumentan la reactividad de muchas especies químicas. La irradiación ultrasónica puede utilizarse en la preparación de catalizadores, por ejemplo para producir agregados de partículas de tamaño fino. Esto produce catalizadores amorfos partículas de elevada superficie específica área. Debido a esta estructura agregada, dichos catalizadores pueden separarse de los productos de reacción (por ejemplo, mediante filtración).
Limpieza por ultrasonidos
A menudo, la catálisis conlleva subproductos no deseados, contaminaciones o impurezas en los reactivos. Esto puede provocar la degradación y el ensuciamiento de la superficie de los catalizadores sólidos. El ensuciamiento reduce la superficie expuesta del catalizador y, por tanto, su eficacia. No es necesario eliminarla durante el proceso o en intervalos de reciclado utilizando otros productos químicos de proceso. La ultrasonicación es un medio eficaz para limpiar catalizadores o ayudar al proceso de reciclado de catalizadores. La limpieza por ultrasonidos es probablemente la aplicación más común y conocida de los ultrasonidos. La incidencia de chorros de líquido cavitacional y ondas de choque de hasta 104atm pueden crear fuerzas de cizallamiento localizadas, erosión y picaduras en la superficie. En el caso de partículas de tamaño fino, las colisiones de alta velocidad entre partículas provocan erosión superficial e incluso trituración y molienda. Estas colisiones pueden causar temperaturas de impacto transitorias locales de aproximadamente 3000K. Suslick demostró que la ultrasonicación elimina las capas superficiales de óxido. La eliminación de estos revestimientos pasivantes mejora drásticamente la velocidad de reacción en una gran variedad de reacciones (Suslick 2008). La aplicación de ultrasonidos ayuda a reducir el problema de ensuciamiento de un catalizador sólido disperso durante la catálisis y contribuye a la limpieza durante el proceso de reciclado del catalizador.
Ejemplos de catálisis ultrasónica
Existen numerosos ejemplos de catálisis asistida por ultrasonidos y de preparación por ultrasonidos de catalizadores heterogéneos. Recomendamos la Sonocatálisis artículo de Kenneth Suslick para una introducción completa. Hielscher suministra reactores ultrasónicos para la preparación de catalizadores o catálisis, 
como el transesterificación catalítica para la producción de metilesteres (es decir, metilesteres grasos = biodiésel).
Equipos de ultrasonidos para sonocatálisis
Hielscher fabrica aparatos de ultrasonidos para su uso en cualquier escala y para un variedad de procesos. Esto incluye sonicación en laboratorio en pequeños viales, así como reactores industriales y celdas de flujo. Para la prueba inicial del proceso a escala de laboratorio, el UP400S (400 W) es muy adecuado. Puede utilizarse tanto para procesos por lotes como para sonicación en línea. Para probar y optimizar el proceso antes de ampliarlo, recomendamos utilizar el UIP1000hd (1000 vatios)Los equipos de ultrasonidos son muy adaptables y los resultados se pueden escalar linealmente a cualquier capacidad mayor. Para la producción a gran escala ofrecemos dispositivos ultrasónicos de hasta 10 kW y 16 kW potencia ultrasónica. Las agrupaciones de varias unidades de este tipo proporcionan capacidades de procesamiento muy elevadas.
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Literatura sobre sonocatálisis y catálisis asistida por ultrasonidos
Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatálisis” En Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.