Reacciones y síntesis sonoquímicas
La sonoquímica es la aplicación de ultrasonidos a reacciones y procesos químicos. El mecanismo que produce los efectos sonoquímicos en los líquidos es el fenómeno de la cavitación acústica.
Los equipos ultrasónicos de laboratorio e industriales de Hielscher se utilizan en una amplia variedad de procesos sonoquímicos. La cavitación ultrasónica intensifica y acelera reacciones químicas como la síntesis y la catálisis.
Reacciones sonoquímicas
En las reacciones y los procesos químicos pueden observarse los siguientes efectos sonoquímicos:
- aumento de la velocidad de reacción
- aumento de la producción de la reacción
- uso más eficiente de la energía
- métodos sonoquímicos para cambiar la vía de reacción
- mejora del rendimiento de los catalizadores de transferencia de fase
- eliminación de la necesidad de catalizadores de transferencia de fase
- uso de reactivos sin purificar o de grado técnico
- activación de metales y sólidos
- aumento de la reactividad de los reactivos o catalizadores (haga clic aquí para obtener más información sobre la catálisis asistida por ultrasonidos)
- mejora de la síntesis de partículas
- recubrimiento de nanopartículas
7 homogeneizadores ultrasónicos del modelo UIP1000hdT (7x 1 kW de potencia ultrasónica) instalados como conjunto para reacciones sonoquímicas a escala industrial.
Ventajas de las reacciones químicas intensificadas por ultrasonidos
Las reacciones químicas promovidas por ultrasonidos constituyen una técnica consolidada de intensificación de procesos en el ámbito de la síntesis y el procesamiento químicos. Al aprovechar la potencia de las ondas ultrasónicas, estas reacciones ofrecen numerosas ventajas frente a los métodos convencionales y mejoran la catálisis y la síntesis químicas. Las velocidades de conversión ultrarrápidas, los excelentes rendimientos, la mayor selectividad, la mejora de la eficiencia energética y la reducción del impacto ambiental son las principales ventajas de las reacciones sonoquímicas.
La tabla siguiente muestra algunas ventajas destacadas de las reacciones promovidas por ultrasonidos frente a las reacciones químicas convencionales:
| Reacción | Tiempo de reacción Convencional |
Tiempo de reacción Con ultrasonidos |
Rendimiento Convencional (%) |
Rendimiento Con ultrasonidos (%) |
|---|---|---|---|---|
| Ciclación de Diels-Alder | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oxidación de indano a indan-1-ona | 3 h | 3 h | menos del 27% | 73% |
| Reducción de metoxiaminosilano | sin reacción | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidación de ésteres grasos insaturados de cadena larga | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidación de arilalcanos | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Adición de Michael de nitroalcanos a ésteres α,β-insaturados monosustituidos | 2 días | 2 h | 85% | 90% |
| Oxidación de 2-octanol con permanganato | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Síntesis de chalconas mediante condensación de CLaisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Acoplamiento de UIllmann de 2-yodonitrobenceno | 2 h | 2h | menos del 1,5% | 70,4% |
| Reacción de Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Cavitación ultrasónica en líquidos
La cavitación es la formación, el crecimiento y el colapso implosivo de burbujas en un líquido. El colapso por cavitación produce un intenso calentamiento local (~5000 K), presiones elevadas (~1000 atm), velocidades de calentamiento y enfriamiento enormes (>10⁹ K/sec) y chorros de líquido (~400 km/h). (Suslick 1998)
Cavitación con el UIP1000hd:
Las burbujas de cavitación son burbujas de vacío. El vacío se genera entre una superficie que se mueve rápidamente por un lado y un líquido inerte por el otro. Las diferencias de presión resultantes permiten superar las fuerzas de cohesión y adhesión dentro del líquido.
La cavitación puede producirse de distintas maneras, por ejemplo, mediante boquillas Venturi, boquillas de alta presión, rotación a alta velocidad o transductores ultrasónicos. En todos estos sistemas, la energía de entrada se transforma en fricción, turbulencias, ondas y cavitación. La fracción de la energía de entrada que se transforma en cavitación depende de varios factores que describen el movimiento del equipo generador de cavitación en el líquido.
La magnitud de la aceleración es uno de los factores más importantes que influyen en la transformación eficiente de la energía en cavitación. Una mayor aceleración genera mayores diferencias de presión. Esto, a su vez, aumenta la probabilidad de que se formen burbujas de vacío en lugar de ondas que se propaguen por el líquido. Así, cuanto mayor es la aceleración, mayor es la fracción de energía que se transforma en cavitación. En el caso de un transductor ultrasónico, la magnitud de la aceleración se describe mediante la amplitud de oscilación.
Las amplitudes más altas permiten generar cavitación de forma más eficaz. Los equipos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden generar amplitudes de hasta 115 µm. Estas amplitudes elevadas permiten transmitir una proporción elevada de la potencia, lo que, a su vez, permite generar altas densidades de potencia de hasta 100 W/cm³.
Además de la magnitud de la aceleración, el líquido debe acelerarse de forma que se minimicen las pérdidas por turbulencias, fricción y generación de ondas. Para ello, lo óptimo es que el movimiento se produzca en una sola dirección.
Reactor ultrasónico de 16.000 vatios para la transesterificación en línea mejorada mediante sonoquímica.
- preparación de metales activados mediante reducción de sales metálicas
- generación de metales activados mediante sonicación
- síntesis sonoquímica de partículas mediante precipitación de óxidos metálicos (Fe, Cr, Mn, Co), por ejemplo, para su uso como catalizadores
- impregnación de soportes con metales o haluros metálicos
- preparación de soluciones metálicas activadas
- reacciones en las que intervienen metales mediante especies organoelementales generadas in situ
- reacciones en las que intervienen sólidos no metálicos
- cristalización y precipitación de metales, aleaciones, zeolithes y otros sólidos
- modificación de la morfología superficial y del tamaño de las partículas mediante colisiones entre partículas a alta velocidad
- formación de materiales nanoestructurados amorfos, incluidos metales de transición con elevada superficie específica, aleaciones, carburos, óxidos y coloides
- aglomeración de cristales
- alisado y eliminación de la capa de óxido pasivante
- micromanipulación (fraccionamiento) de partículas pequeñas
- dispersión de sólidos
- preparación de coloides (Ag, Au, CdS de tamaño cuántico)
- intercalación de moléculas huésped en sólidos inorgánicos laminares anfitriones
- sonoquímica de polímeros
- degradación y modificación de polímeros
- síntesis de polímeros
- sonólisis de contaminantes orgánicos en agua
Equipos sonoquímicos
La mayoría de los procesos sonoquímicos mencionados pueden adaptarse para funcionar en línea. Estaremos encantados de ayudarle a elegir el equipo sonoquímico adecuado para sus necesidades de procesamiento. Para la investigación y los ensayos de procesos, recomendamos nuestros equipos de laboratorio o el conjunto UIP1000hdT.
Si se requieren, hay disponibles equipos y reactores ultrasónicos con certificación FM y ATEX (por ejemplo, UIP1000-Exd) para la sonicación de sustancias químicas inflamables y formulaciones de productos en entornos peligrosos.
La cavitación ultrasónica modifica las reacciones de apertura de anillo
La sonicación es un mecanismo alternativo al calor, la presión, la luz o la electricidad para iniciar reacciones químicas. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth y su equipo del Departamento de Química de la University of Illinois at Urbana-Champaign utilizaron potencia ultrasónica para desencadenar y manipular reacciones de apertura de anillo. Bajo sonicación, las reacciones químicas generaron productos distintos de los previstos por las reglas de simetría orbital (Nature 2007, 446, 423). El grupo unió isómeros de benzociclobuteno 1,2-disustituidos sensibles a estímulos mecánicos a dos cadenas de polietilenglicol, aplicó energía ultrasónica y analizó las soluciones en su conjunto mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear de C13 . Los espectros mostraron que tanto los isómeros cis como los trans generan el mismo producto de apertura de anillo, el esperado a partir del isómero trans. Mientras que la energía térmica provoca un movimiento browniano aleatorio de los reactivos, la energía mecánica de la sonicación imprime una dirección a los movimientos atómicos. Por tanto, los efectos de la cavitación dirigen la energía de manera eficiente al someter la molécula a tensión, modificando la superficie de energía potencial.
Los sonicadores de sonda como el UP400St intensifican la síntesis de nanopartículas. La vía sonoquímica es sencilla, eficaz y rápida, y funciona con sustancias químicas no tóxicas en condiciones suaves.
Sonicadores de alto rendimiento para sonoquímica
Hielscher Ultrasonics suministra procesadores ultrasónicos para el laboratorio y la industria. Todos los sonicadores Hielscher son equipos ultrasónicos muy potentes y robustos, construidos para funcionar de manera continua 24/7 a plena carga. El control digital, los ajustes programables, la monitorización de la temperatura, el registro automático de datos y el control remoto mediante navegador son solo algunas de las características de los sonicadores Hielscher. Diseñados para ofrecer un alto rendimiento y un funcionamiento cómodo, los equipos de Hielscher Ultrasonics son apreciados por los usuarios por su manejo seguro y sencillo. Los procesadores ultrasónicos industriales Hielscher proporcionan amplitudes de hasta 200 µm y son ideales para aplicaciones de trabajo intensivo. Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados.
La tabla siguiente indica la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen por lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | superior | conjunto de UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Bibliografía / Referencias
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- 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.
- Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis (2019): Chapter 4 ENERGY – PI Approaches in Thermodynamic Domain. in: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Published 2019 by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.(page 136)
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Barrera-Salgado, Karen; Ramírez-Robledo, Gabriela; Alvarez-Gallegos, Alberto; Arellano, Carlos; Sierra, Fernando; Perez, J. A.; Silva Martínez, Susana (2016): Fenton Process Coupled to Ultrasound and UV Light Irradiation for the Oxidation of a Model Pollutant. Journal of Chemistry, 2016. 1-7.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde la escala de laboratorio hasta la escala industrial.