Reacciones y síntesis sonoquímicas

La sonoquímica es la aplicación de los ultrasonidos en reacciones y procesos químicos. El mecanismo que causa efectos sonoquímicos en líquidos es el fenómeno de la cavitación acústica.

Los dispositivos ultrasónicos de Hielscher para el laboratorio y la industria se utilizan en una amplio abanico de procesos sonoquímicos. La cavitación ultrasónica intensifica y acelera las reacciones químicas como la síntesis y la catálisis.

reacciones sonoquímicas

Los siguientes efectos sonoquímicos se pueden observar en reacciones y procesos químicos:

  • Aumento de la velocidad de reacción
  • Aumento del rendimiento de la reacción
  • Uso más eficiente de la energía
  • Métodos sonoquímicos para cambiar la ruta de reacción
  • Mejora del rendimiento de catalizadores de transferencia de fase
  • Supresión del uso de catalizadores de transferencia de fase
  • Uso de reactivos de grado técnico o puro
  • Activación de metales y sólidos
  • Aumento de la reactividad de reactivos o catalizadores (haga clic aquí para leer más sobre la catálisis asistida por ultrasonidos)
  • Mejora en la síntesis de partículas
  • Recubrimiento de nanopartículas

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Homogeneizadores ultrasónicos instalados como grupo de 7x UIP1000hdT (7x 1kW)

7 homogeneizadores ultrasónicos de la modelo UIP1000hdT (7x 1kW de potencia ultrasónica) instalado como cluster para reacciones sonoquímicas a escala industrial.

Ventajas de las reacciones químicas intensificadas por ultrasonidos

Las reacciones químicas promovidas por ultrasonidos son una técnica consolidada de intensificación de procesos en el campo de la síntesis y el procesamiento químicos. Al aprovechar el poder de las ondas ultrasónicas, estas reacciones ofrecen numerosas ventajas sobre los métodos convencionales, mejorando la catálisis y la síntesis químicas. Tasas de conversión turbo-rápidas, rendimientos excelentes, selectividad mejorada, mayor eficiencia energética y menor impacto ambiental son las principales ventajas de las reacciones sonoquímicas.

La tabla siguiente muestra algunas ventajas destacadas de la reacción promovida por ultrasonidos frente a las reacciones químicas convencionales:

 

reacciónTiempo de reacción
Convencional
Tiempo de reacción
ultrasonidos
rendimiento
Convencional (%)
rendimiento
Ultrasonidos (%)
Ciclación Diels-Alder35 h3.5 h77.997.3
Oxidación de indano a indano-1-ona3 h3 hmenos del 2773%
Reducción del metoxiaminosilanoninguna reacción3 h0%100%
Epoxidación de ésteres grasos insaturados de cadena larga2 h15 minutos48%92%
Oxidación de arilalcanos4 h4 h12%80%
Adición Michael de nitroalcanos a ésteres monosustituidos α,β-insaturados2 días2 h85%90%
Oxidación con permanganato del 2-octanol5 h5 h3%93%
Síntesis de chalconas por condensación CLaisen-Schmidt60 min10 minutos5%76%
Acoplamiento UIllmann del 2-iodonitrobenceno2 h2Hmenos del 1,5%.70.4%
Reacción Reformatsky12h30 min50%98%

Cavitación ultrasónica en líquidos

Cavitación, es decir, formación, crecimiento y colapso implosivo de burbujas en un líquido. El colapso cavitacional produce un intenso calentamiento local (~5000 K), altas presiones (~1000 atm) y enormes velocidades de calentamiento y enfriamiento (>109 K/seg) y corrientes de chorro líquido (~400 km/h). (Suslick 1998)

Cavitación mediante el UIP1000hd:

Este vídeo muestra la cavitación ultrasónica / acústica en agua generada por el UIP1000 de Hielscher. La cavitación ultrasónica se utiliza para muchas aplicaciones de líquidos.

Cavitación ultrasónica en líquidos con el UIP1000

Vídeo en miniatura

Las burbujas de cavitación son burbujas de vacío. El vacío se crea por el rápido movimiento de una superficie sólida en el seno de un líquido. Las diferencias de presión resultantes permiten vencer las fuerzas de cohesión y adhesión dentro del líquido.

Se puede generar cavitación de diferentes maneras, como mediante boquillas de Venturi o de alta presión, por rotación a alta velocidad o mediante transductores ultrasónicos. En todos estos sistemas, la energía de entrada se transforma en fricción, turbulencias, ondas y cavitación. La parte de la energía que se convierte en cavitación depende de varios factores que describen el movimiento dentro del líquido del equipo generador de cavitación.

La intensidad de la aceleración es uno de los factores más importantes que influyen en la eficiencia de la conversión de la energía en cavitación. Una aceleración mayor crea mayores diferencias de presión, lo que, a su vez, aumenta la probabilidad de que se formen burbujas de vacío en lugar de sólo ondas acústicas propagándose a través del líquido. Es decir, cuanto mayor es la aceleración, mayor es la cantidad de energía que se transforma en cavitación. En el caso de un transductor ultrasónico, la intensidad de la aceleración viene descrita por la amplitud de la oscilación.

Las amplitudes más altas dan lugar a una creación más eficaz de cavitación. Los dispositivos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden crear amplitudes de hasta 115 µm. Estas altas amplitudes permiten una alta relación de transmisión de potencia, lo que a su vez permite crear altas densidades de potencia de hasta 100 W/cm³.

Además de la intensidad, se ha de acelerar el líquido de una manera que minimice las pérdidas en términos de turbulencias, fricción y generación de ondas. Por ello, la forma óptima de movimiento es en una dirección unilateral.

Se sabe que la ultrasonicación mejora las reacciones de transesterificación, lo que permite obtener, por ejemplo, ésteres metílicos y polioles más elevados. Hielscher Ultrasonics fabrica sondas ultrasónicas industriales y reactores de alto rendimiento.

Reactor ultrasónico de 16.000 vatios para la transesterificación en línea mejorada sonoquímicamente.

Por sus resultados, los ultrasonidos se utilizan en procesos como:

  • Preparación de metales activados mediante reducción de sales metálicas
  • Generación de metales activados por sonicación
  • Síntesis sonoquímica de partículas mediante precipitación de óxidos metálicos (Fe, Cr, Mn, Co), por ejemplo, para su uso como catalizadores
  • Impregnación de metales o haluros metálicos sobre estructuras
  • Preparación de soluciones metálicas activadas
  • Reacciones que involucran metales producidos por generación in situ a partir de especies de organoelementos
  • Reacciones que implican sólidos no metálicos
  • Cristalización y precipitación de metales, aleaciones, zeolitas y otros sólidos
  • Modificación de la morfología superficial y del tamaño de las partículas mediante colisiones interparticulares a alta velocidad
    • Formación de materiales amorfos nanoestructurados, incluyendo metales de transición, aleaciones, carburos, óxidos y coloides de gran área superficial
    • Aglomeración de cristales
    • Suavizado y eliminación de recubrimientos de óxido pasitivado
    • Micromanipulación (fraccionamiento) de pequeñas partículas
  • Dispersión de sólidos
  • Preparación de coloides (Ag, Au, CdS de tamaño Q)
  • Intercalación de moléculas en las capas de sólidos laminados inorgánicos
  • Sonoquímica de polímeros
    • Degradación y modificación de polímeros
    • Síntesis de polímeros
  • Sonólisis de contaminantes orgánicos en agua

Equipo sonoquímico

La mayoría de los procesos sonoquímicos mencionados pueden ser adaptados para una operación en continuo. Estaremos encantados de ayudarle en la elección del equipo sonoquímico adecuado para sus necesidades de procesamiento. Para labores de investigación y optimización de procesos, recomendamos nuestros dispositivos de laboratorio o el Equipo completo UIP1000hdT.

Si fuera necesario, disponemos de dispositivos y reactores de ultrasonidos certificados para FM y ATEX (por ejemplo, UIP1000-Exd) para sonicar reactivos y productos químicos inflamables en ambientes peligrosos.

La cavitación ultrasónica cambia las reacciones de apertura de anillo

La ultrasonicación es un método alternativo al calor, la presión, la luz o la electricidad para iniciar reacciones químicas. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth y su equipo en la Facultad de Química de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign emplearon energía ultrasónica para activar y manipular las reacciones de apertura de anillo. Bajo sonicación, las reacciones químicas dieron lugar a productos diferentes de los predichos por las reglas de simetría orbital (Nature 2007, 446, 423). El grupo enlazó isómeros mecánicamente sensibles de benzociclobuteno 1,2-bisustituidos a dos cadenas de polietilenglicol, aplicaron energía ultrasónica y analizaron las soluciones a granel usando C13 espectroscopia de resonancia magnética nuclear. Los espectros mostraron que tanto los isómeros cis como trans generan el mismo producto de anillo abierto, el esperado del isómero trans. Mientras que la energía térmica provoca un movimiento browniano al azar de los reactivos, la energía mecánica de la ultrasonicación da una dirección a los movimientos de los átomos. Es decir, los efectos de la cavitación dirigen eficientemente la energía tensando las moléculas, lo que remodela la superficie de energía potencial.

La ultrasonicación mejora la síntesis ascendente de nanopartículas.

Ultrasonidos de tipo sonda como el UP400St intensificar la síntesis de nanopartículas. La ruta sonoquímica es sencilla, eficaz, rápida y funciona con productos químicos no tóxicos en condiciones suaves.

Ultrasonicadores de alto rendimiento para sonoquímica

Hielscher Ultrasonics suministra procesadores de ultrasonidos para laboratorio e industria. Todos los ultrasonicadores de Hielscher son máquinas de ultrasonidos muy potentes y robustas, construidas para un funcionamiento continuo 24/7 a plena carga. Control digital, ajustes programables, control de temperatura, protocolling automático de datos y control remoto por navegador son sólo algunas de las características de los ultrasonicadores Hielscher. Diseñados para ofrecer un alto rendimiento y un funcionamiento cómodo, los usuarios valoran el manejo seguro y sencillo de los equipos de Hielscher Ultrasonics. Los procesadores industriales de ultrasonidos Hielscher ofrecen amplitudes de hasta 200µm y son ideales para aplicaciones pesadas. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del loteTasa de flujoDispositivos recomendados
1 a 500 mL10 a 200 mL/min.UP100H
10 a 2000 mL20 a 400 mL/min.UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L0,2 a 4 L/minUIP2000hdT
10 a 100 L2 a 10 L/minUIP4000hdT
n.a.10 a 100 L/minUIP16000
n.a.mayorGrupo de UIP16000

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Literatura / Referencias


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonicador compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.


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