Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Síntesis y reacciones 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.

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

Cavitación ultrasónica en líquidos

Cavitación, que es la formación, el crecimiento y el colapso implosivo de las burbujas en un líquido. El colapso de la cavitación produce un intenso calentamiento local (~ 5000 K), altas presiones (~ 1000 atm) y enormes tasas de calentamiento y enfriamiento (>109 K / seg) y chorros de líquido (~ 400 km / h). (Suslick 1998)

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 resultan en una creación de cavitación más efectiva. 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 densidades de alta 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.

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 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.

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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.

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.