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
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:
| reacción | Tiempo de reacción Convencional |
Tiempo de reacción ultrasonidos |
rendimiento Convencional (%) |
rendimiento Ultrasonidos (%) |
|---|---|---|---|---|
| Ciclación Diels-Alder | 35 h | 3.5 h | 77.9 | 97.3 |
| Oxidación de indano a indano-1-ona | 3 h | 3 h | menos del 27 | 73% |
| Reducción del metoxiaminosilano | ninguna reacción | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidación de ésteres grasos insaturados de cadena larga | 2 h | 15 minutos | 48% | 92% |
| Oxidación de arilalcanos | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Adición Michael de nitroalcanos a ésteres monosustituidos α,β-insaturados | 2 días | 2 h | 85% | 90% |
| Oxidación con permanganato del 2-octanol | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Síntesis de chalconas por condensación CLaisen-Schmidt | 60 min | 10 minutos | 5% | 76% |
| Acoplamiento UIllmann del 2-iodonitrobenceno | 2 h | 2H | menos del 1,5%. | 70.4% |
| Reacción Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 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:
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.
Reactor ultrasónico de 16.000 vatios para la transesterificación en línea mejorada sonoquímicamente.
- 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.
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 lote | Tasa de flujo | Dispositivos 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. | mayor | Grupo 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.
Literatura / 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 de laboratorio a tamaño industrial.