La sonoquímica es el campo de la química en el que se utilizan ultrasonidos de alta intensidad para inducir, acelerar y modificar reacciones químicas (síntesis, catálisis, degradación, polimerización, hidrólisis, etc.). La cavitación generada por ultrasonidos se caracteriza por unas condiciones únicas de alta densidad energética, que favorecen e intensifican las reacciones químicas. Las velocidades de reacción más rápidas, los mayores rendimientos y el uso de reactivos ecológicos y más suaves convierten a la sonoquímica en una herramienta muy ventajosa para obtener reacciones químicas mejoradas.

Sonoquímica

La sonoquímica es el campo de la investigación y el procesamiento en el que las moléculas experimentan una reacción química debido a la aplicación de ultrasonidos de alta intensidad (por ejemplo, 20 kHz). El fenómeno responsable de las reacciones sonoquímicas es la cavitación acústica. La cavitación acústica o ultrasónica se produce cuando se acoplan potentes ondas ultrasónicas en un líquido o lodo. Debido a la alternancia de ciclos de alta presión/baja presión provocada por las ondas ultrasónicas potentes en el líquido, se generan burbujas de vacío (vacíos cavitacionales), que crecen a lo largo de varios ciclos de presión. Cuando la burbuja de vacío cavitacional alcanza un cierto tamaño en el que no puede absorber más energía, la burbuja de vacío implosiona violentamente y crea un punto caliente de alta densidad energética. Este punto caliente que se produce localmente se caracteriza por temperaturas y presiones muy elevadas y microcorrientes de chorros de líquido extremadamente rápidos.

Cavitación acústica y efectos de la ultrasonicación de alta intensidad

La cavitación acústica, a menudo llamada también cavitación ultrasónica, puede distinguirse en dos formas, cavitación estable y transitoria. Durante la cavitación estable, la burbuja de cavitación oscila muchas veces alrededor de su radio de equilibrio, mientras que durante la cavitación transitoria, en la que una burbuja de corta duración experimenta cambios drásticos de volumen en unos pocos ciclos acústicos y termina en un colapso violento (Suslick 1988). La cavitación estable y la transitoria pueden producirse simultáneamente en la solución y una burbuja que experimenta cavitación estable puede convertirse en una cavidad transitoria. La implosión de la burbuja, que es característica de la cavitación transitoria y de la sonicación de alta intensidad, crea diversas condiciones físicas que incluyen temperaturas muy elevadas de 5000-25.000 K, presiones de hasta varios 1.000 bar y corrientes líquidas con velocidades de hasta 1.000 m/s. Dado que el colapso/implosión de las burbujas de cavitación se produce en menos de un nanosegundo, se requieren velocidades de calentamiento y enfriamiento muy elevadas, superiores a 10¹¹ K/s. Estas altas velocidades de calentamiento y diferenciales de presión pueden iniciar y acelerar reacciones. En cuanto a las corrientes líquidas que se producen, estos microchorros de alta velocidad presentan ventajas especialmente elevadas cuando se trata de lodos heterogéneos sólido-líquido. Los chorros de líquido inciden en la superficie con toda la temperatura y presión de la burbuja en colapso y provocan la erosión por colisión entre partículas, así como la fusión localizada. En consecuencia, se observa una mejora significativa de la transferencia de masa en la solución.

La cavitación ultrasónica se genera con mayor eficacia en líquidos y disolventes con bajas presiones de vapor. Por lo tanto, los medios con bajas presiones de vapor son favorables para las aplicaciones sonoquímicas.
Como resultado de la cavitación ultrasónica, las intensas fuerzas creadas pueden cambiar las vías de las reacciones hacia rutas más eficientes, de modo que se eviten conversiones más completas y/o la producción de subproductos no deseados.
El espacio denso en energía creado por el colapso de las burbujas de cavitación se denomina punto caliente. Los ultrasonidos de baja frecuencia y alta potencia en el rango de 20 kHz y la capacidad de crear amplitudes elevadas están bien establecidos para la generación de puntos calientes intensos y las condiciones sonoquímicas favorables.

Los equipos de ultrasonidos de laboratorio y los reactores industriales de ultrasonidos para procesos sonoquímicos comerciales son fáciles de conseguir y han demostrado ser fiables, eficientes y respetuosos con el medio ambiente a escala de laboratorio, piloto y totalmente industrial. Las reacciones sonoquímicas pueden llevarse a cabo como proceso discontinuo (es decir, en recipiente abierto) o en línea utilizando un reactor de celda de flujo cerrado.

sonosíntesis

La sonosíntesis o síntesis sonoquímica es la aplicación de cavitación generada por ultrasonidos para iniciar y promover reacciones químicas. La ultrasonicación de alta potencia (por ejemplo, a 20 kHz) muestra fuertes efectos sobre las moléculas y los enlaces químicos. Por ejemplo, los efectos sonoquímicos resultantes de una sonicación intensa pueden provocar la división de moléculas, la creación de radicales libres y/o la conmutación de rutas químicas. Por ello, la síntesis sonoquímica se utiliza intensamente para la fabricación o modificación de una amplia gama de materiales nanoestructurados. Algunos ejemplos de nanomateriales producidos mediante sonosíntesis son las nanopartículas (NPs) (por ejemplo, NPs de oro, NPs de plata), los pigmentos, las nanopartículas core-shell, nanohidroxiapatita, marcos orgánicos metálicos (MOF)Los nanofármacos, los principios activos farmacéuticos (API), las nanopartículas decoradas con microesferas y los nanocompuestos, entre otros muchos materiales.
Ejemplos: Transesterificación ultrasónica de ésteres metílicos de ácidos grasos (biodiésel) o la transesterificación de polioles mediante ultrasonidos.

Imagen TEM (A) y su distribución granulométrica (B) de nanopartículas de plata (Ag-NPs), que han sido sintetizadas sonoquímicamente en condiciones óptimas.

También se aplica ampliamente la cristalización promovida por ultrasonidos (sono-cristalización), en la que se utilizan ultrasonidos de potencia para producir soluciones sobresaturadas, iniciar la cristalización/precipitación y controlar el tamaño y la morfología de los cristales mediante parámetros de proceso ultrasónicos. Haga clic aquí para obtener más información sobre la sonocristalización.

Sonocatálisis

La sonicación de una suspensión o solución química puede mejorar significativamente las reacciones catalíticas. La energía sonoquímica reduce el tiempo de reacción y mejora la transferencia de calor y masa, lo que se traduce en un aumento de las constantes de velocidad química, los rendimientos y las selectividades.
Existen numerosos procesos catalíticos que se benefician drásticamente de la aplicación de ultrasonidos de potencia y de sus efectos sonoquímicos. Cualquier reacción heterogénea de catálisis por transferencia de fase (PTC) en la que intervengan dos o más líquidos inmiscibles o una composición líquido-sólido, se beneficia de la sonicación, la energía sonoquímica y la transferencia de masa mejorada.
Por ejemplo, el análisis comparativo de la oxidación catalítica silenciosa y asistida por ultrasonidos de peróxido húmedo de fenol en agua reveló que la sonicación redujo la barrera energética de la reacción, pero no tuvo ningún impacto en la vía de reacción. La energía de activación para la oxidación del fenol sobre RuI₃ del catalizador durante la sonicación fue de 13 kJ mol^-1que era cuatro veces menor en comparación con el proceso de oxidación silenciosa (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
La catálisis sonoquímica se utiliza con éxito para la fabricación de productos químicos, así como para la fabricación de materiales inorgánicos micro y nanoestructurados, como metales, aleaciones, compuestos metálicos, materiales no metálicos y compuestos inorgánicos. Ejemplos comunes de PTC asistida por ultrasonidos son la transesterificación de ácidos grasos libres en éster metílico (biodiésel), la hidrólisis, la saponificación de aceites vegetales, la reacción sono-Fenton (procesos similares a Fenton), la degradación sonocatalítica, etc.
Más información sobre la sonocatálisis y sus aplicaciones específicas.
La sonicación mejora la química de clic, como las reacciones de cicloadición azida-alquino.

Otras aplicaciones sonoquímicas

Debido a su uso versátil, fiabilidad y sencillo funcionamiento, los sistemas sonoquímicos como el UP400St o UIP2000hdT son valorados como equipos eficientes para reacciones químicas. Los dispositivos sonoquímicos de Hielscher Ultrasonics pueden utilizarse fácilmente para la sonicación por lotes (vaso abierto) y continua en línea mediante una célula de flujo sonoquímica. La sonoquímica, que incluye la sonosíntesis, la sonocatálisis, la degradación o la polimerización, se utiliza ampliamente en la química, la nanotecnología, la ciencia de los materiales, la farmacia, la microbiología, así como en otras industrias.

Equipos Sonoquímicos de Alto Rendimiento

Hielscher Ultrasonics es su principal proveedor de ultrasonidos, celdas de flujo sonoquímicas, reactores y accesorios innovadores y de última generación para reacciones sonoquímicas eficientes y fiables. Todos los ultrasonidos de Hielscher se diseñan, fabrican y prueban exclusivamente en la sede central de Hielscher Ultrasonics en Teltow (cerca de Berlín), Alemania. Además de los más altos estándares técnicos y una robustez sobresaliente, así como un funcionamiento 24/7/365 para una operación altamente eficiente, los ultrasonidos Hielscher son fáciles y fiables de manejar. Alta eficiencia, software inteligente, menú intuitivo, protocolling automático de datos y control remoto por navegador son sólo algunas de las características que distinguen a Hielscher Ultrasonics de otros fabricantes de equipos sonoquímicos.

Amplitudes ajustables con precisión

La amplitud es el desplazamiento en la parte delantera (punta) del sonotrodo (también conocido como sonda ultrasónica o bocina) y es el principal factor que influye en la cavitación ultrasónica. A mayor amplitud, mayor intensidad de cavitación. La intensidad necesaria de la cavitación depende en gran medida del tipo de reacción, de los reactivos químicos utilizados y de los resultados deseados de la reacción sonoquímica específica. Esto significa que la amplitud debe poder ajustarse con precisión para adaptar la intensidad de la cavitación acústica al nivel ideal. Todos los ultrasonidos de Hielscher pueden ajustarse de forma fiable y precisa a la amplitud ideal mediante un control digital inteligente. Además, se pueden utilizar bocinas de refuerzo para reducir o aumentar mecánicamente la amplitud. Ultrasonidos’ Los procesadores ultrasónicos industriales pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados.

Control preciso de la temperatura durante las reacciones sonoquímicas

En el punto caliente de cavitación pueden observarse temperaturas extremadamente altas de muchos miles de grados centígrados. Sin embargo, estas temperaturas extremas se limitan localmente al diminuto interior y a los alrededores de la burbuja de cavitación que implosiona. En la solución a granel, el aumento de temperatura debido a la implosión de una o varias burbujas de cavitación es insignificante. Sin embargo, una sonicación intensa y continuada durante periodos prolongados puede provocar un incremento de la temperatura del líquido a granel. Este aumento de temperatura contribuye a muchas reacciones químicas y suele considerarse beneficioso. Sin embargo, las diferentes reacciones químicas tienen diferentes temperaturas óptimas de reacción. Cuando se tratan materiales sensibles al calor, puede ser necesario controlar la temperatura. Para permitir unas condiciones térmicas ideales durante los procesos sonoquímicos, Hielscher Ultrasonics ofrece varias soluciones sofisticadas para un control preciso de la temperatura durante los procesos sonoquímicos, como reactores sonoquímicos y celdas de flujo equipadas con camisas de refrigeración.
Nuestras celdas de flujo y reactores sonoquímicos están disponibles con camisas de refrigeración, que favorecen una disipación eficaz del calor. Para el control continuo de la temperatura, los ultrasonidos de Hielscher están equipados con un sensor de temperatura enchufable, que puede introducirse en el líquido para medir constantemente la temperatura de la masa. Un sofisticado software permite establecer un rango de temperatura. Cuando se supera el límite de temperatura, el ultrasonido se detiene automáticamente hasta que la temperatura del líquido desciende hasta un punto determinado y vuelve a sonicar automáticamente. Todas las mediciones de temperatura, así como otros datos importantes del proceso ultrasónico, se registran automáticamente en una tarjeta SD integrada y pueden revisarse fácilmente para el control del proceso.
La temperatura es un parámetro crucial de los procesos sonoquímicos. La elaborada tecnología de Hielscher le ayuda a mantener la temperatura de su aplicación sonoquímica en el rango de temperatura ideal.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: