Sonoquímica y Reactores Sonoquímicos

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 densidad energética, que promueven e intensifican las reacciones químicas. Las velocidades de reacción más rápidas, los mayores rendimientos y el uso de reactivos verdes y más suaves convierten a la sonoquímica en una herramienta muy ventajosa para obtener reacciones químicas mejoradas.

Sonoquímica

La sonoquímica es el campo de investigación y procesamiento en el que las moléculas sufren 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 de ultrasonido en un líquido o lodo. Debido a la alternancia de ciclos de alta/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 determinado 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 unas temperaturas y presiones muy elevadas y por un microchorro de líquido extremadamente rápido.

Cavitación acústica y efectos de la ultrasonicación de alta intensidad

La cavitación acústica, a menudo también llamada cavitación ultrasónica, puede distinguirse en dos formas, la cavitación estable y la transitoria. Durante la cavitación estable, la burbuja de cavitación oscila muchas veces en torno a su radio de equilibrio, mientras que durante la cavitación transitoria, en la que una burbuja de corta duración experimenta dramáticos cambios de volumen en unos pocos ciclos acústicos y termina en un violento colapso (Suslick 1988). La cavitación estable y la transitoria pueden ocurrir simultáneamente en la solución y una burbuja que sufre una 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 varias condiciones físicas que incluyen temperaturas muy altas de 5000-25.000 K, presiones de hasta varios 1000 bares y corrientes de líquido con velocidades de hasta 1000m/s. Dado que el colapso/implosión de las burbujas de cavitación se produce en menos de un nanosegundo, las velocidades de calentamiento y enfriamiento muy elevadas, superiores a 10¹¹ K/s. Estas altas velocidades de calentamiento y los diferenciales de presión pueden iniciar y acelerar las reacciones. En lo que respecta a las corrientes líquidas que se producen, estos microchorros de alta velocidad presentan beneficios especialmente elevados cuando se trata de lodos sólidos-líquidos heterogéneos. Los chorros de líquido inciden en la superficie con toda la temperatura y la presión de la burbuja en colapso y provocan la erosión mediante la colisión entre partículas, así como la fusión localizada. En consecuencia, se observa una transferencia de masa significativamente mejorada 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 los caminos de las reacciones hacia rutas más eficientes, de modo que se evitan 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 20kHz y la capacidad de crear altas amplitudes están bien establecidos para la generación de puntos calientes intensos y las condiciones sonoquímicas favorables.

Los equipos de laboratorio por ultrasonidos y los reactores industriales por ultrasonidos para los procesos sonoquímicos comerciales están disponibles y se ha demostrado que son fiables, eficientes y respetuosos con el medio ambiente a escala de laboratorio, piloto y totalmente industrial. Las reacciones sonoquímicas pueden llevarse a cabo por lotes (es decir, en un recipiente abierto) o en línea utilizando un reactor de célula de flujo cerrado.

sonosíntesis

La sonosíntesis o síntesis sonoquímica es la aplicación de la 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 la sonicación intensa pueden dar lugar a la división de moléculas, la creación de radicales libres y/o la conmutación de vías 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, nano-hidroxiapatita, marcos orgánicos metálicos (MOF)Los productos farmacéuticos son los que más se utilizan, 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 de tamaño de partícula (B) de nanopartículas de plata (Ag-NPs), que han sido sintetizadas sonoquímicamente en condiciones óptimas.

También se aplica ampliamente la cristalización promovida por ultrasonidos (sonocristalización), en la que se utiliza el ultrasonido de potencia para producir soluciones sobresaturadas, iniciar la cristalización/precipitación y controlar el tamaño y la morfología de los cristales mediante los parámetros del proceso ultrasónico. Haga clic aquí para saber más 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, mejora la transferencia de calor y masa, lo que posteriormente 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 los ultrasonidos de potencia y de sus efectos sonoquímicos. Cualquier reacción de catálisis de transferencia de fase heterogénea (PTC) que implique 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 del peróxido húmedo del 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 fue 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 ésteres metílicos (biodiésel), la hidrólisis, la saponificación de aceites vegetales, la reacción sono-Fenton (procesos similares a Fenton), la degradación sonocatalítica, etc.
Lea más sobre la sonocatálisis y sus aplicaciones específicas.

Otras aplicaciones sonoquímicas

Debido a su uso versátil, su fiabilidad y su sencillo funcionamiento, los sistemas sonoquímicos como el UP400St o UIP2000hdT son valorados como equipos eficientes para las reacciones químicas. Los dispositivos sonoquímicos de Hielscher Ultrasonics pueden utilizarse fácilmente para la sonicación por lotes (vaso de precipitados abierto) y la sonicación continua en línea utilizando 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 y la microbiología, así como en otras industrias.

Equipo Sonoquímico de Alto Rendimiento

Hielscher Ultrasonics es su principal proveedor de innovadores y modernos ultrasonidos, células de flujo sonoquímicas, reactores y accesorios para reacciones sonoquímicas eficientes y fiables. Todos los ultrasonidos de Hielscher se diseñan, fabrican y prueban exclusivamente en la sede de Hielscher Ultrasonics en Teltow (cerca de Berlín), Alemania. Además de los más altos estándares técnicos y de la extraordinaria robustez y del funcionamiento 24/7/365 para una operación altamente eficiente, los ultrasonidos de Hielscher son fáciles y fiables de manejar. La alta eficiencia, el software inteligente, el menú intuitivo, el protocolling automático de datos y el control remoto del 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 o cuerno ultrasónico) y es el principal factor que influye en la cavitación ultrasónica. Una mayor amplitud significa una cavitación más intensa. 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 mediante un control digital inteligente a la amplitud ideal. Además, se pueden utilizar bocinas de refuerzo para reducir o aumentar la amplitud de forma mecánica. Ultrasonidos’ los procesadores industriales de ultrasonido pueden entregar amplitudes muy altas. Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente operadas continuamente en operación 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 se observan temperaturas extremadamente altas de muchos miles de grados Celsius. 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 la temperatura debido a la implosión de una o varias burbujas de cavitación es insignificante. Sin embargo, una sonicación continua e intensa durante periodos prolongados puede provocar un incremento de la temperatura del líquido a granel. Este aumento de la 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 el control preciso de la temperatura durante los procesos sonoquímicos, como los reactores sonoquímicos y las 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 la medición constante de la temperatura global. Un sofisticado software permite establecer un rango de temperatura. Cuando se sobrepasa el límite de temperatura, el ultrasonido se detiene automáticamente hasta que la temperatura del líquido desciende a un determinado punto de referencia y vuelve a sonicarse automáticamente. Todas las mediciones de temperatura, así como otros datos importantes del proceso de ultrasonidos, 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: