Sonoquímica: notas de aplicación

La sonoquímica es el efecto de la cavitación ultrasónica sobre los sistemas químicos. Debido a las condiciones extremas que se producen en el «punto caliente» de la cavitación, los ultrasonidos de potencia son un método muy eficaz para mejorar los resultados de una reacción química (mayor rendimiento, mejor calidad), su conversión y su duración. Algunas transformaciones químicas solo pueden lograrse mediante sonicación, como el recubrimiento de titanio o aluminio con estaño a escala nanométrica.

A continuación encontrará una selección de partículas y líquidos con recomendaciones sobre cómo tratar el material para moler, dispersar, desaglomerar o modificar las partículas utilizando un homogeneizador ultrasónico.

¡A continuación encontrará algunos protocolos de sonicación para realizar reacciones sonoquímicas con éxito!

En orden alfabético:

α-Epoxicetonas – Reacción de apertura del anillo

Aplicación ultrasónica:
La apertura catalítica del anillo de las α-epoxicetonas se llevó a cabo mediante una combinación de ultrasonidos y métodos fotoquímicos. Se utilizó tetrafluoroborato de 1-bencil-2,4,6-trifenilpiridinio (NBTPT) como fotocatalizador. Mediante la combinación de sonicación (sonoquímica) y fotoquímica de estos compuestos en presencia de NBTPT, se consiguió la apertura del anillo epóxido. Se demostró que el uso de ultrasonidos aumentaba significativamente la velocidad de la reacción fotoinducida. Los ultrasonidos pueden influir considerablemente en la apertura fotocatalítica del anillo de las α-epoxicetonas, principalmente debido a la transferencia de masa eficiente de los reactivos y al estado excitado del NBTPT. Asimismo, la transferencia de electrones entre las especies activas de este sistema homogéneo con sonicación se produce
más rápidamente que en el sistema sin sonicación. Los mayores rendimientos y los menores tiempos de reacción son ventajas de este método.

Apertura fotocatalítica del anillo de las α-epoxicetonas asistida por ultrasonidos (estudio y gráfico: ©Memarian et al 2007)

Protocolo de sonicación:
Las α-epoxicetonas 1a-f y el tetrafluoroborato de 1-bencil-2,4,6-trifenilpiridinio 2 se prepararon siguiendo los procedimientos descritos. El metanol se adquirió de Merck y se destiló antes de su uso. El dispositivo ultrasónico utilizado fue un equipo ultrasónico de sonda UP400S de Hielscher Ultrasonics GmbH. Se utilizó una bocina ultrasónica de inmersión S3 (también conocida como sonda o sonotrodo) que emitía ultrasonidos de 24 kHz con niveles de intensidad ajustables hasta una densidad máxima de potencia acústica de 460Wcm^-2 para el tratamiento. La sonicación se llevó a cabo al 100% (amplitud máxima de 210 μm). El sonotrodo S3 (profundidad máxima de inmersión de 90 mm) se sumergió directamente en la mezcla de reacción. Las irradiaciones UV se realizaron utilizando una lámpara de mercurio de alta presión de 400 W de Narva, con refrigeración de las muestras en vidrio Duran. Los espectros de RMN de ¹H de la mezcla de fotoproductos se midieron en soluciones de CDCl₃ que contenían tetrametilsilano (TMS) como patrón interno, utilizando un Bruker drx-500 (500 MHz). La cromatografía de capa preparativa (PLC) se llevó a cabo en placas de 20 × 20 cm² recubiertas con una capa de 1 mm de gel de sílice Merck PF₂₅₄ preparadas aplicando la sílice en forma de suspensión y secándolas al aire. Todos los productos son conocidos y sus datos espectrales se han publicado anteriormente.
Equipo recomendado:
UP400S con bocina ultrasónica S3
Referencia / Artículo de investigación:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Apertura del anillo catalítico fotosonoquímico de α-epoxicetonas. Beilstein Revista de Química Orgánica 3/2, 2007.

Catalizador de aluminio/níquel: nanoestructuración de la aleación Al/Ni

Aplicación ultrasónica:
Las partículas de Al/Ni pueden modificarse sonoquímicamente mediante la nanoestructuración de la aleación Al/Ni inicial. De este modo se produce un catalizador eficaz para la hidrogenación de la acetofenona.
Preparación ultrasónica del catalizador Al/Ni:
Se dispersaron 5 g de la aleación comercial Al/Ni en agua purificada (50 mL) y se sonicaron durante un máximo de 50 min. con el sonicador ultrasónico de sonda UIP1000hd (1 kW, 20 kHz), equipado con la bocina ultrasónica BS2d22 (área del cabezal de 3,8 cm²) y el amplificador de amplitud B2-1.8. La intensidad máxima calculada fue de 140 Wcm⁻² a una amplitud mecánica de 106 μm. Para evitar el aumento de temperatura durante la sonicación, el experimento se realizó en una celda termostatizada. Después de la sonicación, la muestra se secó al vacío con una pistola de aire caliente.
Equipo recomendado:
UIP1000hd con sonotrodo BS2d22 y bocina amplificadora de amplitud B2–1,2
Referencia / Artículo de investigación:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Activación sonoquímica del catalizador de hidrogenación de Al/Ni. Materiales Funcionales Avanzados 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterificación de biodiésel utilizando un catalizador de MgO

Aplicación ultrasónica:
La reacción de transesterificación se estudió bajo mezcla ultrasónica constante con el sonicador UP200S para distintos parámetros, como la cantidad de catalizador, la relación molar entre metanol y aceite, la temperatura de reacción y la duración de la reacción. Los experimentos por lotes se realizaron en un reactor de vidrio duro (300 ml, 7 cm de diámetro interno) con una tapa esmerilada de dos bocas. Una boca se conectó al sonotrodo de titanio S7 (diámetro de punta de 7 mm) del procesador ultrasónico UP200S (200 W, 24 kHz). La amplitud ultrasónica se ajustó al 50% con 1 ciclo por segundo. La mezcla de reacción se sonicó durante todo el tiempo de reacción. La otra boca de la cámara del reactor se equipó con un condensador de acero inoxidable fabricado a medida y refrigerado por agua, para devolver por reflujo el metanol evaporado. Todo el aparato se colocó en un baño de aceite a temperatura constante, regulado por un controlador de temperatura proporcional integral derivativo. La temperatura puede elevarse hasta 65 °C con una precisión de ±1 °C. Se utilizaron aceite usado y metanol de una pureza del 99,9% como materias primas para la transesterificación de biodiésel. Se utilizó como catalizador MgO de tamaño nanométrico depositado a partir del humo (cinta de magnesio).
Se obtuvo un excelente resultado de conversión con 1,5 wt% de catalizador y una relación molar metanol/aceite de 5:1 a 55 °C: se alcanzó una conversión del 98,7% después de 45 min.
Equipo recomendado:
UP200S con sonotrodo ultrasónico S7
Referencia / Artículo de investigación:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Estudios sobre la producción sonoquímica de biodiésel utilizando un catalizador de MgO nanométrico depositado a partir de humo. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Síntesis de nanocompuestos de cadmio(II)-tioacetamida

Aplicación ultrasónica:
Se sintetizaron nanocompuestos de cadmio(II)-tioacetamida en presencia y ausencia de alcohol polivinílico mediante una vía sonoquímica. Para la síntesis sonoquímica (sonosíntesis), se disolvieron 0,532 g de acetato de cadmio (II) dihidratado (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g de tioacetamida (TAA, CH3CSNH2) y 0,664 g de yoduro de potasio (KI) en 20 mL de agua desionizada bidestilada. Esta solución se sonicó con un equipo ultrasónico de sonda de alta potencia UP400S (24 kHz, 400 W) a temperatura ambiente durante 1 h. Durante la sonicación de la mezcla de reacción, la temperatura aumentó hasta 70–80degC, según las mediciones realizadas con un termopar de hierro–constantin. Después de una hora se formó un precipitado de color amarillo intenso. Se aisló por centrifugación (4.000 rpm, 15 min), se lavó con agua bidestilada y después con etanol absoluto para eliminar las impurezas residuales y, finalmente, se secó al aire (rendimiento: 0,915 g, 68%). Punto de descomposición: 200 °C. Para preparar el nanocompuesto polimérico, se disolvieron 1,992 g de alcohol polivinílico en 20 mL de agua desionizada bidestilada y se añadieron a la solución anterior. Esta mezcla se irradió ultrasónicamente con la sonda ultrasónica UP400S durante 1 h, tras lo cual se formó un producto de color naranja intenso.
Los resultados de SEM demostraron que, en presencia de PVA, el tamaño de las partículas disminuía de aproximadamente 38 nm a 25 nm. A continuación sintetizamos nanopartículas de CdS hexagonal con morfología esférica mediante la descomposición térmica del nanocompuesto polimérico cadmio(II)-tioacetamida/PVA como precursor. El tamaño de las nanopartículas de CdS se midió tanto mediante XRD como mediante SEM, y los resultados concordaron muy bien entre sí.
Ranjbar et al. (2013) también observaron que el nanocompuesto polimérico de Cd(II) es un precursor adecuado para preparar nanopartículas de sulfuro de cadmio con morfologías interesantes. Todos los resultados revelaron que la síntesis ultrasónica puede emplearse con éxito como un método sencillo, eficiente, de bajo coste, respetuoso con el medio ambiente y muy prometedor para sintetizar materiales a escala nanométrica, sin necesidad de condiciones especiales como temperaturas elevadas, tiempos de reacción prolongados o presiones altas.
Equipo recomendado:
UP400S
Referencia / Artículo de investigación:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Síntesis y Caracterización de Nanocompuestos de Cadmio-Thioacetamida. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203-212.

CaCO3 – Recubrimiento con ácido esteárico mediante ultrasonidos

Aplicación ultrasónica:
Recubrimiento ultrasónico de CaCO₃ nanoprecipitado (NPCC) con ácido esteárico para mejorar su dispersión en el polímero y reducir la aglomeración. Se sonicaron 2 g de CaCO₃ nanoprecipitado (NPCC) sin recubrir con el sonicador UP400S en 30 ml de etanol. Se disolvió 9 wt% de ácido esteárico en etanol. A continuación, el etanol con ácido esteárico se mezcló con la suspensión sonicada.
Equipo recomendado:
UP400S con sonotrodo de 22 mm de diámetro (H22D) y celda de flujo con camisa de refrigeración
Referencia / Artículo de investigación:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Effects of ultrasound in coating nano-precipitated CaCO3 with stearic acid. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807-813.

Silano dopado con nitrato de cerio

Aplicación ultrasónica:
Se utilizaron paneles de acero al carbono laminado en frío (6,5 cm, 6,5 cm, 0,3 cm; limpiados químicamente y pulidos mecánicamente) como sustratos metálicos. Antes de aplicar el recubrimiento, los paneles se limpiaron ultrasónicamente con acetona y después con una solución alcalina (solución de NaOH de 0,3mol L1) a 60 °C durante 10 min. Para su uso como imprimación, antes del pretratamiento del sustrato, se diluyó una formulación típica que incluía 50 partes de γ-glicidoxipropiltrimetoxisilano (γ-GPS) con aproximadamente 950 partes de metanol, a pH 4,5 (ajustado con ácido acético), y se dejó que el silano se hidrolizara. El procedimiento de preparación del silano dopado con pigmentos de nitrato de cerio fue el mismo, excepto que se añadió 1, 2, 3 wt% de nitrato de cerio a la solución de metanol antes de añadir (γ-GPS); a continuación, esta solución se mezcló con un agitador de hélice a 1600 rpm durante 30 min. a temperatura ambiente. Después, las dispersiones que contenían nitrato de cerio se sonicaron durante 30 min a 40 °C con un baño externo de refrigeración. El proceso de ultrasonicación se realizó con el equipo ultrasónico UIP1000hd (1000 W, 20 kHz), con una potencia ultrasónica de entrada de aproximadamente 1 W/mL. El pretratamiento del sustrato se llevó a cabo enjuagando cada panel durante 100 sec. con la solución de silano correspondiente. Tras el tratamiento, los paneles se dejaron secar a temperatura ambiente durante 24 h; después, los paneles pretratados se recubrieron con un epoxi de dos componentes curado con aminas (Epon 828, shell Co.) para obtener un espesor de película húmeda de 90 μm. Los paneles recubiertos de epoxi se dejaron curar durante 1h a 115 °C; tras el curado de los recubrimientos epoxi, el espesor de película seca fue de aproximadamente 60 μm.
Equipo recomendado:
UIP1000hd
Referencia / Artículo de investigación:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Electrochemical effects of silane pretreatments containing cerium nitrate on cathodic disbonding properties of epoxy coated steel. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Estructuras de cobre-aluminio: síntesis de estructuras porosas de Cu-Al

Aplicación ultrasónica:
El cobre–aluminio poroso estabilizado por óxido metálico es un nuevo y prometedor catalizador alternativo para la deshidrogenación del propano, libre de metales nobles o peligrosos. La estructura de la aleación porosa oxidada de Cu–Al (esponja metálica) es similar a la de los metales de tipo Raney. Los ultrasonidos de alta potencia son una herramienta de química verde para sintetizar estructuras porosas de cobre–aluminio estabilizadas por óxido metálico. Son económicas (coste de producción de aproximadamente 3 EUR/litro) y el método puede ampliarse fácilmente a mayor escala. Estos nuevos materiales porosos (o «esponjas metálicas») tienen un cuerpo de aleación y una superficie oxidada, y pueden catalizar la deshidrogenación del propano a bajas temperaturas.
Procedimiento de preparación ultrasónica del catalizador:
Se dispersaron cinco gramos de polvo de aleación Al–Cu en agua ultrapura (50 mL) y se sonicaron durante 60 min con el sonicador de sonda UIP1000hd de Hielscher (20 kHz, potencia máxima de salida de 1000 W). El dispositivo ultrasónico de sonda estaba equipado con un sonotrodo BS2d22 (área de la punta de 3,8 cm²) y la bocina amplificadora de amplitud B2–1,2. La intensidad máxima calculada fue de 57 W/cm² a una amplitud mecánica de 81 μm. Durante el tratamiento, la muestra se refrigeró en un baño de hielo. Después del tratamiento, la muestra se secó a 120 °C durante 24 h.
Equipo recomendado:
UIP1000hd con sonotrodo BS2d22 y bocina amplificadora de amplitud B2–1,2
Referencia / Artículo de investigación:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Catalizadores de deshidrogenación de propano y cobre-aluminio novedosos y efectivos. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254-12256.

Degradación de Phathlocyanine de cobre

Aplicación ultrasónica:
Decoloración y destrucción de metaloftalocianinas
La phathlocyanine de cobre se sonica con agua y disolventes orgánicos a temperatura ambiente y presión atmosférica, en presencia de una cantidad catalítica de oxidante, utilizando el equipo ultrasónico UIP500hd de 500 W con una cámara «fold-trough», a un nivel de potencia de 37–59 W/cm²: 5 mL de muestra (100 mg/L), 50 de agua D/D con choloform y piridina al 60% de amplitud ultrasónica. Temperatura de reacción: 20 °C.
Equipo recomendado:
UIP500hd

Oro: modificación morfológica de nanopartículas de oro

Aplicación ultrasónica:
Las nanopartículas de oro se modificaron morfológicamente mediante irradiación ultrasónica intensa. Se comprobó que un tratamiento ultrasónico de 20 min. en agua pura y en presencia de tensioactivos era suficiente para fusionar las nanopartículas de oro en una estructura similar a una mancuerna. Después de 60 min. de sonicación, las nanopartículas de oro adquieren una estructura vermiforme o anular en agua. En presencia de soluciones de dodecilsulfato de sodio o dodecilamina, se formaron mediante ultrasonidos nanopartículas fusionadas de forma esférica u ovalada.
Protocolo del tratamiento ultrasónico:
Para la modificación ultrasónica, la solución de oro coloidal, compuesta por nanopartículas de oro preformadas y protegidas con citrato, con un diámetro medio de 25 nm (± 7 nm), se sonicó en una cámara de reactor cerrada (volumen aproximado de 50 mL). La solución de oro coloidal (0,97 mmol·L^-1) se irradió ultrasónicamente a alta intensidad (40 W/cm^-2) utilizando un equipo ultrasónico Hielscher UIP1000hdT (20 kHz, 1000 W), equipado con un sonotrodo de aleación de titanio BS2d18 (diámetro de punta de 0,7 pulgadas), que se sumergió aproximadamente 2 cm por debajo de la superficie de la solución sonicada. Se hizo pasar argón por el oro coloidal (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) durante 20 min. antes de la sonicación y durante esta, a un caudal de 200 mL·min^-1 para eliminar el oxígeno de la solución. Se combinaron una porción de 35-mL de cada solución de tensioactivo sin adición de citrato trisódico dihidratado y 15 mL de oro coloidal preformado, con burbujeo de argón durante 20 min. antes del tratamiento ultrasónico y durante este.
Equipo recomendado:
UIP1000hd con sonotrodo BS2d18 y reactor de celda de flujo
Referencia / Artículo de investigación:
Radziuk, D.; Grigoriev, D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Fusión asistida por ultrasonidos de nanopartículas de oro preformadas. Revista de Química Física C 114, 2010. 1835–1843.

Fertilizante inorgánico – Lixiviación de Cu, Cd y Pb para su análisis

Aplicación ultrasónica:
Extracción de Cu, Cd y Pb de fertilizantes inorgánicos con fines analíticos:
Para la extracción ultrasónica de cobre, plomo y cadmio, las muestras que contienen una mezcla de fertilizante y disolvente se sonican con un dispositivo ultrasónico, como el sonicador VialTweeter para sonicación indirecta. Las muestras de fertilizante se sonicaron en presencia de 2 mL de una solución al 50% (v/v) de HNO₃ en tubos de vidrio durante 3 minutos. Los extractos de Cu, Cd y Pb pueden analizarse mediante espectrometría de absorción atómica de llama (FAAS).
Equipo recomendado:
VialTweeter
Referencia / Artículo de investigación:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Método analítico alternativo para la determinación de metales en fertilizantes inorgánicos basado en la extracción asistida por ultrasonidos. Revista de la Sociedad Brasileña de Química 22/ 8. 2011. 1519-1524.

Síntesis de látex

Aplicación ultrasónica:
Preparación de látex P(St-BA)
Se sintetizaron partículas de látex de poli(estireno-r-acrilato de butilo) P(St-BA) mediante polimerización en emulsión en presencia del tensioactivo DBSA. Primero se disolvió 1 g de DBSA en 100 mL de agua en un matraz de tres bocas y se ajustó el pH de la solución a 2,0. Se vertió en la solución de DBSA una mezcla de monómeros de 2,80 g de St y 8,40 g de BA con el iniciador AIBN (0,168 g). La emulsión O/W se preparó mediante agitación magnética durante 1 h, seguida de sonicación con el sonicador UIP1000hd equipado con una bocina ultrasónica (sonda/sonotrodo) durante otros 30 min. en el baño de hielo. Finalmente, la polimerización se llevó a cabo a 90degC en un baño de aceite durante 2h bajo atmósfera de nitrógeno.
Equipo recomendado:
UIP1000hd
Referencia / Artículo de investigación:
Fabricación de películas conductoras flexibles derivadas de poli(3,4-etilendioxitiofeno)epoli(ácido estirenosulfónico) (PEDOT:PSS) sobre el sustrato de telas no tejidas. Química y Física de Materiales 143, 2013. 143-148.
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Eliminación de plomo (sonolixiviación)

Aplicación ultrasónica:
Lixiviación ultrasónica de plomo de suelos contaminados:
Los experimentos de lixiviación ultrasónica se realizaron con un homogeneizador ultrasónico UP400S equipado con una sonda acústica de titanio (diámetro de 14 mm), que funciona a una frecuencia de 20 kHz. La sonda ultrasónica (sonotrodo) se calibró calorimétricamente, con la intensidad ultrasónica ajustada a 51 ± 0,4 W cm^-2 para todos los experimentos de sonolixiviación. Los experimentos de sonolixiviación se termostatizaron utilizando una celda de vidrio de fondo plano con camisa a 25 ± 1 °C. Se emplearon tres sistemas como soluciones de lixiviación del suelo (0,1 L) bajo sonicación: 6 mL de solución de ácido acético de 0,3 mol L^-2 (pH 3,24), solución de ácido nítrico al 3% (v/v) (pH 0,17) y un tampón de ácido acético/acetato (pH 4,79) preparado mezclando 60 mL 0f ácido acético de 0,3 mol L^-1 con 19 mL de NaOH de 0,5 mol L^-1 . Después del proceso de sonolixiviación, las muestras se filtraron con papel de filtro para separar la solución de lixiviado del suelo, seguido de la electrodeposición del plomo de la solución de lixiviado y la digestión del suelo tras la aplicación de ultrasonidos.
Se ha demostrado que los ultrasonidos son una herramienta valiosa para mejorar la lixiviación de plomo de suelos contaminados. Los ultrasonidos también son un método eficaz para eliminar casi por completo el plomo lixiviable del suelo, lo que da lugar a un suelo mucho menos peligroso.
Equipo recomendado:
UP400S con sonotrodo H14
Referencia / Artículo de investigación:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Lixiviación por Ultrasonido y Tratamiento Electroquímico Combinados para la Eliminación de Plomo en Suelos. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195-199.

PbS – Síntesis de nanopartículas de sulfuro de plomo

Aplicación ultrasónica:
A temperatura ambiente, se añadieron 0,151 g de acetato de plomo (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) y 0,03 g de TAA (CH₃CSNH₂) a 5 mL del líquido iónico, [EMIM] [EtSO₄], y 15 mL de agua bidestilada en un vaso de precipitados de 50 mL, y se sometieron a irradiación ultrasónica con el sonicador Hielscher UP200S durante 7 min. La punta de la sonda ultrasónica/sonotrodo S1 se sumergió directamente en la solución de reacción. La suspensión formada, de color marrón oscuro, se centrifugó para separar el precipitado y se lavó dos veces con agua bidestilada y etanol, respectivamente, para eliminar los reactivos que no habían reaccionado. Para investigar el efecto de los ultrasonidos sobre las propiedades de los productos, se preparó otra muestra comparativa, manteniendo constantes los parámetros de reacción, excepto que el producto se preparó mediante agitación continua durante 24 h sin ayuda de irradiación ultrasónica.
Se propuso la síntesis asistida por ultrasonidos en líquido iónico acuoso a temperatura ambiente para preparar nanopartículas de PbS. Este método de química verde, respetuoso con el medio ambiente y realizado a temperatura ambiente, es rápido y no requiere plantilla, lo que reduce notablemente el tiempo de síntesis y evita procedimientos sintéticos complicados. Los nanoagregados obtenidos presentan un enorme desplazamiento hacia el azul de 3,86 eV, que puede atribuirse al tamaño muy pequeño de las partículas y al efecto de confinamiento cuántico.
Equipo recomendado:
UP200S
Referencia / Artículo de investigación:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Preparación sencilla a temperatura ambiente y caracterización de nanopartículas de PbS en una solución acuosa de [EMIM][EtSO4] líquido iónico mediante irradiación ultrasónica. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53-56.

Degradación del fenol

Aplicación ultrasónica:
Rokhina et al. (2013) utilizaron la combinación de ácido peracético (PAA) y un catalizador heterogéneo (MnO₂) para degradar fenol en una solución acuosa bajo irradiación ultrasónica. La ultrasonicación se llevó a cabo utilizando un equipo ultrasónico de sonda UP400S de 400 W, capaz de sonicar de forma continua o en modo pulsado (es decir, 4 sec. encendido y 2 sec. apagado) a una frecuencia fija de 24 kHz. La potencia total de entrada, la densidad de potencia y la intensidad de potencia disipadas en el sistema, según los cálculos, fueron de 20 W, 9,5×10^-2 W/cm ^-3, y 14,3 W/cm^-2, respectivamente. Se utilizó una potencia fija durante todos los experimentos. Se empleó una unidad de circulación por inmersión para controlar la temperatura dentro del reactor. El tiempo efectivo de sonicación fue de 4 h, aunque el tiempo real de reacción fue de 6 h debido al funcionamiento en modo pulsado. En un experimento típico, el reactor de vidrio se llenó con 100 mL de solución de fenol (1,05 mM) y dosis adecuadas del catalizador MnO2 y de PAA (2%), comprendidas entre 0–2 g L^-1 y 0–150 ppm, respectivamente. Todas las reacciones se realizaron a un pH próximo al neutro, a presión atmosférica y a temperatura ambiente (22 ± 1 °C).
Mediante ultrasonicación se aumentó el área superficial del catalizador, obteniéndose un área superficial 4 veces mayor sin cambios en la estructura. Las frecuencias de recambio catalítico (TOF) aumentaron de 7 x 10^-3 a 12,2 x 10^-3 min^-1, en comparación con el proceso sin ultrasonidos. Además, no se detectó una lixiviación significativa del catalizador. La oxidación isotérmica del fenol a concentraciones relativamente bajas de reactivos demostró tasas elevadas de eliminación de fenol (hasta el 89%) en condiciones suaves. En general, los ultrasonidos aceleraron el proceso de oxidación durante los primeros 60 min. (70% de eliminación de fenol frente al 40% durante el tratamiento sin ultrasonidos).
Equipo recomendado:
UP400S
Referencia / Artículo de investigación:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultrasound-assisted MnO₂ homólisis catalizada del ácido peracético para la degradación del fenol: la evaluación de la química y la cinética del proceso. Revista de Ingeniería Química 221, 2013. 476–486.

Fenol: oxidación del fenol utilizando RuI₃ como catalizador

Aplicación ultrasónica:
Oxidación acuosa heterogénea del fenol sobre RuI₃ con peróxido de hidrógeno (H₂O₂): la oxidación catalítica del fenol (100 ppm) sobre RuI₃ como catalizador se estudió en un reactor de vidrio de 100 mL equipado con un agitador magnético y un controlador de temperatura. La mezcla de reacción se agitó a una velocidad de 800 rpm durante 1–6 horas para lograr una mezcla completa, con distribución uniforme y suspensión total de las partículas del catalizador. No se realizó agitación mecánica de la solución durante la sonicación, debido a la perturbación causada por la oscilación y el colapso de las burbujas de cavitación, que por sí mismos proporcionan una mezcla extremadamente eficiente. La irradiación ultrasónica de la solución se llevó a cabo con un transductor ultrasónico UP400S equipado con un componente ultrasónico (denominado sonicador de sonda), capaz de funcionar de forma continua o en modo pulsado a una frecuencia fija de 24 kHz y una potencia máxima de salida de 400 W.
Para el experimento, se introdujo RuI₃ sin tratar como catalizador (0,5–2 gL^-1) en forma de suspensión en el medio de reacción, seguido de la adición de H2O2 (30%, concentración en el intervalo de 200–1200 ppm).
Rokhina et al. observaron en su estudio que la irradiación ultrasónica desempeñaba un papel destacado en la modificación de las propiedades texturales del catalizador, produciendo una estructura microporosa con mayor área superficial como resultado de la fragmentación de las partículas del catalizador. Además, tenía un efecto favorecedor al evitar la aglomeración de las partículas del catalizador y mejorar el acceso del fenol y del peróxido de hidrógeno a los sitios activos del catalizador.
La duplicación de la eficiencia del proceso asistido por ultrasonidos en comparación con el proceso de oxidación sin ultrasonidos se atribuyó al mejor comportamiento catalítico del catalizador y a la generación de especies oxidantes como •OH, •HO2 y •I₂ mediante la ruptura de enlaces de hidrógeno y la recombinación de radicales.
Equipo recomendado:
UP400S
Referencia / Artículo de investigación:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Oxidación heterogénea de peróxido de fenol catalizada por rutenio heterogéneo asistida por ultrasonidos. Catálisis Aplicada B: Medio Ambiente 87, 2009. 162– 170.

Partículas de Ag/ZnO recubiertas con PLA

Aplicación ultrasónica:
Recubrimiento con PLA de partículas de Ag/ZnO: se prepararon micropartículas y partículas submicrométricas de Ag/ZnO recubiertas con PLA mediante la técnica de evaporación del disolvente en emulsión de aceite en agua. Este método se llevó a cabo de la siguiente manera. Primero, se disolvieron los 400 mg de polímero en 4 ml de cloroformo. La concentración resultante de polímero en cloroformo fue de 100 mg/ml. En segundo lugar, la solución de polímero se emulsionó en una solución acuosa de diversos sistemas de tensioactivos (agente emulsionante, PVA 8-88), bajo agitación continua con un homogeneizador a una velocidad de agitación de 24.000 rpm. La mezcla se agitó durante 5 min. y, durante este periodo, la emulsión en formación se refrigeró con hielo. La relación entre la solución acuosa de tensioactivo y la solución de PLA en cloroformo fue idéntica en todos los experimentos (4:1). Posteriormente, la emulsión obtenida se sonicó con un dispositivo ultrasónico de sonda UP400S (400 W, 24 kHz) durante 5 min., con ciclo 0,5 y amplitud del 35%. Finalmente, la emulsión preparada se transfirió al matraz Erlenmeyer, se agitó y el disolvente orgánico se evaporó de la emulsión a presión reducida, lo que finalmente dio lugar a la formación de una suspensión de partículas. Tras eliminar el disolvente, la suspensión se centrifugó tres veces para eliminar el emulsionante.
Equipo recomendado:
UP400S
Referencia / Artículo de investigación:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Poly (L-Lactic Acid) Coated Microwave Synthesized Hybrid Antibacterial Particles. Nanocon 2011.

Material compuesto de polianilina

Aplicación ultrasónica:
Preparación de un material compuesto de nanopolianilina autodopada (SPAni) de base acuosa (Sc-WB)
Para preparar el material compuesto de SPAni de base acuosa, se diluyeron con agua 0,3 gr de SPAni, sintetizada mediante polimerización in situ en un medio de ScCO2, y se sonicaron durante 2 minutos con un homogeneizador ultrasónico UIP1000hd de 1000 W. A continuación, el producto en suspensión se homogeneizó durante 15 min. añadiendo 125 gr de matriz endurecedora de base acuosa, y la sonicación final se llevó a cabo a temperatura ambiente durante 5 min.
Equipo recomendado:
UIP1000hd
Referencia / Artículo de investigación:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Rendimiento protector del recubrimiento epoxi a base de agua que contiene nanopolianilina autodopada sintetizada con ScCO2. 2013.

Hidrocarburos aromáticos policíclicos: degradación sonoquímica de naftaleno, acenaftileno y fenantreno

Aplicación ultrasónica:
Para la degradación sonoquímica de los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) naftaleno, acenaftileno y fenantreno en agua, las mezclas de muestra se sonicaron a 20◦C y con 50 µg/l de cada PAH de interés (150 µg/l de concentración inicial total). La ultrasonicación se aplicó mediante un equipo ultrasónico de bocina UP400S (400 W, 24 kHz), capaz de funcionar de forma continua o en modo pulsado. El sonicador UP400S estaba equipado con una sonda de titanio H7 con una punta de 7 mm de diámetro. Las reacciones se llevaron a cabo en un recipiente de reacción cilíndrico de vidrio de 200 mL, con la bocina de titanio montada en la parte superior del recipiente y sellada mediante juntas tóricas y una válvula de Teflon. El recipiente de reacción se colocó en un baño de agua para controlar la temperatura del proceso. Para evitar cualquier reacción fotoquímica, el recipiente se cubrió con papel de aluminio.
Los resultados del análisis mostraron que la conversión de los PAHs aumenta al aumentar la duración de la sonicación.
Para el naftaleno, la conversión asistida por ultrasonidos (potencia ultrasónica ajustada a 150 W) aumentó del 77,6% alcanzado después de 30 min. de sonicación al 84,4% después de 60 min. de sonicación.
Para el acenaftileno, la conversión asistida por ultrasonidos (potencia ultrasónica ajustada a 150 W) aumentó del 77,6% alcanzado después de 30 min. de sonicación con una potencia ultrasónica de 150 W al 84,4% después de 60 min. de sonicación con ultrasonidos de 150 W, aumentó del 80,7% alcanzado después de 30 min. de sonicación con una potencia ultrasónica de 150 W al 96,6% después de 60 min. de sonicación.
Para el fenantreno, la conversión asistida por ultrasonidos (potencia ultrasónica ajustada a 150 W) aumentó del 73,8% alcanzado después de 30 min. de sonicación al 83,0% después de 60 min. de sonicación.
Para mejorar la eficiencia de degradación, el peróxido de hidrógeno puede utilizarse de forma más eficiente cuando se añade ion ferroso. Se ha demostrado que la adición de ion ferroso tiene efectos sinérgicos que simulan una reacción de tipo Fenton.
Equipo recomendado:
UP400S con H7
Referencia / Artículo de investigación:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Degradación de hidrocarburos aromáticos policíclicos en soluciones acuosas por irradiación ultrasónica. Revista de Materiales Peligrosos B108, 2004. 95–102.

Eliminación de la capa de óxido de los sustratos

Aplicación ultrasónica:
Para preparar el sustrato antes de hacer crecer nanohilos de CuO sobre sustratos de Cu, se eliminó la capa de óxido intrínseca de la superficie de Cu sonicando la muestra en ácido clorhídrico de 0,7 M durante 2 min. con un Hielscher UP200S. La muestra se limpió ultrasónicamente en acetona durante 5 min. para eliminar los contaminantes orgánicos, se enjuagó a fondo con agua desionizada (DI) y se secó con aire comprimido.
Equipo recomendado:
UP200S o UP200St
Referencia / Artículo de investigación:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modulación de las propiedades de detección de gas de los nanocables de CuO mediante la creación de uniones p-n discretas de tamaño nanométrico en sus superficies. Materiales aplicados ACS & Interfaces 4, 2012. 4192-4199.

Experimentos de voltamperometría

Aplicación ultrasónica:
Para los experimentos de voltamperometría mejorada por ultrasonidos, se empleó un equipo ultrasónico Hielscher UP200S de 200 vatios equipado con una bocina de vidrio (punta de 13-mm de diámetro). Los ultrasonidos se aplicaron con una intensidad de 8 W/cm^–2.
Debido a la baja velocidad de difusión de las nanopartículas en soluciones acuosas y al elevado número de centros redox por nanopartícula, la voltamperometría directa de nanopartículas en fase de solución está dominada por los efectos de adsorción. Para detectar nanopartículas sin acumulación debida a la adsorción, debe elegirse un enfoque experimental con (i) una concentración suficientemente alta de nanopartículas, (ii) electrodos pequeños para mejorar la relación señal/fondo o (iii) un transporte de masa muy rápido.
Por ello, McKenzie et al. (2012) emplearon ultrasonidos de potencia para mejorar drásticamente la velocidad de transporte de masa de las nanopartículas hacia la superficie del electrodo. En su montaje experimental, el electrodo se expone directamente a ultrasonidos de alta intensidad, con una distancia de 5 mm entre el electrodo y la bocina y una intensidad de sonicación de 8 W/cm^–2 que produce agitación y limpieza por cavitación. Se empleó un sistema redox de ensayo, la reducción de un electrón de Ru(NH3)₆³⁺ en KCl acuoso de 0,1 M, para calibrar la velocidad de transporte de masa alcanzada en estas condiciones.
Equipo recomendado:
UP200S o UP200St
Referencia / Artículo de investigación:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Electroquímica directa de nanopartículas Fe2O3 en solución acuosa y adsorbidas sobre óxido de indio dopado con estaño. Química Pura Aplicada, 73/ 12, 2001. 1885-1894.

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