sonocatálise – Catálise assistida por ultra-sons
A ultra-sons afecta a reatividade do catalisador durante a catálise através de uma maior transferência de massa e de energia. Na catálise heterogénea, em que o catalisador se encontra numa fase diferente da dos reagentes, a dispersão ultra-sónica aumenta a área de superfície disponível para os reagentes.
Antecedentes da Sonocatálise
A catálise é um processo no qual a taxa de um a reação química é aumentada (ou diminuído) por meio de um catalisador. A produção de muitos produtos químicos envolve a catálise. A influência na velocidade da reação depende da frequência de contacto dos reagentes na fase determinante da velocidade. Em geral, os catalisadores aumentam a velocidade de reação e diminuem a energia de ativação, fornecendo uma via de reação alternativa para o produto da reação. Para tal, os catalisadores reagem com um ou mais reagentes para formar produtos intermédios que subsequentemente dão origem ao produto final. Este último passo regenera o catalisador. Por redução da energia de ativaçãoO catalisador é um elemento de reação que permite que mais colisões moleculares tenham a energia necessária para atingir o estado de transição. Em alguns casos, os catalisadores são utilizados para alterar a seletividade de uma reação química.
a diagrama à direita ilustra o efeito de um catalisador numa reação química X+Y para produzir Z. O catalisador fornece uma via alternativa (verde) com uma energia de ativação Ea mais baixa.
Efeitos da ultrassonografia
O comprimento de onda acústica em líquidos varia entre aproximadamente 110 e 0,15 mm para frequências entre 18kHz e 10MHz. Este valor é significativamente superior às dimensões moleculares. Por esta razão, não existe um acoplamento direto do campo acústico com as moléculas de uma espécie química. Os efeitos da ultrassonografia são, em grande medida, o resultado da Cavitação ultra-sónica em líquidos. Por conseguinte, a catálise assistida por ultra-sons exige que pelo menos um reagente se encontre em fase líquida. A ultra-sons contribui para a catálise heterogénea e homogénea de várias formas. Os efeitos individuais podem ser promovidos ou reduzidos adaptando a amplitude ultra-sónica e a pressão do líquido.
Dispersão e emulsificação por ultra-sons
As reacções químicas que envolvem reagentes e um catalisador de mais do que uma fase (catálise heterogénea) estão limitadas à fronteira de fase, uma vez que este é o único local onde o reagente e o catalisador estão presentes. A exposição dos reagentes e do catalisador um ao outro é uma fator-chave para muitas reacções químicas multifásicas. Por esta razão, a área de superfície específica da fronteira de fase torna-se influente para a taxa de reação química.
A ultrassonografia é um meio muito eficaz para a dispersão de sólidos e para o emulsificação de líquidos. Ao reduzir o tamanho das partículas/gotículas, a área total da superfície da fronteira de fase aumenta ao mesmo tempo. O gráfico à esquerda mostra a correlação entre o tamanho das partículas e a área de superfície no caso de partículas ou gotículas esféricas (Clique para ver maior!). À medida que a superfície da fronteira de fase aumenta, aumenta também a taxa de reação química. Para muitos materiais, a cavitação ultra-sónica pode produzir partículas e gotículas de tamanho muito fino – frequentemente significativamente abaixo dos 100 nanómetros. Se a dispersão ou emulsão se tornar, pelo menos temporariamente, estável, a aplicação de os ultra-sons podem ser necessários apenas numa fase inicial da reação química. Um reator ultrassónico em linha para a mistura inicial dos reagentes e do catalisador pode gerar partículas/gotículas de tamanho fino num período de tempo muito curto e a taxas de fluxo elevadas. Pode ser aplicado mesmo a meios altamente viscosos.
Transferência de massa
Quando os reagentes reagem numa fronteira de fase, os produtos da reação química acumulam-se na superfície de contacto. Isto impede que outras moléculas de reagentes interajam nesta fronteira de fase. As forças de cisalhamento mecânicas causadas por jactos cavitacionais e jactos acústicos resultam num fluxo turbulento e no transporte de material de e para as superfícies das partículas ou gotículas. No caso das gotículas, o elevado cisalhamento pode levar à coalescência e subsequente formação de novas gotículas. medida que a reação química progride ao longo do tempo, pode ser necessária uma sonicação repetida, por exemplo, em duas fases ou em recirculação, para maximizar a exposição dos reagentes.
Entrada de energia
A cavitação ultra-sónica é uma forma única de colocar energia em reacções químicas. Uma combinação de jactos de líquido de alta velocidade, alta pressão (>1000atm) e temperaturas elevadas (>5000K), enormes taxas de aquecimento e arrefecimento (>109Ks-1) ocorrem localmente concentrados durante a compressão implosiva de bolhas cavitacionais. Kenneth Suslick diz: “A cavitação é um método extraordinário de concentrar a energia difusa do som numa forma quimicamente utilizável.”
Aumento da reatividade
Erosão cavitacional em superfícies de partículas gera superfícies não passivadas e altamente reactivas. As temperaturas e pressões elevadas de curta duração contribuem para decomposição molecular e aumento da reatividade de muitas espécies químicas. A irradiação ultra-sónica pode ser utilizada na preparação de catalisadores, por exemplo, para produzir agregados de partículas de tamanho fino. Isto produz catalisadores amorfos partículas de superfície específica elevada área. Devido a esta estrutura agregada, estes catalisadores podem ser separados dos produtos de reação (isto é, por filtração).
Limpeza por ultra-sons
Muitas vezes, a catálise envolve subprodutos indesejados, contaminações ou impurezas nos reagentes. Isto pode levar à degradação e incrustação na superfície de catalisadores sólidos. A incrustação reduz a superfície exposta do catalisador e, por conseguinte, reduz a sua eficiência. É necessário removê-la durante o processo ou em intervalos de reciclagem utilizando outros produtos químicos do processo. A ultra-sons é um meio eficaz para limpar catalisadores ou auxiliar o processo de reciclagem de catalisadores. A limpeza por ultra-sons é provavelmente a aplicação mais comum e conhecida dos ultra-sons. O impacto de jactos de líquido cavitacional e ondas de choque de até 104atm podem criar forças de cisalhamento localizadas, erosão e perfuração da superfície. Para partículas de tamanho fino, as colisões inter-partículas de alta velocidade levam à erosão da superfície e até mesmo trituração e moagem. Estas colisões podem causar temperaturas de impacto transitórias locais de cerca de 3000K. Suslick demonstrou que a ultrassonografia é eficaz remove os revestimentos de óxido da superfície. A remoção de tais revestimentos passivantes melhora drasticamente as taxas de reação para uma grande variedade de reacções (Suslick 2008). A aplicação de ultra-sons ajuda a reduzir o problema de incrustação de um catalisador sólido disperso durante a catálise e contribui para a limpeza durante o processo de reciclagem do catalisador.
Exemplos de catálise por ultra-sons
Existem numerosos exemplos de catálise assistida por ultra-sons e de preparação ultra-sónica de catalisadores heterogéneos. Recomendamos a sonocatálise artigo de Kenneth Suslick para uma introdução completa. A Hielscher fornece reactores de ultra-sons para a preparação de catalisadores ou catálise, como o transesterificação catalítica para a produção de ésteres metílicos (ou seja, ésteres metílicos gordos = biodiesel).
Equipamento de ultra-sons para sonocatálise
A Hielscher fabrica aparelhos de ultra-sons para utilização em qualquer escala e para um variedade de processos. Isto inclui sonicação em laboratório em pequenos frascos, bem como reactores industriais e células de fluxo. Para o teste inicial do processo em escala de laboratório, o UP400S (400 watts) é muito adequado. Pode ser utilizado para processos em lote, bem como para a sonicação em linha. Para testar e otimizar o processo antes do aumento de escala, recomendamos a utilização do UIP1000hd (1000 watts)A nossa unidade é muito adaptável e os resultados podem ser escalonados linearmente para qualquer capacidade maior. Para a produção em grande escala, oferecemos dispositivos ultra-sónicos de até 10kW e 16kW potência ultra-sónica. Os grupos de várias unidades deste tipo proporcionam capacidades de processamento muito elevadas.
Teremos todo o prazer em apoiar o seu processo de teste, otimização e aumento de escala. Fale connosco sobre o equipamento adequado ou visite o nosso laboratório de processos.
Literatura sobre Sonocatálise e Catálise Assistida por Ultra-sons
Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Cavitação acústica e suas consequências químicas, em: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “sonocatálise” Em Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.
Literatura sobre a Sonokatalyse e a Katalyse ultra-sónica
Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Cavitação acústica e suas consequências químicas, em: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “sonocatálise” Em Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.