Sonocatálise – Catálise assistida por ultrassom

A ultrassonografia afeta a reatividade do catalisador durante a catálise por transferência de massa aprimorada e entrada de energia. Na catálise heterogênea, onde o catalisador está em uma fase diferente dos reagentes, a dispersão ultrassônica 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 catálise. A influência na taxa de reação depende da frequência de contato dos reagentes na etapa de determinação da taxa. Em geral, os catalisadores aumentam a taxa de reação e diminuem a energia de ativação, fornecendo uma via de reação alternativa ao produto da reação. Para isso, os catalisadores reagem com um ou mais reagentes para formar intermediários que posteriormente dão o produto final. A última etapa regenera o catalisador. Por Reduzindo a energia de ativação, mais colisões moleculares têm a energia necessária para atingir o estado de transição. Em alguns casos, são usados catalisadores para alterar a seletividade de uma reação química.

O diagrama à direita ilustra o efeito de um catalisador em uma reação química X + Y para produzir Z. O catalisador fornece uma via alternativa (verde) com uma menor energia de ativação Ea.

Efeitos da ultrassonografia

O comprimento de onda acústico em líquidos varia de aprox. 110 a 0,15 mm para frequências entre 18kHz e 10MHz. Isso está significativamente acima das dimensões moleculares. Por esse motivo, não há acoplamento direto do campo acústico com moléculas de uma espécie química. Os efeitos da ultrassonografia são, em grande parte, resultado do cavitação ultrassônica em líquidos. Portanto, a catálise assistida por ultrassom requer que pelo menos um reagente esteja na fase líquida. A ultrassonografia contribui para a catálise heterogênea e homogênea de muitas maneiras. Os efeitos individuais podem ser promovidos ou reduzidos adaptando a amplitude ultrassônica e a pressão do líquido.

Dispersão e emulsificação ultrassônica

As reações químicas envolvendo reagentes e um catalisador de mais de uma fase (catálise heterogênea) são limitadas ao limite de fase, pois este é o único local onde o reagente e o catalisador estão presentes. A exposição dos reagentes e do catalisador entre si é uma Fator chave para muitas reações químicas multifásicas. Por esse motivo, a área de superfície específica do limite de fase torna-se influente para a taxa química de reação.

A ultrassonografia é um meio muito eficaz para o Dispersão de sólidos e para o emulsificação de líquidos. Ao reduzir o tamanho da partícula/gota, a área total da superfície do limite 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 esféricas ou gotículas (Clique para ampliá-la!). À medida que a superfície do limite de fase aumenta, também aumenta a taxa de reação química. Para muitos materiais, a cavitação ultrassônica pode fazer partículas e gotículas de tamanho muito fino – muitas vezes significativamente abaixo de 100 nanômetros. Se a dispersão ou emulsão se tornar pelo menos temporariamente estável, a aplicação de O ultrassom pode ser necessário apenas em uma fase inicial da reação química. Um reator ultrassônico em linha para a mistura inicial dos reagentes e do catalisador pode gerar partículas/gotículas de tamanho fino em um tempo muito curto e em altas taxas de fluxo. Pode ser aplicado até mesmo em meios altamente viscosos.

Transferência de massa

Quando os reagentes reagem em um limite de fase, os produtos da reação química se acumulam na superfície de contato. Isso impede que outras moléculas reagentes interajam neste limite de fase. As forças de cisalhamento mecânico causadas por correntes de jato cavitacionais e fluxo acústico resultam em fluxo turbulento e transporte de material de e para superfícies de partículas ou gotículas. No caso de gotículas, o alto cisalhamento pode levar à coalescência e subsequente formação de novas gotículas. À medida que a reação química progride ao longo do tempo, pode ser necessária uma sonicação repetida, por exemplo, em dois estágios ou recirculação, para maximizar a exposição dos reagentes.

Entrada de energia

A cavitação ultrassônica é uma maneira única de colocar energia em reações químicas. Uma combinação de jatos de líquido de alta velocidade, alta pressão (>1000atm) e altas temperaturas (>5000K), enormes taxas de aquecimento e resfriamento (>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 em uma forma quimicamente utilizável.”

Aumento da reatividade

Erosão cavitacional em superfícies de partículas gera superfícies não passivadas e altamente reativas. Altas temperaturas e pressões de curta duração contribuem para decomposição molecular e aumentar a reatividade de muitas espécies químicas. A irradiação ultrassônica pode ser usada na preparação de catalisadores, por exemplo, para produzir agregados de partículas de tamanho fino. Isso produz catalisadores amorfos partículas de alta superfície específica área. Devido a essa estrutura agregada, esses catalisadores podem ser separados dos produtos da reação (ou seja, por filtração).

Limpeza ultrassônica

Muitas vezes, a catálise envolve subprodutos indesejados, contaminações ou impurezas nos reagentes. Isso pode levar à degradação e incrustação na superfície de catalisadores sólidos. A incrustação reduz a superfície exposta do catalisador e, portanto, reduz sua eficiência. Não precisa ser removido durante o processo ou em intervalos de reciclagem usando outros produtos químicos de processo. A ultrassonografia é um meio eficaz de catalisadores limpos ou auxiliar no processo de reciclagem de catalisadores. A limpeza ultrassônica é provavelmente a aplicação mais comum e conhecida do ultrassom. O impacto de jatos de líquido cavitacional e ondas de choque de até 10⁴O ATM pode criar forças de cisalhamento localizadas, erosão e corrosão superficial. Para partículas de tamanho fino, colisões entre partículas de alta velocidade levam à erosão superficial e até mesmo Moagem e moagem. Essas colisões podem causar temperaturas de impacto transientes locais de aprox. 3000K. Suslick demonstrou que a ultrassonografia efetivamente remove revestimentos de óxido de superfície. A remoção de tais revestimentos passivantes melhora drasticamente as taxas de reação para uma ampla variedade de reações (Suslick 2008). A aplicação de ultrassom ajuda a diminuir o problema de incrustação de um catalisador disperso sólido durante a catálise e contribui para a limpeza durante o processo de reciclagem do catalisador.

Exemplos de catálise ultrassônica

Existem inúmeros exemplos de catálise assistida por ultrassom e de preparação ultrassônica de catalisadores heterogêneos. Recomendamos o Sonocatálise artigo de Kenneth Suslick para uma introdução abrangente. A Hielscher fornece reatores ultrassônicos para a preparação de catalisadores ou catálise, como o Transesterificação catalítica para a produção de ésteres metílicos (isto é, éster metílico gordo = biodiesel).

Equipamento ultrassônico para sonocatálise

A Hielscher fabrica dispositivos ultrassônicos para uso em qualquer escala e para um Variedade de processos. Isso inclui Sonicação de laboratório em frascos pequenos, bem como Reatores industriais e células de fluxo. Para teste de processo inicial em escala de laboratório, o UP400S (400 watts) é muito adequado. Ele pode ser usado para processos em lote, bem como para sonicação em linha. Para teste e otimização de processos antes de aumentar a escala, recomendamos usar o método UIP1000hd (1000 watts), pois esta unidade é muito adaptável e os resultados podem ser dimensionados linearmente para qualquer capacidade maior. Para produção em grande escala, oferecemos dispositivos ultrassônicos de até 10kW e 16kW potência ultrassônica. Os clusters de várias dessas unidades fornecem capacidades de processamento muito altas.

Teremos o maior prazer em apoiar seus testes, otimização e aumento de escala de processos. Fale connosco sobre equipamentos adequados ou Visite nosso laboratório de processos.

Literatura sobre Sonocatálise e Catálise Assistida por Ultrassom

Suslick, K. S.; Oliveira, Y.; Presa, 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. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatálise” No Manual de Catálise Heterogênea, vol. 4; Ertl, G.; Oliveira, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.