Reações e síntese sonoquímicas
A sonoquímica é a aplicação de ultrassons a reações e processos químicos. O mecanismo que provoca efeitos sonoquímicos em líquidos é o fenómeno da cavitação acústica.
Os dispositivos ultrassónicos laboratoriais e industriais da Hielscher são utilizados numa vasta gama de processos sonoquímicos. A cavitação ultrassónica intensifica e acelera reações químicas como a síntese e a catálise.
Reações sonoquímicas
Podem observar-se os seguintes efeitos sonoquímicos em reações e processos químicos:
- aumento da velocidade da reação
- aumento da produção da reação
- utilização mais eficiente da energia
- métodos sonoquímicos para alterar a via de reação
- melhoria do desempenho dos catalisadores de transferência de fase
- dispensa de catalisadores de transferência de fase
- utilização de reagentes brutos ou de grau técnico
- ativação de metais e sólidos
- aumento da reatividade dos reagentes ou catalisadores (clique aqui para saber mais sobre a catálise assistida por ultrassons)
- melhoria da síntese de partículas
- revestimento de nanopartículas
7 homogeneizadores ultrassónicos do modelo UIP1000hdT (7x 1kW de potência ultrassónica) instalados em conjunto para reações sonoquímicas à escala industrial.
Vantagens das reações químicas intensificadas por ultrassons
As reações químicas promovidas por ultrassons são uma técnica estabelecida de intensificação de processos no domínio da síntese e do processamento químicos. Ao aproveitar a potência das ondas ultrassónicas, estas reações oferecem inúmeras vantagens em relação aos métodos convencionais, melhorando a catálise e a síntese químicas. Taxas de conversão ultrarrápidas, excelentes rendimentos, maior seletividade, melhor eficiência energética e menor impacto ambiental são as principais vantagens das reações sonoquímicas.
A tabela abaixo apresenta algumas vantagens de destaque das reações promovidas por ultrassons em comparação com as reações químicas convencionais:
| Reação | Tempo de reação Convencional |
Tempo de reação Ultrassons |
Rendimento Convencional (%) |
Rendimento Ultrassons (%) |
|---|---|---|---|---|
| Ciclização de Diels-Alder | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oxidação de indano a indan-1-ona | 3 h | 3 h | menos de 27% | 73% |
| Redução de metoxiaminossilano | sem reação | 3 h | 0% | 100% |
| Epoxidação de ésteres gordos insaturados de cadeia longa | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxidação de arilalcanos | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Adição de Michael de nitroalcanos a ésteres α,β-insaturados monossubstituídos | 2 dias | 2 h | 85% | 90% |
| Oxidação de 2-octanol com permanganato | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Síntese de chalconas por condensação de Claisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Acoplamento de Ullmann de 2-iodonitrobenzeno | 2 h | 2h | menos de 1,5% | 70,4% |
| Reação de Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Cavitação ultrassónica em líquidos
A cavitação é a formação, o crescimento e o colapso implosivo de bolhas num líquido. O colapso cavitacional produz um aquecimento local intenso (~5000 K), pressões elevadas (~1000 atm), enormes taxas de aquecimento e arrefecimento (>10⁹ K/sec) e jatos de líquido (~400 km/h). (Suslick 1998)
Cavitação com o UIP1000hd:
As bolhas de cavitação são bolhas de vácuo. O vácuo é criado por uma superfície em movimento rápido de um lado e um líquido inerte do outro. As diferenças de pressão resultantes permitem superar as forças de coesão e adesão no interior do líquido.
A cavitação pode ser produzida de diferentes formas, como por bocais Venturi, bocais de alta pressão, rotação a alta velocidade ou transdutores ultrassónicos. Em todos estes sistemas, a energia fornecida é transformada em atrito, turbulência, ondas e cavitação. A fração da energia fornecida que é transformada em cavitação depende de vários fatores que descrevem o movimento do equipamento gerador de cavitação no líquido.
A intensidade da aceleração é um dos fatores mais importantes que influenciam a transformação eficiente de energia em cavitação. Uma aceleração maior cria diferenças de pressão maiores. Por sua vez, isto aumenta a probabilidade de criação de bolhas de vácuo em vez de ondas que se propagam através do líquido. Assim, quanto maior for a aceleração, maior será a fração da energia transformada em cavitação. No caso de um transdutor ultrassónico, a intensidade da aceleração é descrita pela amplitude de oscilação.
Amplitudes maiores resultam numa criação mais eficaz de cavitação. Os dispositivos industriais da Hielscher Ultrasonics podem gerar amplitudes de até 115 µm. Estas amplitudes elevadas permitem uma elevada proporção de transmissão de potência, o que, por sua vez, permite gerar densidades de potência elevadas de até 100 W/cm³.
Além da intensidade, o líquido deve ser acelerado de forma a gerar perdas mínimas em termos de turbulência, atrito e geração de ondas. Para tal, a forma ideal é uma direção de movimento unilateral.
Reator ultrassónico de 16 000 watts para transesterificação em linha melhorada por sonoquímica.
- preparação de metais ativados por redução de sais metálicos
- geração de metais ativados por sonicação
- síntese sonoquímica de partículas por precipitação de óxidos metálicos (Fe, Cr, Mn, Co), por exemplo, para utilização como catalisadores
- impregnação de metais ou halogenetos metálicos em suportes
- preparação de soluções metálicas ativadas
- reações envolvendo metais através de espécies organoelementares geradas in situ
- reações envolvendo sólidos não metálicos
- cristalização e precipitação de metais, ligas, zeolithes e outros sólidos
- modificação da morfologia superficial e do tamanho das partículas por colisões entre partículas a alta velocidade
- formação de materiais nanoestruturados amorfos, incluindo metais de transição, ligas, carbonetos, óxidos e coloides com elevada área superficial
- aglomeração de cristais
- alisamento e remoção do revestimento de óxido passivante
- micromanipulação (fracionamento) de pequenas partículas
- dispersão de sólidos
- preparação de coloides (Ag, Au, CdS de tamanho quântico)
- intercalação de moléculas hóspedes em sólidos inorgânicos lamelares hospedeiros
- sonoquímica de polímeros
- degradação e modificação de polímeros
- síntese de polímeros
- sonólise de poluentes orgânicos na água
Equipamento sonoquímico
A maioria dos processos sonoquímicos mencionados pode ser adaptada para funcionar em linha. Teremos todo o gosto em ajudá-lo a escolher o equipamento sonoquímico para as suas necessidades de processamento. Para a investigação e os ensaios de processos, recomendamos os nossos dispositivos laboratoriais ou o conjunto UIP1000hdT.
Se necessário, estão disponíveis dispositivos e reatores ultrassónicos com certificação FM e ATEX (por exemplo, UIP1000-Exd) para a sonicação de produtos químicos inflamáveis e formulações de produtos em ambientes perigosos.
A cavitação ultrassónica altera as reações de abertura de anel
A sonicação é um mecanismo alternativo ao calor, à pressão, à luz ou à eletricidade para iniciar reações químicas. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth e a sua equipa na Faculdade de Química da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign utilizaram potência ultrassónica para desencadear e manipular reações de abertura de anel. Sob sonicação, as reações químicas geraram produtos diferentes dos previstos pelas regras de simetria orbital (Nature 2007, 446, 423). O grupo ligou isómeros de benzociclobuteno 1,2-dissubstituído mecanicamente sensíveis a duas cadeias de polietilenoglicol, aplicou energia ultrassónica e analisou as soluções em volume por espectroscopia de ressonância magnética nuclear de C13 . Os espectros mostraram que tanto os isómeros cis como os trans originam o mesmo produto de abertura de anel, o esperado a partir do isómero trans. Enquanto a energia térmica provoca movimento browniano aleatório dos reagentes, a energia mecânica da sonicação confere uma direção aos movimentos atómicos. Por conseguinte, os efeitos cavitacionais direcionam eficientemente a energia ao deformar a molécula, remodelando a superfície de energia potencial.
Sonicadores do tipo sonda, como o UP400St , intensificam a síntese de nanopartículas. A via sonoquímica é simples, eficaz, rápida e funciona com produtos químicos não tóxicos em condições suaves.
Sonicadores de elevado desempenho para sonoquímica
A Hielscher Ultrasonics fornece processadores ultrassónicos para laboratório e indústria. Todos os sonicadores Hielscher são máquinas de ultrassons muito potentes e robustas, construídas para funcionamento contínuo 24/7 sob carga total. Controlo digital, definições programáveis, monitorização da temperatura, registo automático de dados e controlo remoto através do navegador são apenas algumas das características dos sonicadores Hielscher. Concebidos para um elevado desempenho e uma operação confortável, os equipamentos da Hielscher Ultrasonics são valorizados pelos utilizadores pela sua utilização segura e fácil. Os processadores ultrassónicos industriais Hielscher proporcionam amplitudes de até 200µm e são ideais para aplicações exigentes. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.
A tabela abaixo dá uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:
| Volume por lote | Caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20L | 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superior | conjunto de UIP16000 |
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A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.
Bibliografia / Referências
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
- Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis (2019): Chapter 4 ENERGY – PI Approaches in Thermodynamic Domain. in: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Published 2019 by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.(page 136)
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Barrera-Salgado, Karen; Ramírez-Robledo, Gabriela; Alvarez-Gallegos, Alberto; Arellano, Carlos; Sierra, Fernando; Perez, J. A.; Silva Martínez, Susana (2016): Fenton Process Coupled to Ultrasound and UV Light Irradiation for the Oxidation of a Model Pollutant. Journal of Chemistry, 2016. 1-7.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho, desde a escala laboratorial até à escala industrial.