Reações sonoquímicas e síntese

A sonoquímica é a aplicação do ultrassom a reações e processos químicos. O mecanismo que causa efeitos sonoquímicos em líquidos é o fenômeno da cavitação acústica.

Os dispositivos ultrassônicos de laboratório e industriais Hielscher são usados em uma ampla gama de processos sonoquímicos. A cavitação ultrassônica intensifica e acelera as reações químicas, como síntese e catálise.

reações sonoquímicas

Os seguintes efeitos sonoquímicos podem ser observados em reações e processos químicos:

• aumento na velocidade de reação
• aumento na produção de reação
• Uso mais eficiente de energia
• Métodos sonoquímicos para comutação da via de reação
• Melhoria de desempenho de catalisadores de transferência de fase
• Prevenção de catalisadores de transferência de fase
• utilização de reagentes brutos ou técnicos
• Ativação de metais e sólidos
• aumento da reactividade dos reagentes ou catalisadores (Clique aqui para ler mais sobre Catálise Assistida por Ultrassom)
• melhoria da síntese de partículas
• revestimento de nanopartículas

Vantagens das reações químicas intensificadas por ultrassom

As reações químicas promovidas por ultrassom são uma técnica estabelecida de intensificação de processos no campo da síntese e processamento químico. Ao aproveitar o poder das ondas de ultrassom, essas reações oferecem inúmeras vantagens sobre os métodos convencionais, melhorando a catálise química e a síntese. Taxas de conversão turborrápidas, excelentes rendimentos, maior seletividade, maior eficiência energética e impacto ambiental reduzido são as principais vantagens das reações sonoquímicas.

O golpe de mesa mostra algumas vantagens proeminentes da reação promovida por ultrassom versus reações químicas convencionais:

Cavitação ultrassônica em líquidos

Cavitação, que é a formação, crescimento e colapso implosivo de bolhas em um líquido. O colapso cavitacional produz intenso aquecimento local (~ 5000 K), altas pressões (~ 1000 atm) e enormes taxas de aquecimento e resfriamento (>109 K/s) e correntes de jato líquido (~400 km/h). (Suslick 1998)

Cavitação usando o UIP1000hd:

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 servem para superar as forças de coesão e adesão dentro do líquido.

A cavitação pode ser produzida de diferentes maneiras, como bicos Venturi, bicos de alta pressão, rotação de alta velocidade ou transdutores ultrassônicos. Em todos esses sistemas, a energia de entrada é transformada em atrito, turbulências, ondas e cavitação. A fração da energia de entrada 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. Maior aceleração cria maiores diferenças de pressão. Isso, por sua vez, aumenta a probabilidade de criação de bolhas de vácuo em vez da criação de ondas que se propagam através do líquido. Assim, quanto maior a aceleração, maior é a fração da energia que é transformada em cavitação. No caso de um transdutor ultrassônico, a intensidade da aceleração é descrita pela amplitude da oscilação.

Amplitudes mais altas resultam em uma criação mais eficaz de cavitação. Os dispositivos industriais da Hielscher Ultrasonics podem criar amplitudes de até 115 μm. Essas altas amplitudes permitem uma alta taxa de transmissão de potência, o que, por sua vez, permite criar altas densidades de potência de até 100 W/cm³.

Além da intensidade, o líquido deve ser acelerado de forma a criar perdas mínimas em termos de turbulências, atrito e geração de ondas. Para isso, a maneira ideal é uma direção unilateral de movimento.

• 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 uso como catalisadores
• impregnação de metais ou haletos metálicos em suportes
• Preparação de soluções de metais ativados
• reações envolvendo metais por meio de espécies de organoelementos geradas in situ
• reações envolvendo sólidos não metálicos
• cristalização e precipitação de metais, ligas, zeólitos e outros sólidos
• modificação da morfologia da superfície e tamanho de partícula por colisões entre partículas de alta velocidade
  • Formação de materiais nanoestruturados amorfos, incluindo metais de transição de alta área superficial, ligas, carbonetos, óxidos e colóides
  • aglomeração de cristais
  • alisamento e remoção do revestimento de óxido passivante
  • micromanipulação (fracionamento) de pequenas partículas
• Dispersão de sólidos
• preparação de colóides (Ag, Au, CdS de tamanho Q)
• Intercalação de moléculas convidadas em sólidos em camadas inorgânicas hospedeiras
• 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 o maior prazer em ajudá-lo a escolher o equipamento sonoquímico para suas necessidades de processamento. Para a pesquisa e para o teste de processos, recomendamos nossos dispositivos de laboratório ou o Conjunto UIP1000hdT.

Se necessário, dispositivos e reatores ultrassônicos certificados FM e ATEX (por exemplo, UIP1000-Exd) estão disponíveis para a sonicação de produtos químicos inflamáveis e formulações de produtos em ambientes perigosos.

A cavitação ultrassônica altera as reações de abertura do anel

A ultrassonografia é um mecanismo alternativo ao calor, pressão, luz ou eletricidade para iniciar reações químicas. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth e sua equipe no Faculdade de Química da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign usou energia ultrassônica para desencadear e manipular reações de abertura do anel. Sob sonicação, as reações químicas geraram produtos diferentes dos previstos pelas regras de simetria orbital (Nature 2007, 446, 423). O grupo ligou isômeros de benzociclobuteno 1,2-dissubstituídos mecanicamente sensíveis a duas cadeias de polietilenoglicol, aplicou energia ultrassônica e analisou as soluções a granel usando C¹³ espectroscopia de ressonância magnética nuclear. Os espectros mostraram que os isômeros cis e trans fornecem o mesmo produto de anel aberto, o esperado do isômero trans. Enquanto a energia térmica causa o movimento browniano aleatório dos reagentes, a energia mecânica da ultrassonografia fornece uma direção para os movimentos atômicos. Portanto, os efeitos cavitacionais direcionam eficientemente a energia, forçando a molécula, remodelando a superfície de energia potencial.

Ultrassonicadores de alto desempenho para sonoquímica

A Hielscher Ultrasonics fornece processadores ultrassônicos para laboratórios e indústrias. Todos os ultrasonicadores Hielscher são máquinas de ultrassom muito potentes e robustas e construídas para operação contínua 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total. Controle digital, configurações programáveis, monitoramento de temperatura, protocolo automático de dados e controle remoto do navegador são apenas alguns recursos dos ultrasonicadores Hielscher. Projetado para alto desempenho e operação confortável, os usuários valorizam o manuseio seguro e fácil do equipamento Hielscher Ultrasonics. Os processadores ultrassônicos industriais Hielscher oferecem amplitudes de até 200 μm e são ideais para aplicações pesadas. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: