Reacções e Síntese Sonoquímicas
A sonoquímica é a aplicação de ultra-sons a reacções e processos químicos. O mecanismo que causa os efeitos sonoquímicos nos líquidos é o fenómeno da cavitação acústica.
Os aparelhos ultra-sónicos de laboratório e industriais da Hielscher são utilizados numa vasta gama de processos sonoquímicos. A cavitação ultra-sónica intensifica e acelera as reacções químicas, tais como a síntese e a catálise.
reacções sonoquímicas
Os seguintes efeitos sonoquímicos podem ser observados em reacções e processos químicos:
- aumento da velocidade de reação
- aumento do rendimento da reação
- utilização mais eficiente da energia
- métodos sonoquímicos para comutação da via de reação
- melhoria do desempenho dos catalisadores de transferência de fase
- evitar a utilização de catalisadores de transferência de fase
- utilização de reagentes brutos ou técnicos
- ativação de metais e sólidos
- aumento da reatividade dos reagentes ou catalisadores (clique aqui para saber mais sobre a catálise assistida por ultra-sons)
- melhoria da síntese de partículas
- revestimento de nanopartículas
7 homogeneizadores ultra-sónicos da modelo UIP1000hdT (7x 1kW de potência ultra-sónica) instaladas como agregado para reacções sonoquímicas à escala industrial.
Vantagens das reacções químicas intensificadas por ultra-sons
As reacções químicas promovidas por ultra-sons são uma técnica estabelecida de intensificação de processos no domínio da síntese e processamento químicos. 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 ultra-rápidas, excelentes rendimentos, maior seletividade, melhor eficiência energética e menor impacto ambiental são as principais vantagens das reacções sonoquímicas.
A tabela abaixo mostra algumas vantagens proeminentes da reação promovida por ultra-sons em relação às reacções químicas convencionais:
| reação | tempo de reação Convencional |
tempo de reação Ultra-sons |
rendimento Convencional (%) |
rendimento Ultra-sons (%) |
|---|---|---|---|---|
| Ciclização de Diels-Alder | 35 h | 3.5 h | 77.9 | 97.3 |
| Oxidação do indano em indano-1-ona | 3 h | 3 h | menos de 27% | 73% |
| Redução do 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 do 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 UIllmann do 2-iodonitrobenzeno | 2 h | 2H | menos de 1,5% | 70.4% |
| Reação de Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Cavitação ultra-sónica em líquidos
Cavitação, ou seja, a formação, crescimento e colapso implosivo de bolhas num líquido. O colapso cavitacional produz um intenso aquecimento local (~5000 K), altas pressões (~1000 atm) e enormes taxas de aquecimento e arrefecimento (>109 K/seg) e jactos de líquido (~400 km/h). (Suslick 1998)
Cavitação utilizando 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 servem para superar as forças de coesão e adesão dentro do líquido.
A cavitação pode ser produzida de diferentes formas, tais como bocais Venturi, bocais de alta pressão, rotação a alta velocidade ou transdutores ultra-sónicos. Em todos estes sistemas, a energia de entrada é transformada em fricção, turbulências, ondas e cavitação. A fração da energia de entrada que é transformada em cavitação depende de vários factores que descrevem o movimento do equipamento gerador de cavitação no líquido.
A intensidade da aceleração é um dos factores mais importantes que influenciam a transformação eficiente da energia em cavitação. Uma maior aceleração cria maiores diferenças de pressão. Isto, 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 for a aceleração, maior é a fração da energia que é transformada em cavitação. No caso de um transdutor ultrassónico, a intensidade da aceleração é descrita pela amplitude da oscilação.
Amplitudes mais elevadas resultam numa criação mais eficaz de cavitação. Os dispositivos industriais da Hielscher Ultrasonics podem criar amplitudes de até 115 µm. Estas amplitudes elevadas permitem um elevado rácio de transmissão de potência que, por sua vez, permite criar densidades de potência elevadas até 100 W/cm³.
Para além da intensidade, o líquido deve ser acelerado de forma a criar perdas mínimas em termos de turbulências, fricção e geração de ondas. Para isso, a forma ideal é uma direção de movimento unilateral.
Reator ultrassónico com 16.000 watts para transesterificação em linha melhorada por sonoquímica.
- preparação de metais activados por redução de sais metálicos
- geração de metais activados 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 de halogenetos metálicos em suportes
- preparação de soluções de metais activados
- reacções que envolvem metais através de espécies de organoelementos geradas in situ
- reacções que envolvem sólidos não metálicos
- cristalização e precipitação de metais, ligas, zeólitos e outros sólidos
- modificação da morfologia da superfície e do tamanho das partículas por colisões interpartículas a alta velocidade
- formação de materiais nanoestruturados amorfos, incluindo metais de transição de elevada 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 inorgânicos em camadas do hospedeiro
- 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 para o teste de processos, recomendamos os nossos dispositivos de laboratório ou o Conjunto UIP1000hdT.
Se necessário, dispositivos e reactores ultra-sónicos com certificação FM e ATEX (por exemplo UIP1000-Exd) estão disponíveis para a sonicação de produtos químicos inflamáveis e formulações de produtos em ambientes perigosos.
Cavitação ultra-sónica altera as reacções de abertura do anel
A ultrassonografia é um mecanismo alternativo ao calor, à pressão, à luz ou à eletricidade para iniciar reacções químicas. Jeffrey S. MooreCharles R. Hickenboth, e a sua equipa no Faculdade de Química da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign utilizaram a energia ultra-sónica para desencadear e manipular reacções de abertura de anéis. Sob sonicação, as reacções químicas geraram produtos diferentes dos previstos pelas regras de simetria orbital (Nature 2007, 446, 423). O grupo ligou isómeros de benzociclobuteno 1,2-dissubstituídos mecanicamente sensíveis a duas cadeias de polietilenoglicol, aplicou energia ultra-sónica e analisou as soluções a granel utilizando C13 espetroscopia de ressonância magnética nuclear. Os espectros mostraram que tanto os isómeros cis como trans fornecem o mesmo produto de abertura do anel, o que se espera do isómero trans. Enquanto a energia térmica provoca o movimento browniano aleatório dos reagentes, a energia mecânica de ultra-sons fornece uma direção para os movimentos atómicos. Portanto, os efeitos cavitacionais direcionam eficientemente a energia ao esticar a molécula, remodelando a superfície de energia potencial.
Ultrassons do tipo sonda como o UP400ST intensificar a síntese de nanopartículas. A via sonoquímica é simples, eficaz, rápida e funciona com produtos químicos não tóxicos em condições suaves.
Ultrasonicators de alto desempenho para Sonochemistry
A Hielscher Ultrasonics fornece processadores de ultra-sons para laboratório e indústria. Todos os ultrassons da Hielscher são máquinas de ultra-sons muito potentes e robustas, construídas para um funcionamento contínuo 24 horas por dia, 7 dias por semana, em plena carga. O controlo digital, as definições programáveis, a monitorização da temperatura, o protocolo automático de dados e o controlo remoto através do browser são apenas algumas das caraterísticas dos ultrassons Hielscher. Concebidos para um elevado desempenho e um funcionamento confortável, os utilizadores valorizam o manuseamento seguro e fácil do equipamento ultrassónico da Hielscher. Os processadores ultra-sónicos industriais Hielscher fornecem amplitudes até 200µm e são ideais para aplicações pesadas. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados.
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:
| Volume do 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.d. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | maior | grupo de UIP16000 |
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A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.
Literatura / 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 ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.