Sonoquímica e Reactores Sonoquímicos

A sonoquímica é o campo da química em que os ultra-sons de alta intensidade são utilizados para induzir, acelerar e modificar reacções químicas (síntese, catálise, degradação, polimerização, hidrólise, etc.). A cavitação gerada por ultra-sons é caracterizada por condições únicas de densidade de energia, que promovem e intensificam as reacções químicas. Taxas de reação mais rápidas, rendimentos mais altos e o uso de reagentes verdes e mais suaves transformam a sonoquímica em uma ferramenta muito vantajosa para obter reações químicas melhoradas.

Sonoquímica

A sonoquímica é o campo de investigação e processamento no qual as moléculas sofrem uma reação química devido à aplicação de ultra-sons de alta intensidade (por exemplo, 20 kHz). O fenómeno responsável pelas reacções sonoquímicas é a cavitação acústica. A cavitação acústica ou ultra-sónica ocorre quando ondas de ultra-sons potentes são acopladas a um líquido ou a uma pasta. Devido aos ciclos alternados de alta pressão/baixa pressão causados pelas ondas de ultra-sons potentes no líquido, são geradas bolhas de vácuo (vazios cavitacionais), que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. Quando a bolha de vácuo cavitacional atinge um determinado tamanho em que não pode absorver mais energia, a bolha de vácuo implode violentamente e cria um ponto quente altamente denso em termos de energia. Este ponto quente, que ocorre localmente, caracteriza-se por temperaturas e pressões muito elevadas e pelo microfluxo de jactos de líquido extremamente rápidos.

Cavitação acústica e efeitos da ultrassonografia de alta intensidade

A cavitação acústica, muitas vezes também chamada cavitação ultra-sónica, pode ser distinguida em duas formas, cavitação estável e transiente. Durante a cavitação estável, a bolha de cavitação oscila muitas vezes em torno do seu raio de equilíbrio, enquanto que durante a cavitação transitória, em que uma bolha de curta duração sofre alterações dramáticas de volume em poucos ciclos acústicos e termina num colapso violento (Suslick 1988). A cavitação estável e a cavitação transitória podem ocorrer simultaneamente na solução e uma bolha em cavitação estável pode tornar-se numa cavidade transitória. A implosão da bolha, que é caraterística da cavitação transitória e da sonicação de alta intensidade, cria várias condições físicas, incluindo temperaturas muito elevadas de 5000-25.000 K, pressões de até vários 1000 bar e fluxos de líquido com velocidades de até 1000m/s. Uma vez que o colapso/implosão das bolhas de cavitação ocorre em menos de um nanossegundo, taxas de aquecimento e arrefecimento muito elevadas, superiores a 10¹¹ K/s podem ser observados. Estas elevadas taxas de aquecimento e diferenciais de pressão podem iniciar e acelerar reacções. No que diz respeito aos fluxos de líquido que ocorrem, estes microjactos de alta velocidade mostram benefícios especialmente elevados quando se trata de lamas heterogéneas sólido-líquido. Os jactos de líquido incidem sobre a superfície com a temperatura e pressão totais da bolha em colapso e causam erosão através da colisão entre partículas, bem como fusão localizada. Consequentemente, observa-se uma transferência de massa significativamente melhorada na solução.

A cavitação ultra-sónica é gerada de forma mais eficaz em líquidos e solventes com baixas pressões de vapor. Por conseguinte, os meios com baixas pressões de vapor são favoráveis para aplicações sonoquímicas.
Como resultado da cavitação ultra-sónica, as forças intensas criadas podem mudar as vias das reacções para vias mais eficientes, de modo a evitar conversões mais completas e/ou a produção de subprodutos indesejados.
O espaço denso em energia criado pelo colapso das bolhas de cavitação é designado por ponto quente. O ultrassom de baixa frequência e alta potência na faixa de 20kHz e a capacidade de criar altas amplitudes estão bem estabelecidos para a geração de pontos quentes intensos e as condições sonoquímicas favoráveis.

O equipamento ultrassónico de laboratório, bem como os reactores ultrassónicos industriais para processos sonoquímicos comerciais, estão facilmente disponíveis e provaram ser fiáveis, eficientes e amigos do ambiente à escala laboratorial, piloto e totalmente industrial. As reacções sonoquímicas podem ser realizadas em lotes (ou seja, em recipientes abertos) ou em linha, utilizando um reator de célula de fluxo fechado.

Sono-síntese

A sono-síntese ou síntese sonoquímica é a aplicação da cavitação gerada por ultra-sons para iniciar e promover reacções químicas. A ultrassonografia de alta potência (por exemplo, a 20 kHz) apresenta fortes efeitos sobre as moléculas e as ligações químicas. Por exemplo, os efeitos sonoquímicos resultantes da sonicação intensa podem resultar na divisão de moléculas, na criação de radicais livres e/ou na mudança de vias químicas. A síntese sonoquímica é, por conseguinte, intensamente utilizada para o fabrico ou modificação de uma vasta gama de materiais nano-estruturados. Exemplos de nanomateriais produzidos através da sono-síntese são as nanopartículas (NPs) (por exemplo, NPs de ouro, NPs de prata), pigmentos, nano-partículas core-shell, nano-hidroxiapatite, estruturas orgânicas metálicas (MOFs)ingredientes farmacêuticos activos (API), nanopartículas decoradas com microesferas, nanocompósitos, entre muitos outros materiais.
Exemplos: Transesterificação ultra-sónica de ésteres metílicos de ácidos gordos (biodiesel) OU a transesterificação de polióis por ultra-sons.

Imagem TEM (A) e a sua distribuição de tamanho de partícula (B) de nanopartículas de prata (Ag-NPs), que foram sintetizadas sonoquimicamente em condições óptimas.

Também amplamente aplicada é a cristalização ultrassonicamente promovida (sono-cristalização), onde o ultrassom de potência é um usado para produzir soluções supersaturadas, para iniciar a cristalização / precipitação, e controlar o tamanho do cristal e morfologia através de parâmetros de processo de ultrassom. Clique aqui para saber mais sobre a sono-cristalização!

sono-catálise

A sonicação de uma suspensão ou solução química pode melhorar significativamente as reacções catalíticas. A energia sonoquímica reduz o tempo de reação, melhora a transferência de calor e de massa, o que subsequentemente resulta num aumento das constantes de velocidade química, rendimentos e selectividades.
Existem numerosos processos catalíticos, que beneficiam drasticamente da aplicação de ultra-sons de potência e dos seus efeitos sonoquímicos. Qualquer reação de catálise de transferência de fase heterogénea (PTC) que envolva dois ou mais líquidos imiscíveis ou uma composição líquido-sólido, beneficia da sonicação, da energia sonoquímica e da transferência de massa melhorada.
Por exemplo, a análise comparativa da oxidação catalítica silenciosa e assistida por ultra-sons do peróxido húmido de fenol em água revelou que a sonicação reduziu a barreira energética da reação, mas não teve qualquer impacto na via de reação. A energia de ativação para a oxidação do fenol sobre RuI₃ do catalisador durante a sonicação foi de 13 kJ mol^-1que foi quatro vezes menor em comparação com o processo de oxidação silenciosa (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
A catálise sonoquímica é utilizada com êxito no fabrico de produtos químicos, bem como no fabrico de materiais inorgânicos micro e nano-estruturados, tais como metais, ligas, compostos metálicos, materiais não metálicos e compósitos inorgânicos. Exemplos comuns de PTC assistidos por ultra-sons são a transesterificação de ácidos gordos livres em ésteres metílicos (biodiesel), a hidrólise, a saponificação de óleos vegetais, a reação de Fenton sonoro (processos do tipo Fenton), a degradação sonocatalítica, etc.
Leia mais sobre a sono-catálise e aplicações específicas!
A sonicação melhora a química de clique, como as reacções de cicloadição azida-alquina!

Outras aplicações sonoquímicas

Devido à sua versatilidade de utilização, fiabilidade e simplicidade de funcionamento, os sistemas sonoquímicos, como o UP400ST OU UIP2000hdT são valorizados como equipamento eficiente para reacções químicas. Os dispositivos sonoquímicos da Hielscher Ultrasonics podem ser facilmente utilizados para a sonicação em lote (copo aberto) e contínua em linha utilizando uma célula de fluxo sonoquímico. Sonochemistry incluindo sono-síntese, sono-catálise, degradação, ou polimerização são amplamente utilizados em química, nanotecnologia, ciência dos materiais, produtos farmacêuticos, microbiologia, bem como em outras indústrias.

Equipamento sonoquímico de alto desempenho

Hielscher Ultrasonics é o seu principal fornecedor de ultrasonicators inovador, state-of-the-art, célula de fluxo sonoquímica, reatores e acessórios para reações sonoquímicas eficientes e confiáveis. Todos os ultrasonicators Hielscher são exclusivamente concebidos, fabricados e testados na sede da Hielscher Ultrasonics em Teltow (perto de Berlim), Alemanha. Para além dos mais elevados padrões técnicos, de uma robustez excecional e de um funcionamento 24/7/365 para uma operação altamente eficiente, os ultrassons Hielscher são fáceis e fiáveis de operar. Alta eficiência, software inteligente, menu intuitivo, protocolo automático de dados e controlo remoto do navegador são apenas algumas das caraterísticas que distinguem a Hielscher Ultrasonics de outros fabricantes de equipamentos sonoquímicos.

Amplitudes ajustáveis com precisão

A amplitude é o deslocamento na frente (ponta) do sonotrodo (também conhecido como sonda ultra-sónica ou corneta) e é o principal fator de influência da cavitação ultra-sónica. Amplitudes mais altas significam cavitação mais intensa. A intensidade necessária da cavitação depende fortemente do tipo de reação, dos reagentes químicos utilizados e dos resultados pretendidos da reação sonoquímica específica. Isto significa que a amplitude deve ser precisamente ajustável, a fim de sintonizar a intensidade da cavitação acústica para o nível ideal. Todos os ultrassons Hielscher podem ser ajustados de forma fiável e precisa através de um controlo digital inteligente para a amplitude ideal. As buzinas de reforço podem ser utilizadas adicionalmente para diminuir ou aumentar a amplitude mecanicamente. Ultra-sons’ Os processadores ultra-sónicos industriais podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em operação 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados.

Controlo preciso da temperatura durante as reacções sonoquímicas

No ponto quente da cavitação, podem ser observadas temperaturas extremamente elevadas de muitos milhares de graus Celsius. No entanto, estas temperaturas extremas são limitadas localmente ao interior minúsculo e ao redor da bolha de cavitação em implosão. Na solução a granel, o aumento de temperatura da implosão de uma única ou poucas bolhas de cavitação é insignificante. Mas a sonicação contínua e intensa por períodos mais longos pode causar um aumento incremental da temperatura do líquido a granel. Este aumento de temperatura contribui para muitas reacções químicas e é frequentemente considerado benéfico. No entanto, diferentes reacções químicas têm diferentes temperaturas óptimas de reação. Quando são tratados materiais sensíveis ao calor, pode ser necessário um controlo da temperatura. A fim de permitir condições térmicas ideais durante os processos sonoquímicos, a Hielscher Ultrasonics oferece várias soluções sofisticadas para um controlo preciso da temperatura durante os processos sonoquímicos, tais como reactores sonoquímicos e células de fluxo equipadas com camisas de arrefecimento.
Nossas células de fluxo sonoquímico e reatores estão disponíveis com jaquetas de resfriamento, que suportam uma dissipação de calor eficaz. Para a monitorização contínua da temperatura, ultrasonicators Hielscher estão equipados com um sensor de temperatura plugável, que pode ser inserido no líquido para a medição constante da temperatura a granel. Um software sofisticado permite a definição de um intervalo de temperatura. Quando o limite de temperatura é excedido, o ultrassom faz uma pausa automática até que a temperatura no líquido tenha baixado para um determinado ponto de ajuste e começa automaticamente a sonicar novamente. Todas as medições de temperatura, bem como outros dados importantes do processo ultrassónico, são automaticamente registados num cartão SD incorporado e podem ser facilmente revistos para controlo do processo.
A temperatura é um parâmetro crucial dos processos sonoquímicos. A tecnologia elaborada da Hielscher ajuda-o a manter a temperatura da sua aplicação sonoquímica no intervalo de temperatura ideal.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: