Sonoquímica e Reatores Sonoquímicos
A sonoquímica é o campo da química onde o ultrassom de alta intensidade é usado para induzir, acelerar e modificar reações químicas (síntese, catálise, degradação, polimerização, hidrólise, etc.). A cavitação gerada por ultrassom é caracterizada por condições únicas de densidade de energia, que promovem e intensificam as reações químicas. Taxas de reação mais rápidas, maiores rendimentos e o uso de reagentes verdes e mais suaves tornam a sonoquímica uma ferramenta muito vantajosa para obter reações químicas aprimoradas.
Sonoquímica
A sonoquímica é o campo de pesquisa e processamento no qual as moléculas sofrem uma reação química devido à aplicação de ultrassom de alta intensidade (por exemplo, 20 kHz). O fenômeno responsável pelas reações sonoquímicas é a cavitação acústica. A cavitação acústica ou ultrassônica ocorre quando poderosas ondas de ultrassom são acopladas a um líquido ou pasta. Devido aos ciclos alternados de alta / baixa pressão causados por ondas de ultrassom de potência no líquido, bolhas de vácuo (vazios cavitacionais) são geradas, que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. Quando a bolha de vácuo cavitacional atinge um certo tamanho em que não pode absorver mais energia, a bolha de vácuo implode violentamente e cria um ponto quente altamente denso em energia. Este ponto quente que ocorre localmente é caracterizado por temperaturas muito altas, pressões e microfluxo de jatos de líquido extremamente rápidos.

O reator de batelada fechada feito de aço inoxidável é equipado com o ultrassônico UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Cavitação acústica e efeitos da ultrassonografia de alta intensidade
A cavitação acústica, muitas vezes também chamada de cavitação ultrassônica, pode ser distinguida em duas formas, cavitação estável e transitória. Durante a cavitação estável, a bolha de cavitação oscila muitas vezes em torno de seu raio de equilíbrio, enquanto durante a cavitação transitória, na qual uma bolha de curta duração sofre mudanças dramáticas de volume em alguns ciclos acústicos e termina em um colapso violento (Suslick 1988). A cavitação estável e transitória pode ocorrer simultaneamente na solução e uma bolha submetida a cavitação estável pode se tornar uma cavidade transitória. A implosão da bolha, que é característica da cavitação transitória e da sonicação de alta intensidade, cria várias condições físicas, incluindo temperaturas muito altas de 5000 a 25.000 K, pressões de até vários 1000 bar e fluxos de líquido com velocidades de até 1000 m/s. Como o colapso / implosão das bolhas de cavitação ocorre em menos de um nanossegundo, taxas de aquecimento e resfriamento muito altas superiores a 1011 K/s podem ser observados. Essas altas taxas de aquecimento e diferenciais de pressão podem iniciar e acelerar as reações. Em relação aos fluxos de líquidos que ocorrem, esses microjatos de alta velocidade mostram benefícios especialmente altos quando se trata de pastas sólido-líquido heterogêneas. Os jatos de líquido colidem com a superfície com a temperatura e pressão totais da bolha em colapso e causam erosão por colisão entre partículas, bem como fusão localizada. Consequentemente, observa-se uma transferência de massa significativamente melhorada na solução.
A cavitação ultrassônica é gerada de forma mais eficaz em líquidos e solventes com baixas pressões de vapor. Portanto, meios com baixas pressões de vapor são favoráveis para aplicações sonoquímicas.
Como resultado da cavitação ultrassônica, as forças intensas criadas podem mudar as vias de reações para rotas mais eficientes, de modo que conversões mais completas e/ou a produção de subprodutos indesejados sejam evitadas.
O espaço denso em energia criado pelo colapso das bolhas de cavitação é chamado de 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.
Equipamentos de laboratório ultrassônicos, bem como reatores ultrassônicos industriais para processos sonoquímicos comerciais, estão prontamente disponíveis e comprovados como confiáveis, eficientes e ecologicamente corretos em escala de laboratório, piloto e totalmente industrial. As reações sonoquímicas podem ser realizadas como lote (ou seja, vaso aberto) ou processo em linha usando um reator de célula de fluxo fechado.
Sono-síntese
Sono-síntese ou síntese sonoquímica é a aplicação de cavitação gerada por ultrassom para iniciar e promover reações químicas. A ultrassonografia de alta potência (por exemplo, a 20 kHz) mostra fortes efeitos nas moléculas e nas 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 troca de vias químicas. A síntese sonoquímica é, portanto, intensamente utilizada para a fabricação ou modificação de uma ampla gama de materiais nanoestruturados. Exemplos de nanomateriais produzidos por meio de sono-síntese são nanopartículas (NPs) (por exemplo, NPs de ouro, NPs de prata), pigmentos, nanopartículas de casca de núcleo, nano-hidroxiapatita, estruturas orgânicas metálicas (MOFs), ingredientes farmacêuticos ativos (APIs), nanopartículas decoradas com microesferas, nanocompósitos entre muitos outros materiais.
Exemplos: Transesterificação ultrassônica de ésteres metílicos de ácidos graxos (biodiesel) ou A transesterificação de polióis usando ultrassom.

Imagem TEM (A) e sua distribuição granulométrica (B) de nanopartículas de prata (Ag-NPs), que foram sintetizadas sonoquimicamente em condições ótimas.
Também amplamente aplicada é a cristalização promovida por ultrassom (sono-cristalização), onde o ultrassom de potência é usado para produzir soluções supersaturadas, para iniciar a cristalização / precipitação e controlar o tamanho e a morfologia do cristal por meio de parâmetros de processo ultrassônicos. Clique aqui para saber mais sobre a sonocristalização!
sono-catálise
A sonicação de uma suspensão ou solução química pode melhorar significativamente as reações catalíticas. A energia sonoquímica reduz o tempo de reação, melhora a transferência de calor e massa, o que subsequentemente resulta em aumento das constantes de taxa química, rendimentos e seletividades.
Existem inúmeros processos catalíticos, que se beneficiam drasticamente da aplicação do ultrassom de potência e seus efeitos sonoquímicos. Qualquer reação heterogênea de catálise por transferência de fase (PTC) envolvendo dois ou mais líquidos imiscíveis ou uma composição líquido-sólido, se beneficia da sonicação, da energia sonoquímica e da transferência de massa aprimorada.
Por exemplo, a análise comparativa da oxidação de peróxido úmido catalítico silencioso e assistido por ultrassom de fenol em água revelou que a sonicação reduziu a barreira de energia da reação, mas não teve impacto na via da reação. A energia de ativação para a oxidação do fenol sobre RuI3 catalisador durante a sonicação foi encontrado em 13 kJ mol-1, que foi quatro vezes menor em comparação com o processo de oxidação silenciosa (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
A catálise sonoquímica é usada com sucesso para a fabricação de produtos químicos, bem como para a fabricação de materiais inorgânicos estruturados em mícrons e nanoestruturados, como metais, ligas, compostos metálicos, materiais não metálicos e compósitos inorgânicos. Exemplos comuns de PTC assistido por ultrassom são a transesterificação de ácidos graxos livres em éster metílico (biodiesel), hidrólise, saponificação de óleos vegetais, reação sono-Fenton (processos semelhantes a Fenton), degradação sonocatalítica, etc.
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A sonicação melhora a química do clique, como as reações de cicloadição de azida-alcino!
Outras aplicações sonoquímicas
Devido ao seu uso versátil, confiabilidade e operação simples, sistemas sonoquímicos como o UP400St ou UIP2000hdT são valorizados como equipamentos eficientes para reações químicas. Os dispositivos sonoquímicos Hielscher Ultrasonics podem ser facilmente usados para sonicação em linha contínua (béquer aberto) e contínua usando uma célula de fluxo sonoquímico. A sonoquímica, incluindo sonossíntese, sonocatálise, degradação ou polimerização, é amplamente utilizada em química, nanotecnologia, ciência dos materiais, farmacêutica, microbiologia, bem como em outras indústrias.

ultrassônico industrial UIP2000hdT (2kW) com reator sonoquímico em linha.
Equipamento sonoquímico de alto desempenho
A Hielscher Ultrasonics é o seu principal fornecedor de ultrassônicos inovadores e de última geração, células de fluxo sonoquímicas, reatores e acessórios para reações sonoquímicas eficientes e confiáveis. Todos os ultrassônicos Hielscher são projetados, fabricados e testados exclusivamente na sede da Hielscher Ultrasonics em Teltow (perto de Berlim), Alemanha. Além dos mais altos padrões técnicos e excelente robustez e operação 24/7/365 para uma operação altamente eficiente, os ultrassonicadores Hielscher são fáceis e confiáveis de operar. Alta eficiência, software inteligente, menu intuitivo, protocolo automático de dados e controle remoto do navegador são apenas alguns recursos 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 ultrassônica ou buzina) e é o principal fator de influência da cavitação ultrassônica. Amplitudes mais altas significam cavitação mais intensa. A intensidade necessária de cavitação depende fortemente do tipo de reação, dos reagentes químicos usados e dos resultados direcionados da reação sonoquímica específica. Isso significa que a amplitude deve ser ajustável com precisão para ajustar a intensidade da cavitação acústica ao nível ideal. Todos os ultrasonicadores Hielscher podem ser ajustados de forma confiável e precisa por meio de um controle digital inteligente para a amplitude ideal. As buzinas de reforço podem ser usadas adicionalmente para diminuir ou aumentar a amplitude mecanicamente. Ultrasonics’ Os processadores ultrassônicos industriais podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados.
Controle preciso da temperatura durante reações sonoquímicas
No ponto quente de cavitação, temperaturas extremamente altas de muitos milhares de graus Celsius podem ser observadas. No entanto, essas temperaturas extremas são limitadas localmente ao interior minúsculo e ao redor da bolha de cavitação implodindo. Na solução a granel, o aumento de temperatura da implosão de uma 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. Esse aumento na temperatura contribui para muitas reações químicas e é frequentemente considerado benéfico. No entanto, diferentes reações químicas têm diferentes temperaturas de reação ótimas. Quando materiais sensíveis ao calor são tratados, o controle de temperatura pode ser necessário. Para permitir condições térmicas ideais durante os processos sonoquímicos, a Hielscher Ultrasonics oferece várias soluções sofisticadas para controle preciso da temperatura durante os processos sonoquímicos, como reatores sonoquímicos e células de fluxo equipadas com camisas de resfriamento.
Nossas células de fluxo sonoquímico e reatores estão disponíveis com camisas de resfriamento, que suportam uma dissipação de calor eficaz. Para monitoramento contínuo da temperatura, os ultrasonicadores Hielscher são equipados com um sensor de temperatura conectável, que pode ser inserido no líquido para medição constante da temperatura em massa. O software sofisticado permite a configuração de uma faixa de temperatura. Quando o limite de temperatura é excedido, o ultrassônico pausa automaticamente até que a temperatura no líquido diminua para um determinado ponto de ajuste e comece a sonicar automaticamente novamente. Todas as medições de temperatura, bem como outros dados importantes do processo ultrassônico, são registrados automaticamente em um cartão SD integrado e podem ser revisados facilmente para controle do processo.
A temperatura é um parâmetro crucial dos processos sonoquímicos. A tecnologia elaborada da Hielscher ajuda você a manter a temperatura de sua aplicação sonoquímica na faixa de temperatura ideal.
- Alta eficiência
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- CIP (limpeza no local)

Reator sonoquímico: A sonicação intensa e a cavitação resultante iniciam e intensificam as reações químicas e podem mudar até mesmo os caminhos.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:
Volume do lote | Vazão | 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. | maior | cluster de UIP16000 |
Entre em contato conosco! / Pergunte-nos!

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratorial, piloto e industrial.
Exemplos de reação química aprimorada por ultrassom versus reações convencionais
A tabela abaixo fornece uma visão geral sobre várias reações químicas comuns. Para cada tipo de reação, a reação convencionalmente executada versus a reação intensificada por ultrassom são comparadas em relação ao rendimento e à velocidade de conversão.
reação | Tempo de reação – Convencional | Tempo de reação – Ultrasonics | rendimento – Convencional (%) | rendimento – Ultrassom (%) |
---|---|---|---|---|
Ciclização de Diels-Alder | 35 h | 3,5 h | 77.9 | 97.3 |
Oxidação de indano em indano-1-ona | 3 h | 3 h | menos de 27% | 73% |
Redução de metoxiaminosilano | 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% |
Michael adição de nitroalcanos a ésteres α,β-insaturados monossubstituídos | 2 dias | 2 h | 85% | 90% |
Oxidação de permanganato de 2-octanol | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
Síntese de chalconas por condensação de CLaisen-Schmidt | 60 minutos | 10 minutos | 5% | 76% |
Acoplamento de 2-iodonitrobenzeno | 2 h | 2H | menos bronzeado 1,5% | 70.4% |
Reação de Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
(cf. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis: Os Fundamentos da Intensificação do Processo, Primeira Edição. Publicado em 2019 por Wiley)
Literatura / Referências
- 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.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de labrador Para tamanho industrial.