Sonoquímica e reatores sonoquímicos

A sonoquímica é o ramo da química em que se utilizam ultrassons de alta intensidade para induzir, acelerar e modificar reações químicas (síntese, catálise, degradação, polimerização, hidrólise, etc.). A cavitação gerada por ultrassons caracteriza-se por condições únicas de elevada densidade energética, que promovem e intensificam as reações químicas. Velocidades de reação mais elevadas, rendimentos superiores e a utilização de reagentes ecológicos e mais suaves tornam a sonoquímica uma ferramenta muito vantajosa para obter reações químicas melhoradas.

Sonoquímica

A sonoquímica é o domínio de investigação e processamento em que as moléculas sofrem uma reação química devido à aplicação de ultrassons de alta intensidade (por exemplo, 20 kHz). O fenómeno responsável pelas reações sonoquímicas é a cavitação acústica. A cavitação acústica ou ultrassónica ocorre quando ondas ultrassónicas potentes são acopladas a um líquido ou a uma suspensão. Devido aos ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão provocados pelas ondas de ultrassons de potência no líquido, geram-se bolhas de vácuo (cavidades de cavitação), que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. Quando a bolha de vácuo de cavitação atinge uma determinada dimensão a partir da qual já não consegue absorver mais energia, implode violentamente e cria um ponto quente de elevada densidade energética. Este ponto quente, que ocorre localmente, caracteriza-se por temperaturas e pressões muito elevadas e por microescoamentos de jatos de líquido extremamente rápidos.

Cavitação acústica e efeitos da aplicação de ultrassons de alta intensidade

A cavitação acústica, muitas vezes também denominada cavitação ultrassónica, pode distinguir-se em duas formas: cavitação estável e transitória. Durante a cavitação estável, a bolha de cavitação oscila muitas vezes em torno do seu raio de equilíbrio, enquanto, durante a cavitação transitória, uma bolha de curta duração sofre alterações drásticas de volume em poucos ciclos acústicos, terminando num colapso violento (Suslick 1988). A cavitação estável e a transitória podem ocorrer simultaneamente na solução, e uma bolha em cavitação estável pode tornar-se uma cavidade transitória. A implosão da bolha, característica 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 correntes de líquido com velocidades de até 1000m/s. Como o colapso/implosão das bolhas de cavitação ocorre em menos de um nanossegundo, podem observar-se velocidades de aquecimento e arrefecimento muito elevadas, superiores a 10¹¹ K/s. Estas elevadas velocidades de aquecimento e diferenças de pressão podem iniciar e acelerar reações. No que diz respeito às correntes de líquido geradas, estes microjatos de alta velocidade apresentam benefícios particularmente elevados no caso de suspensões heterogéneas sólido–líquido. Os jatos de líquido atingem a superfície com toda a temperatura e pressão da bolha em colapso e provocam erosão por colisão entre partículas, bem como fusão localizada. Consequentemente, observa-se uma melhoria significativa da transferência de massa na solução.

A cavitação ultrassónica é gerada com a máxima eficácia em líquidos e solventes com baixas pressões de vapor. Por conseguinte, os meios com baixas pressões de vapor são favoráveis às aplicações sonoquímicas.
Como resultado da cavitação ultrassónica, as forças intensas criadas podem alterar as vias de reação para vias mais eficientes, de modo que se evitam conversões mais completas e/ou a produção de subprodutos indesejados.
O espaço de elevada densidade energética criado pelo colapso das bolhas de cavitação denomina-se ponto quente. A utilização de ultrassons de baixa frequência e alta potência na gama de 20kHz, com capacidade para gerar amplitudes elevadas, está bem estabelecida para a geração de pontos quentes intensos e de condições sonoquímicas favoráveis.

Os equipamentos ultrassónicos de laboratório, bem como os reatores ultrassónicos industriais para processos sonoquímicos comerciais, estão prontamente disponíveis e têm fiabilidade, eficiência e compatibilidade ambiental comprovadas à escala laboratorial, piloto e totalmente industrial. As reações sonoquímicas podem ser realizadas por lotes (isto é, num recipiente aberto) ou em linha, utilizando um reator fechado com célula de fluxo.

Sonossíntese

A sonossíntese, ou síntese sonoquímica, é a aplicação de cavitação gerada por ultrassons para iniciar e promover reações químicas. A aplicação de ultrassons de alta potência (por exemplo, a 20 kHz) produz efeitos fortes nas moléculas e nas ligações químicas. Por exemplo, os efeitos sonoquímicos resultantes de uma sonicação intensa podem provocar a cisão de moléculas, a criação de radicais livres e/ou a alteração de vias químicas. Por isso, a síntese sonoquímica é intensamente utilizada no fabrico ou na modificação de uma vasta gama de materiais nanoestruturados. Exemplos de nanomateriais produzidos por sonossíntese são nanopartículas (NPs) (por exemplo, NPs de ouro e NPs de prata), pigmentos, nanopartículas de núcleo–casca, nano-hidroxiapatite, estruturas metalorgânicas (MOFs), ingredientes farmacêuticos ativos (APIs), nanopartículas decoradas com microesferas, nanocompósitos, entre muitos outros materiais.
Exemplos: Transesterificação ultrassónica de ésteres metílicos de ácidos gordos (biodiesel) ou a transesterificação de polióis utilizando ultrassons.

Imagem de microscopia eletrónica de transmissão (TEM) (A) e respetiva distribuição de tamanho de partículas (B) de nanopartículas de prata (Ag-NPs), sintetizadas sonoquimicamente em condições ótimas.

Também amplamente aplicada é a cristalização promovida por ultrassons (sonocristalização), na qual se utilizam ultrassons de potência para produzir soluções sobressaturadas, iniciar a cristalização / precipitação e controlar o tamanho e a morfologia dos cristais através dos parâmetros do processo ultrassónico. Clique aqui para saber mais sobre a sonocristalização!

Sonocatálise

A sonicação de uma suspensão ou solução química pode melhorar significativamente as reações catalíticas. A energia sonoquímica reduz o tempo de reação e melhora a transferência de calor e de massa, o que resulta, subsequentemente, em constantes de velocidade de reação, rendimentos e seletividades superiores.
Existem numerosos processos catalíticos que beneficiam drasticamente da aplicação de ultrassons de potência e dos seus efeitos sonoquímicos. Qualquer reação heterogénea de catálise por transferência de fase (PTC) que envolva dois ou mais líquidos imiscíveis ou uma composição líquido–sólido beneficia da sonicação, da energia sonoquímica e da melhoria da transferência de massa.
Por exemplo, a análise comparativa da oxidação catalítica de fenol em água, em meio húmido com peróxido, sem ultrassons e assistida por ultrassons, revelou que a sonicação reduziu a barreira energética da reação, mas não teve impacto na via de reação. Verificou-se que a energia de ativação para a oxidação do fenol sobre o catalisador RuI₃ durante a sonicação era de 13 kJ mol^-1, quatro vezes menor em comparação com o processo de oxidação sem ultrassons (57 kJ mol^-1). (Rokhina et al, 2010)
A catálise sonoquímica é utilizada com sucesso no fabrico de produtos químicos, bem como na produção de materiais inorgânicos microestruturados e nanoestruturados, como metais, ligas, compostos metálicos, materiais não metálicos e compósitos inorgânicos. Exemplos comuns de PTC assistida por ultrassons são a transesterificação de ácidos gordos livres em éster metílico (biodiesel), a hidrólise, a saponificação de óleos vegetais, a reação sono-Fenton (processos do tipo Fenton), a degradação sonocatalítica, etc.
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Outras aplicações sonoquímicas

Devido à versatilidade de utilização, à fiabilidade e à simplicidade de operação, os sistemas sonoquímicos como o UP400St ou o UIP2000hdT são valorizados como equipamentos eficientes para reações químicas. Os dispositivos sonoquímicos da Hielscher Ultrasonics podem ser facilmente utilizados para sonicação por lotes (num copo de precipitação aberto) e sonicação contínua em linha, utilizando uma célula de fluxo sonoquímica. A sonoquímica, incluindo a sonossíntese, a sonocatálise, a degradação ou a polimerização, é amplamente utilizada em química, nanotecnologia, ciência dos materiais, indústria farmacêutica, microbiologia e noutras indústrias.

Equipamento sonoquímico de elevado desempenho

A Hielscher Ultrasonics é o seu fornecedor de referência de sonicadores inovadores e de última geração, célula de fluxo sonoquímica, reatores e acessórios para reações sonoquímicas eficientes e fiáveis. Todos os sonicadores Hielscher são exclusivamente concebidos, fabricados e testados na sede da Hielscher Ultrasonics em Teltow (perto de Berlim), na Alemanha. Além dos mais elevados padrões técnicos, da excecional robustez e do funcionamento 24/7/365 para uma operação altamente eficiente, os sonicadores Hielscher são fáceis e fiáveis de operar. Elevada eficiência, software inteligente, menu intuitivo, registo automático de dados e controlo remoto através do navegador são apenas algumas das características que distinguem a Hielscher Ultrasonics de outros fabricantes de equipamento sonoquímico.

Amplitudes ajustáveis com precisão

A amplitude é o deslocamento na parte frontal (ponta) do sonotrodo (também conhecido como sonda ou corneta ultrassónica) e é o principal fator que influencia a cavitação ultrassónica. Amplitudes mais elevadas significam cavitação mais intensa. A intensidade de cavitação necessária depende fortemente do tipo de reação, dos reagentes químicos utilizados e dos resultados pretendidos para a reação sonoquímica específica. Isto significa que a amplitude deve ser ajustável com precisão para regular a intensidade da cavitação acústica para o nível ideal. Todos os sonicadores Hielscher podem ser ajustados de forma fiável e precisa para a amplitude ideal através de um controlo digital inteligente. Podem também ser utilizadas cornetas amplificadoras para diminuir ou aumentar mecanicamente a amplitude. Os processadores ultrassónicos industriais da Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. É possível manter facilmente amplitudes de até 200µm em funcionamento contínuo 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.

Controlo preciso da temperatura durante as reações sonoquímicas

No ponto quente de cavitação, podem observar-se temperaturas extremamente elevadas, de muitos milhares de graus Celsius. Contudo, estas temperaturas extremas estão localmente limitadas ao minúsculo interior e à vizinhança da bolha de cavitação que implode. No conjunto da solução, o aumento de temperatura decorrente da implosão de uma única bolha ou de poucas bolhas de cavitação é negligenciável. Porém, uma sonicação intensa e contínua durante períodos mais longos pode provocar um aumento progressivo da temperatura do conjunto do líquido. Este aumento de temperatura contribui para muitas reações químicas e é frequentemente considerado benéfico. No entanto, diferentes reações químicas têm diferentes temperaturas ótimas de reação. Quando se tratam materiais sensíveis ao calor, pode ser necessário controlar a temperatura. Para permitir condições térmicas ideais durante os processos sonoquímicos, a Hielscher Ultrasonics oferece várias soluções sofisticadas para o controlo preciso da temperatura durante estes processos, como reatores sonoquímicos e células de fluxo equipados com camisas de arrefecimento.
As nossas células de fluxo e os nossos reatores sonoquímicos estão disponíveis com camisas de arrefecimento, que permitem uma dissipação eficaz do calor. Para a monitorização contínua da temperatura, os sonicadores Hielscher estão equipados com um sensor de temperatura conectável, que pode ser inserido no líquido para medir constantemente a temperatura do conjunto do líquido. Um software sofisticado permite definir uma gama de temperaturas. Quando o limite de temperatura é ultrapassado, o sonicador interrompe automaticamente o funcionamento até que a temperatura do líquido tenha descido para um determinado valor definido e, em seguida, reinicia automaticamente a sonicação. Todas as medições de temperatura, bem como outros dados importantes do processo ultrassónico, são registados automaticamente num cartão SD integrado e podem ser facilmente consultados para controlo do processo.
A temperatura é um parâmetro crucial dos processos sonoquímicos. A tecnologia avançada da Hielscher ajuda-o a manter a temperatura da sua aplicação sonoquímica na gama de temperaturas ideal.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: