Sonoquímica: Notas de aplicação

A sonoquímica é o efeito da cavitação ultrassónica nos sistemas químicos. Devido às condições extremas que ocorrem no «ponto quente» da cavitação, os ultrassons de potência são um método muito eficaz para melhorar o resultado da reação (maior rendimento, melhor qualidade), a conversão e a duração de uma reação química. Algumas alterações químicas só podem ser obtidas por sonicação, como o revestimento nanométrico de titânio ou alumínio com estanho.

Encontre abaixo uma seleção de partículas e líquidos com recomendações sobre como tratar o material para moer, dispersar, desaglomerar ou modificar as partículas utilizando um homogeneizador ultrassónico.

Encontre abaixo alguns protocolos de sonicação para realizar reações sonoquímicas com sucesso!

Por ordem alfabética:

α-Epoxicetonas – Reação de abertura do anel

Aplicação ultrassónica:
A abertura catalítica do anel de α-epoxicetonas foi realizada utilizando uma combinação de ultrassons e métodos fotoquímicos. Foi utilizado tetrafluoroborato de 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridínio (NBTPT) como fotocatalisador. A combinação da sonicação (sonoquímica) com a fotoquímica destes compostos na presença de NBTPT permitiu a abertura do anel epóxido. Demonstrou-se que a utilização de ultrassons aumentou significativamente a velocidade da reação fotoinduzida. Os ultrassons podem afetar consideravelmente a abertura fotocatalítica do anel de α-epoxicetonas, sobretudo devido à transferência de massa eficiente dos reagentes e ao estado excitado do NBTPT. A transferência de eletrões entre as espécies ativas neste sistema homogéneo com sonicação também ocorre
mais rapidamente do que no sistema sem sonicação. Os rendimentos mais elevados e os tempos de reação mais curtos são vantagens deste método.

Abertura fotocatalítica do anel de α-epoxicetonas assistida por ultrassons (estudo e gráfico: ©Memarian et al 2007)

Protocolo de sonicação:
As α-epoxicetonas 1a-f e o tetrafluoroborato de 1-benzil-2,4,6-trifenilpiridínio 2 foram preparados de acordo com os procedimentos publicados. O metanol foi adquirido à Merck e destilado antes da utilização. O dispositivo ultrassónico utilizado foi um dispositivo ultrassónico de sonda UP400S da Hielscher Ultrasonics GmbH. Foi utilizado um sonotrodo ultrassónico de imersão S3 (também conhecido como sonda ou sonotrodo), que emitia ultrassons de 24 kHz com níveis de intensidade ajustáveis até uma densidade de potência acústica máxima de 460Wcm^-2 . A sonicação foi realizada a 100% (amplitude máxima de 210μm). O sonotrodo S3 (profundidade máxima de imersão de 90mm) foi imerso diretamente na mistura reacional. As irradiações UV foram realizadas utilizando uma lâmpada de mercúrio de alta pressão de 400W da Narva, com arrefecimento das amostras em vidro Duran. Os espectros de RMN de ¹H da mistura de fotoprodutos foram medidos em soluções de CDCl₃ contendo tetrametilsilano (TMS) como padrão interno, num Bruker drx-500 (500 MHz). A cromatografia preparativa em camada (PLC) foi realizada em placas de 20 × 20cm² revestidas com uma camada de 1mm de gel de sílica Merck PF₂₅₄ , preparada aplicando a sílica sob a forma de suspensão e secando ao ar. Todos os produtos são conhecidos e os seus dados espectrais foram publicados anteriormente.
Recomendação de dispositivo:
UP400S com sonotrodo ultrassónico S3
Referência/Artigo de investigação:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Abertura catalítica fotossonoquímica do anel de α-epoxicetonas. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Catalisador de alumínio/níquel: Nanoestruturação da liga Al/Ni

Aplicação ultrassónica:
As partículas de Al/Ni podem ser modificadas sonoquimicamente através da nanoestruturação da liga Al/Ni inicial. Deste modo, é produzido um catalisador eficaz para a hidrogenação da acetofenona.
Preparação ultrassónica do catalisador Al/Ni:
5g da liga Al/Ni comercial foram dispersos em água purificada (50mL) e sonicados durante até 50 min. com o sonicador ultrassónico de sonda UIP1000hd (1kW, 20kHz), equipado com o sonotrodo ultrassónico BS2d22 (área da extremidade de 3,8 cm²) e o amplificador B2-1.8. A intensidade máxima foi calculada como sendo de 140 Wcm⁻² a uma amplitude mecânica de 106μm. Para evitar o aumento de temperatura durante a sonicação, a experiência foi realizada numa célula termostatizada. Após a sonicação, a amostra foi seca sob vácuo com uma pistola de ar quente.
Recomendação de dispositivo:
UIP1000hd com sonotrodo BS2d22 e amplificador de amplitude B2–1,2
Referência/Artigo de investigação:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Ekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Ativação sonoquímica do catalisador de hidrogenação Al/Ni. Advanced Functional Materials 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterificação de biodiesel utilizando um catalisador de MgO

Aplicação ultrassónica:
A reação de transesterificação foi estudada sob mistura ultrassónica constante com o sonicador UP200S, para diferentes parâmetros, como a quantidade de catalisador, a razão molar entre metanol e óleo, a temperatura de reação e a duração da reação. As experiências em lote foram realizadas num reator de vidro duro (300 ml, 7 cm de diâmetro interno) com uma tampa esmerilada de dois bocais. Um dos bocais foi ligado ao sonotrodo de titânio S7 (diâmetro da ponta de 7 mm) do processador ultrassónico UP200S (200W, 24kHz). A amplitude dos ultrassons foi definida para 50%, com 1 ciclo por segundo. A mistura reacional foi sonicada durante todo o tempo de reação. O outro bocal da câmara do reator foi equipado com um condensador de aço inoxidável feito à medida e arrefecido a água, para colocar o metanol evaporado em refluxo. Todo o equipamento foi colocado num banho de óleo a temperatura constante, controlado por um controlador de temperatura proporcional, integral e derivativo. A temperatura pode ser elevada até 65°C, com uma precisão de ±1°C. Foram utilizados óleo usado e metanol com 99,9% de pureza como matérias-primas para a transesterificação de biodiesel. Foi utilizado MgO nanométrico depositado a partir de fumo (fita de magnésio) como catalisador.
Foi obtido um excelente resultado de conversão com 1,5 wt% de catalisador; com uma razão molar metanol/óleo de 5:1 a 55°C, foi alcançada uma conversão de 98,7% após 45 min.
Recomendação de dispositivo:
UP200S com sonotrodo ultrassónico S7
Referência/Artigo de investigação:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Estudos sobre a produção sonoquímica de biodiesel utilizando um catalisador de MgO nanométrico depositado a partir de fumo. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Síntese de nanocompósitos de cádmio(II)–tioacetamida

Aplicação ultrassónica:
Foram sintetizados nanocompósitos de cádmio(II)–tioacetamida na presença e na ausência de álcool polivinílico por via sonoquímica. Para a síntese sonoquímica (sonossíntese), foram dissolvidos 0,532 g de acetato de cádmio (II) di-hidratado (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g de tioacetamida (TAA, CH3CSNH2) e 0,664 g de iodeto de potássio (KI) em 20mL de água desionizada bidestilada. Esta solução foi sonicada com um sonicador ultrassónico de sonda de alta potência UP400S (24 kHz, 400W), à temperatura ambiente, durante 1 h. Durante a sonicação da mistura reacional, a temperatura aumentou para 70–80degC, conforme medido por um termopar de ferro–constantin. Após uma hora, formou-se um precipitado amarelo vivo. Este foi isolado por centrifugação (4 000 rpm, 15 min), lavado com água bidestilada e, em seguida, com etanol absoluto para remover as impurezas residuais e, finalmente, seco ao ar (rendimento: 0,915 g, 68%). Ponto de decomposição: 200°C. Para preparar o nanocompósito polimérico, foram dissolvidos 1,992 g de álcool polivinílico em 20 mL de água desionizada bidestilada, que foram depois adicionados à solução acima. Esta mistura foi irradiada ultrassonicamente com a sonda ultrassónica UP400S durante 1 h, formando-se um produto laranja vivo.
Os resultados de SEM demonstraram que, na presença de PVA, o tamanho das partículas diminuiu de cerca de 38 nm para 25 nm. Em seguida, sintetizámos nanopartículas de CdS hexagonais com morfologia esférica por decomposição térmica do nanocompósito polimérico cádmio(II)–tioacetamida/PVA como precursor. O tamanho das nanopartículas de CdS foi medido tanto por XRD como por SEM, e os resultados apresentaram uma concordância muito boa entre si.
Ranjbar et al. (2013) também constataram que o nanocompósito polimérico de Cd(II) é um precursor adequado para a preparação de nanopartículas de sulfureto de cádmio com morfologias interessantes. Todos os resultados revelaram que a síntese ultrassónica pode ser utilizada com sucesso como um método simples, eficiente, de baixo custo, ambientalmente favorável e muito promissor para a síntese de materiais à escala nanométrica, sem necessidade de condições especiais, como temperaturas elevadas, tempos de reação longos e pressões elevadas.
Recomendação de dispositivo:
UP400S
Referência/Artigo de investigação:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Síntese e caracterização de nanocompósitos de cádmio–tioacetamida. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – Revestimento ultrassónico com ácido esteárico

Aplicação ultrassónica:
Revestimento ultrassónico de CaCO₃ nanoprecipitado (NPCC) com ácido esteárico para melhorar a sua dispersão em polímero e reduzir a aglomeração. Foram sonicados 2g de CaCO₃ nanoprecipitado (NPCC) sem revestimento com o sonicador UP400S em 30ml de etanol. Foram dissolvidos 9 wt% de ácido esteárico em etanol. O etanol com ácido esteárico foi depois misturado com a suspensão sonicada.
Recomendação de dispositivo:
UP400S com sonotrodo de 22mm de diâmetro (H22D) e célula de fluxo com camisa de arrefecimento
Referência/Artigo de investigação:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Efeitos dos ultrassons no revestimento de CaCO3 nanoprecipitado com ácido esteárico. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Silano dopado com nitrato de cério

Aplicação ultrassónica:
Foram utilizados painéis de aço-carbono laminado a frio (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; limpos quimicamente e polidos mecanicamente) como substratos metálicos. Antes da aplicação do revestimento, os painéis foram limpos ultrassonicamente com acetona e, em seguida, limpos com uma solução alcalina (solução de NaOH a 0,3mol L1) a 60°C durante 10 min. Para utilização como primário, antes do pré-tratamento do substrato, uma formulação típica que incluía 50 partes de γ-glicidoxipropiltrimetoxissilano (γ-GPS) foi diluída com cerca de 950 partes de metanol, a pH 4,5 (ajustado com ácido acético), e deixada a hidrolisar o silano. O procedimento de preparação do silano dopado com pigmentos de nitrato de cério foi o mesmo, exceto que foram adicionados 1, 2, 3 wt% de nitrato de cério à solução de metanol antes da adição de (γ-GPS); esta solução foi depois misturada com um agitador de hélice a 1600 rpm durante 30 min., à temperatura ambiente. Em seguida, as dispersões contendo nitrato de cério foram sonicadas durante 30 min a 40°C, com um banho de arrefecimento externo. O processo de sonicação foi realizado com o sonicador ultrassónico UIP1000hd (1000W, 20 kHz), com uma potência ultrassónica de entrada de cerca de 1 W/mL. O pré-tratamento do substrato foi realizado enxaguando cada painel durante 100 sec. com a solução de silano adequada. Após o tratamento, os painéis foram deixados a secar à temperatura ambiente durante 24 h; em seguida, os painéis pré-tratados foram revestidos com um epóxi de dois componentes curado com amina (Epon 828, shell Co.), para obter uma espessura de película húmida de 90μm. Os painéis revestidos com epóxi foram deixados a curar durante 1h a 115°C; após a cura dos revestimentos epoxídicos, a espessura da película seca era de cerca de 60μm.
Recomendação de dispositivo:
UIP1000hd
Referência/Artigo de investigação:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Efeitos eletroquímicos de pré-tratamentos com silano contendo nitrato de cério nas propriedades de descolamento catódico de aço revestido com epóxi. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Estruturas de cobre–alumínio: Síntese de estruturas porosas de Cu-Al

Aplicação ultrassónica:
O cobre–alumínio poroso estabilizado por óxido metálico é um novo catalisador alternativo promissor para a desidrogenação do propano, isento de metais nobres ou perigosos. A estrutura da liga porosa oxidada Cu–Al (esponja metálica) é semelhante à dos metais do tipo Raney. Os ultrassons de alta potência são uma ferramenta de química verde para a síntese de estruturas porosas de cobre–alumínio estabilizadas por óxido metálico. São económicas (custo de produção de aprox. 3 EUR/litro) e o método pode ser facilmente transposto para uma escala maior. Estes novos materiais porosos (ou «esponjas metálicas») têm um interior de liga e uma superfície oxidada, e podem catalisar a desidrogenação do propano a baixas temperaturas.
Procedimento para a preparação ultrassónica do catalisador:
Cinco gramas do pó de liga Al–Cu foram dispersos em água ultrapura (50mL) e sonicados durante 60 min com o sonicador de sonda Hielscher UIP1000hd (20kHz, potência máxima de saída de 1000W). O dispositivo ultrassónico de sonda foi equipado com um sonotrodo BS2d22 (área da ponta de 3,8cm²) e o amplificador de amplitude B2–1,2. A intensidade máxima foi calculada como sendo de 57 W/cm² a uma amplitude mecânica de 81μm. Durante o tratamento, a amostra foi arrefecida num banho de gelo. Após o tratamento, a amostra foi seca a 120°C durante 24 h.
Recomendação de dispositivo:
UIP1000hd com sonotrodo BS2d22 e amplificador de amplitude B2–1,2
Referência/Artigo de investigação:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Novos e eficazes catalisadores de cobre–alumínio para a desidrogenação do propano. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254–12256.

Degradação da ftalocianina de cobre

Aplicação ultrassónica:
Descoloração e destruição de metaloftalocianinas
A ftalocianina de cobre é sonicada com água e solventes orgânicos, à temperatura ambiente e à pressão atmosférica, na presença de uma quantidade catalítica de oxidante, utilizando o sonicador ultrassónico UIP500hd de 500W com câmara fold-trough, a um nível de potência de 37–59 W/cm²: 5 mL de amostra (100 mg/L), 50 de água D/D com clorofórmio e piridina, a 60% da amplitude ultrassónica. Temperatura de reação: 20°C.
Recomendação de dispositivo:
UIP500hd

Ouro: Modificação morfológica de nanopartículas de ouro

Aplicação ultrassónica:
As nanopartículas de ouro foram modificadas morfologicamente sob irradiação ultrassónica intensa. Para fundir nanopartículas de ouro numa estrutura semelhante a um haltere, verificou-se ser suficiente um tratamento ultrassónico de 20 min. em água pura e na presença de tensioativos. Após 60 min. de sonicação, as nanopartículas de ouro adquirem uma estrutura vermiforme ou anelar em água. Foram formadas ultrassonicamente nanopartículas fundidas com formas esféricas ou ovais na presença de soluções de dodecilsulfato de sódio ou dodecilamina.
Protocolo do tratamento ultrassónico:
Para a modificação ultrassónica, a solução de ouro coloidal, constituída por nanopartículas de ouro pré-formadas protegidas por citrato, com um diâmetro médio de 25nm (± 7nm), foi sonicada numa câmara de reator fechada (volume de aprox. 50mL). A solução de ouro coloidal (0,97 mmol·L^-1) foi irradiada ultrassonicamente a alta intensidade (40 W/cm^-2) utilizando um sonicador ultrassónico Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W), equipado com um sonotrodo de liga de titânio BS2d18 (diâmetro da ponta de 0,7 polegadas), que foi imerso cerca de 2 cm abaixo da superfície da solução sonicada. O ouro coloidal foi gaseificado com árgon (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. antes e durante a sonicação, a um caudal de 200 mL·min^-1 para eliminar o oxigénio da solução. Uma porção de 35-mL de cada solução de tensioativo, sem adição de citrato trissódico di-hidratado, foi combinada por adição com 15 mL de ouro coloidal pré-formado, com borbulhamento de árgon 20 min. antes e durante o tratamento ultrassónico.
Recomendação de dispositivo:
UIP1000hd com sonotrodo BS2d18 e reator de célula de fluxo
Referência/Artigo de investigação:
Radziuk, D.; Grigoriev,D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Fusão de nanopartículas de ouro pré-formadas assistida por ultrassons. Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835–1843.

Fertilizante inorgânico – Lixiviação de Cu, Cd e Pb para análise

Aplicação ultrassónica:
Extração de Cu, Cd e Pb de fertilizantes inorgânicos para fins analíticos:
Para a extração ultrassónica de cobre, chumbo e cádmio, as amostras contendo uma mistura de fertilizante e solvente são sonicadas com um dispositivo ultrassónico, como o sonicador VialTweeter, para sonicação indireta. As amostras de fertilizante foram sonicadas na presença de 2mL de uma solução a 50% (v/v) de HNO₃ em tubos de vidro durante 3 minutos. Os extratos de Cu, Cd e Pb podem ser determinados por espectrometria de absorção atómica com chama (FAAS).
Recomendação de dispositivo:
VialTweeter
Referência/Artigo de investigação:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Método analítico alternativo para a determinação de metais em fertilizantes inorgânicos baseado na extração assistida por ultrassons. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519–1524.

Síntese de látex

Aplicação ultrassónica:
Preparação de látex P(St-BA)
As partículas de látex de poli(estireno-r-acrilato de butilo) P(St-BA) foram sintetizadas por polimerização em emulsão na presença do tensioativo DBSA. Primeiro, foi dissolvido 1 g de DBSA em 100mL de água num balão de três bocais, e o valor de pH da solução foi ajustado para 2,0. Uma mistura dos monómeros 2,80g de St e 8,40g de BA, com o iniciador AIBN (0,168g), foi vertida na solução de DBSA. A emulsão O/W foi preparada por agitação magnética durante 1 h, seguida de sonicação com o sonicador UIP1000hd, equipado com sonotrodo ultrassónico (sonda/sonotrodo), durante mais 30 min. no banho de gelo. Finalmente, a polimerização foi realizada a 90degC num banho de óleo, durante 2h, sob uma atmosfera de azoto.
Recomendação de dispositivo:
UIP1000hd
Referência/Artigo de investigação:
Fabrico de películas condutoras flexíveis derivadas de poly(3,4-ethylenedioxythiophene)epoly(styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) sobre um substrato de tecidos não tecidos. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Clique aqui para ler mais sobre a sonossíntese de látex!

Remoção de chumbo (sonolixiviação)

Aplicação ultrassónica:
Lixiviação ultrassónica de chumbo de solo contaminado:
As experiências de lixiviação ultrassónica foram realizadas com um homogeneizador ultrassónico UP400S com uma sonda acústica de titânio (diâmetro de 14mm), que funciona a uma frequência de 20kHz. A sonda ultrassónica (sonotrodo) foi calibrada calorimetricamente, com a intensidade ultrassónica definida para 51 ± 0,4 W cm^-2 em todas as experiências de sonolixiviação. As experiências de sonolixiviação foram termostatizadas utilizando uma célula de vidro com camisa e fundo plano a 25 ± 1°C. Foram utilizados três sistemas como soluções de lixiviação do solo (0,1L) sob sonicação: 6 mL a 0,3 mol L^-2 de solução de ácido acético (pH 3,24), solução de ácido nítrico a 3% (v/v) (pH 0,17) e um tampão de ácido acético/acetato (pH 4,79), preparado misturando 60mL 0f 0,3 mol L^-1 de ácido acético com 19 mL de NaOH a 0,5 mol L^-1 . Após o processo de sonolixiviação, as amostras foram filtradas com papel de filtro para separar a solução lixiviada do solo, seguindo-se a eletrodeposição do chumbo da solução lixiviada e a digestão do solo após a aplicação de ultrassons.
Foi demonstrado que os ultrassons são uma ferramenta valiosa para melhorar a lixiviação de chumbo de solo poluído. Os ultrassons são também um método eficaz para a remoção quase total do chumbo lixiviável do solo, resultando num solo muito menos perigoso.
Recomendação de dispositivo:
UP400S com sonotrodo H14
Referência/Artigo de investigação:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Combinação de lixiviação ultrassónica e tratamento eletroquímico para a remoção de chumbo do solo. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – Síntese de nanopartículas de sulfureto de chumbo

Aplicação ultrassónica:
À temperatura ambiente, foram adicionados 0,151 g de acetato de chumbo (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) e 0,03 g de TAA (CH₃CSNH₂) a 5mL do líquido iónico, [EMIM] [EtSO₄], e a 15mL de água bidestilada num copo de precipitação de 50mL, submetido a irradiação ultrassónica com o sonicador Hielscher UP200S durante 7 min. A ponta da sonda ultrassónica/sonotrodo S1 foi imersa diretamente na solução reacional. A suspensão castanha-escura formada foi centrifugada para separar o precipitado e lavada duas vezes com água bidestilada e etanol, respetivamente, para remover os reagentes que não tinham reagido. Para investigar o efeito dos ultrassons nas propriedades dos produtos, foi preparada mais uma amostra comparativa, mantendo constantes os parâmetros de reação, exceto que o produto foi preparado sob agitação contínua durante 24 h, sem o auxílio de irradiação ultrassónica.
Foi proposta a síntese assistida por ultrassons num líquido iónico aquoso, à temperatura ambiente, para a preparação de nanopartículas de PbS. Este método verde à temperatura ambiente, ambientalmente benigno, é rápido e não requer um molde, reduzindo significativamente o tempo de síntese e evitando os procedimentos de síntese complicados. Os nanoaglomerados assim preparados apresentam um enorme desvio para o azul de 3,86 eV, que pode ser atribuído ao tamanho muito reduzido das partículas e ao efeito de confinamento quântico.
Recomendação de dispositivo:
UP200S
Referência/Artigo de investigação:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Preparação simples à temperatura ambiente e caracterização de nanopartículas de PbS em líquido iónico aquoso [EMIM][EtSO4] utilizando irradiação ultrassónica. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Degradação do fenol

Aplicação ultrassónica:
Rokhina et al. (2013) utilizaram a combinação de ácido peracético (PAA) e um catalisador heterogéneo (MnO₂) para a degradação do fenol numa solução aquosa sob irradiação ultrassónica. A sonicação foi realizada utilizando um sonicador ultrassónico de sonda UP400S de 400W, capaz de sonicar continuamente ou em modo pulsado (isto é, 4 sec. ligado e 2 sec. desligado), a uma frequência fixa de 24 kHz. A potência total de entrada, a densidade de potência e a intensidade de potência dissipada no sistema calculadas foram de 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3 e 14,3 W/cm^-2, respetivamente. Foi utilizada uma potência fixa ao longo das experiências. Foi utilizada uma unidade de circulação por imersão para controlar a temperatura no interior do reator. O tempo efetivo de sonicação foi de 4 h, embora o tempo real de reação tenha sido de 6 h devido ao funcionamento em modo pulsado. Numa experiência típica, o reator de vidro foi enchido com 100mL de solução de fenol (1,05 mM) e doses adequadas do catalisador MnO2 e de PAA (2%), variando entre 0–2 g L^-1 e 0–150 ppm, respetivamente. Todas as reações foram realizadas a pH próximo do neutro, à pressão atmosférica e à temperatura ambiente (22 ± 1 °C).
A sonicação aumentou a área superficial do catalisador, resultando numa área superficial 4 vezes maior, sem alteração da estrutura. As frequências de renovação catalítica (TOF) aumentaram de 7 x 10^-3 para 12,2 x 10^-3 min^-1, em comparação com o processo sem ultrassons. Além disso, não foi detetada lixiviação significativa do catalisador. A oxidação isotérmica do fenol a concentrações relativamente baixas de reagentes demonstrou elevadas taxas de remoção de fenol (até 89%) em condições suaves. Em geral, os ultrassons aceleraram o processo de oxidação durante os primeiros 60 min. (70% de remoção de fenol, em comparação com 40% durante o tratamento sem ultrassons).
Recomendação de dispositivo:
UP400S
Referência/Artigo de investigação:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Homólise do ácido peracético catalisada por MnO₂ e assistida por ultrassons para a degradação do fenol: Avaliação da química e da cinética do processo. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenol: Oxidação do fenol utilizando RuI₃ como catalisador

Aplicação ultrassónica:
Oxidação aquosa heterogénea do fenol sobre RuI₃ com peróxido de hidrogénio (H₂O₂): A oxidação catalítica do fenol (100 ppm) sobre RuI₃ como catalisador foi estudada num reator de vidro de 100 mL, equipado com um agitador magnético e um controlador de temperatura. A mistura reacional foi agitada a uma velocidade de 800 rpm durante 1–6 horas, para proporcionar uma mistura completa, uma distribuição uniforme e a suspensão completa das partículas do catalisador. Não foi realizada agitação mecânica da solução durante a sonicação, devido à perturbação causada pela oscilação e pelo colapso das bolhas de cavitação, que, por si só, proporcionam uma mistura extremamente eficiente. A irradiação ultrassónica da solução foi realizada com um transdutor ultrassónico UP400S com equipamento ultrassónico (designado sonicador de sonda), capaz de funcionar continuamente ou em modo pulsado, a uma frequência fixa de 24 kHz e com uma potência máxima de saída de 400W.
Para a experiência, RuI₃ não tratado, como catalisador (0,5–2 gL^-1), foi introduzido sob a forma de suspensão no meio reacional, seguindo-se a adição de H2O2 (30%, concentração no intervalo de 200–1200 ppm).
Rokhina et al. constataram no seu estudo que a irradiação ultrassónica desempenhou um papel relevante na modificação das propriedades texturais do catalisador, produzindo uma estrutura microporosa com maior área superficial como resultado da fragmentação das partículas do catalisador. Além disso, teve um efeito promotor, impedindo a aglomeração das partículas do catalisador e melhorando o acesso do fenol e do peróxido de hidrogénio aos centros ativos do catalisador.
O aumento para o dobro da eficiência do processo assistido por ultrassons, em comparação com o processo de oxidação sem ultrassons, foi atribuído à melhoria do comportamento catalítico do catalisador e à geração de espécies oxidantes, como •OH, •HO2 e •I₂ , através da clivagem de ligações de hidrogénio e da recombinação de radicais.
Recomendação de dispositivo:
UP400S
Referência/Artigo de investigação:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Oxidação húmida do fenol com peróxido, catalisada heterogeneamente por ruténio e assistida por ultrassons. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Partículas de Ag/ZnO revestidas com PLA

Aplicação ultrassónica:
Revestimento de partículas de Ag/ZnO com PLA: Foram preparadas micropartículas e partículas submicrométricas de Ag/ZnO revestidas com PLA pela técnica de evaporação de solvente em emulsão óleo-em-água. Este método foi realizado da seguinte forma. Primeiro, os 400 mg de polímero foram dissolvidos em 4 ml de clorofórmio. A concentração resultante de polímero em clorofórmio foi de 100 mg/ml. Em segundo lugar, a solução de polímero foi emulsionada numa solução aquosa de vários sistemas de tensioativos (agente emulsionante, PVA 8-88), sob agitação contínua com um homogeneizador a uma velocidade de agitação de 24 000 rpm. A mistura foi agitada durante 5 min. e, durante este período, a emulsão em formação foi arrefecida com gelo. A razão entre a solução aquosa de tensioativo e a solução de PLA em clorofórmio foi idêntica em todas as experiências (4:1). Posteriormente, a emulsão obtida foi sonicada com um dispositivo ultrassónico de sonda UP400S (400W, 24kHz) durante 5 min., com ciclo 0,5 e amplitude de 35%. Finalmente, a emulsão preparada foi transferida para um balão de Erlenmeyer e agitada, e o solvente orgânico foi evaporado da emulsão sob pressão reduzida, conduzindo finalmente à formação de uma suspensão de partículas. Após a remoção do solvente, a suspensão foi centrifugada três vezes para remover o emulsionante.
Recomendação de dispositivo:
UP400S
Referência/Artigo de investigação:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Partículas antibacterianas híbridas sintetizadas por micro-ondas e revestidas com poli(ácido L-láctico). Nanocon 2011.

Compósito de polianilina

Aplicação ultrassónica:
Preparação de um compósito aquoso de nanopolianilina autodopada (SPAni) (Sc-WB)
Para preparar o compósito aquoso de SPAni, foram diluídos em água 0,3 gr de SPAni, sintetizada por polimerização in situ em meio ScCO2, e sonicados durante 2 minutos com um homogeneizador ultrassónico UIP1000hd de 1000W. Em seguida, o produto em suspensão foi homogeneizado durante 15 min., adicionando 125 gr de matriz de endurecedor de base aquosa, e a sonicação final foi realizada à temperatura ambiente durante 5 min.
Recomendação de dispositivo:
UIP1000hd
Referência/Artigo de investigação:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Desempenho protetor de um revestimento epoxídico de base aquosa contendo nanopolianilina autodopada sintetizada em ScCO2. 2013.

Hidrocarbonetos aromáticos policíclicos: Degradação sonoquímica de naftaleno, acenaftileno e fenantreno

Aplicação ultrassónica:
Para a degradação sonoquímica dos hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) naftaleno, acenaftileno e fenantreno em água, as misturas de amostras foram sonicadas a 20◦C e com 50 µg/l de cada PAH-alvo (150 µg/l de concentração inicial total). A sonicação foi aplicada com um sonicador ultrassónico de sonotrodo UP400S (400W, 24kHz), capaz de funcionar em modo contínuo ou pulsado. O sonicador UP400S foi equipado com uma sonda de titânio H7 com uma ponta de 7 mm de diâmetro. As reações foram realizadas num recipiente reacional cilíndrico de vidro de 200 mL, com o sonotrodo de titânio montado na parte superior do recipiente reacional e vedado com anéis O-ring e uma válvula de Teflon. O recipiente reacional foi colocado num banho de água para controlar a temperatura do processo. Para evitar quaisquer reações fotoquímicas, o recipiente foi coberto com folha de alumínio.
Os resultados das análises mostraram que a conversão dos PAHs aumenta com o aumento da duração da sonicação.
Para o naftaleno, a conversão assistida por ultrassons (potência ultrassónica definida para 150W) aumentou de 77,6%, alcançados após 30 min. de sonicação, para 84,4% após 60 min. de sonicação.
Para o acenaftileno, a conversão assistida por ultrassons (potência ultrassónica definida para 150W) aumentou de 77,6%, alcançados após 30 min. de sonicação com uma potência ultrassónica de 150W, para 84,4% após 60 min. de sonicação com ultrassons de 150W, aumentou de 80,7%, alcançados após 30 min. de sonicação com uma potência ultrassónica de 150W, para 96,6% após 60 min. de sonicação.
Para o fenantreno, a conversão assistida por ultrassons (potência ultrassónica definida para 150W) aumentou de 73,8%, alcançados após 30 min. de sonicação, para 83,0% após 60 min. de sonicação.
Para melhorar a eficiência da degradação, o peróxido de hidrogénio pode ser utilizado de forma mais eficiente quando se adiciona ião ferroso. Demonstrou-se que a adição de ião ferroso tem efeitos sinérgicos que simulam uma reação do tipo Fenton.
Recomendação de dispositivo:
UP400S com H7
Referência/Artigo de investigação:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Degradação de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos em soluções aquosas por irradiação ultrassónica. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Remoção da camada de óxido dos substratos

Aplicação ultrassónica:
Para preparar o substrato antes do crescimento de nanofios de CuO em substratos de Cu, a camada de óxido intrínseca na superfície do Cu foi removida por sonicação da amostra em ácido clorídrico a 0,7 M durante 2 min., com um Hielscher UP200S. A amostra foi limpa ultrassonicamente em acetona durante 5 min. para remover contaminantes orgânicos, enxaguada cuidadosamente com água desionizada (DI) e seca com ar comprimido.
Recomendação de dispositivo:
UP200S ou UP200St
Referência/Artigo de investigação:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modulação das propriedades de deteção de gases de nanofios de CuO através da criação de junções p−n nanométricas discretas nas suas superfícies. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192–4199.

Experiências de voltametria

Aplicação ultrassónica:
Para experiências de voltametria melhoradas por ultrassons, foi utilizado um sonicador ultrassónico Hielscher UP200S de 200 watts, equipado com um sonotrodo de vidro (ponta de 13-mm de diâmetro). Os ultrassons foram aplicados com uma intensidade de 8 W/cm^–2.
Devido à baixa velocidade de difusão das nanopartículas em soluções aquosas e ao elevado número de centros redox por nanopartícula, a voltametria direta de nanopartículas em fase de solução é dominada por efeitos de adsorção. Para detetar nanopartículas sem acumulação devida à adsorção, é necessário escolher uma abordagem experimental com (i) uma concentração suficientemente elevada de nanopartículas, (ii) elétrodos pequenos para melhorar a razão entre o sinal e o fundo, ou (iii) um transporte de massa muito rápido.
Por conseguinte, McKenzie et al. (2012) utilizaram ultrassons de potência para melhorar drasticamente a velocidade de transporte de massa das nanopartículas em direção à superfície do elétrodo. Na sua montagem experimental, o elétrodo é diretamente exposto a ultrassons de alta intensidade, com uma distância de 5 mm entre o elétrodo e o sonotrodo e uma intensidade de sonicação de 8 W/cm^–2 , resultando em agitação e limpeza por cavitação. Foi utilizado um sistema redox de teste, a redução de um eletrão de Ru(NH3)₆³⁺ em KCl aquoso a 0,1 M, para calibrar a velocidade de transporte de massa alcançada nestas condições.
Recomendação de dispositivo:
UP200S ou UP200St
Referência/Artigo de investigação:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Eletroquímica direta de Fe2O3 nanoparticulado em solução aquosa e adsorvido em óxido de índio dopado com estanho. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

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