Hispanopedia WikiLa sonocatálisis es un campo de la sonoquímica que se basa en el uso de ultrasonidos para modificar la reactividad de un catalizador en catálisis homogénea o heterogénea . Generalmente se utiliza para potenciar la catálisis . Este método de catálisis se conoce desde la creación de la sonoquímica en 1927 por los físicos Alfred Lee Loomis y Robert Williams Wood . [ 1 ] La sonocatálisis depende de los ultrasonidos, descubiertos en 1794 por el biólogo italiano Lazzaro Spallanzani . [ 2 ]
Principio
Concepto general
La sonocatálisis no es una técnica de catálisis autosuficiente, sino que sirve de apoyo a un catalizador en la reacción. Tanto la sonocatálisis como la sonoquímica se derivan de un fenómeno llamado " cavitación acústica ", que ocurre cuando un líquido es irradiado con ultrasonidos. Los ultrasonidos generan grandes variaciones locales de presión y temperatura , afectando la densidad relativa del líquido y creando burbujas de cavitación cuando la presión del líquido disminuye por debajo de su presión de vapor . Cuando estas burbujas estallan, se libera energía, que proviene de la transformación de la energía cinética en calor. La sonocatálisis puede ocurrir en fase homogénea o heterogénea . Esto depende de la fase en la que se encuentre el catalizador en comparación con la reacción. [ 1 ]
El soplado de burbujas de cavitación puede causar condiciones intensas de presión y temperatura locales, llegando a una presión de 1000 atm y una temperatura de 5000 K. [ 1 ] Esto puede provocar la creación de radicales altamente energéticos . El soplado de burbujas causa la formación del radical hidroxilo ()y radical hidrógeno () en un entorno acuoso. A continuación, estos radicales pueden combinarse para producir diferentes moléculas, como el agua (), hidroperoxilo (), peróxido de hidrógeno (), y dioxígeno (). [ 3 ]
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Las reacciones de formación de radicales debidas a la descomposición del agua por ultrasonidos pueden describirse de esta manera:
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La energía de la irradiación ultrasónica difiere de la energía térmica o de la energía de la radiación electromagnética en el tiempo, la presión y la energía recibida por una molécula. [ 1 ]
Irradiación directa e indirecta
En sonocatálisis y sonoquímica existen dos tipos de irradiación : directa e indirecta. En la irradiación directa, la solución está en contacto con un emisor de ondas sonoras (generalmente un transductor ); mientras que en la irradiación indirecta, estos dos elementos están separados por un baño irradiado. El baño transmite las radiaciones a la solución por convección . Si bien la irradiación indirecta es la técnica más utilizada, la irradiación directa también es posible, especialmente cuando el baño irradiado sirve como recipiente para la solución. [ 2 ]
Catalizadores
Catalizadores homogéneos
Los carbonilos metálicos , como Fe(CO) 5 , Fe 3 (CO) 12 , Cr(CO) 6 , Mo(CO) 6 y W(CO) 6 , se utilizan con frecuencia en catálisis homogénea debido a su estabilidad a temperatura y presión estándar gracias a sus estructuras. [ 4 ] Sus capacidades catalíticas son bien conocidas y eficientes. [ 5 ]
Catalizadores heterogéneos
Las especies basadas en carbono , como los nanotubos de carbono , el grafeno , el óxido de grafeno, el carbón activado , el biocarbón , el gC₃N₄ , los materiales dopados con carbono, el buckminsterfullereno (C₆₀) y los carbones mesoporosos , se utilizan con mucha frecuencia en la sonocatálisis heterogénea. Estas especies son excelentes sonocatalizadores porque favorecen el proceso de degradación durante la sonocatálisis. Presentan una gran actividad y estabilidad para la sonocatálisis y muestran el efecto de nucleación . Estas propiedades se derivan de características como sus estructuras porosas, actividades ópticas, resistividades y conductividades eléctricas , estabilidades químicas y fuerzas. El uso de estas especies es cada vez más frecuente. [ 3 ]
Materiales
Transductores
Para generar ultrasonido, la sonocatálisis requiere equipos distintos a los catalizadores, como transductores que crean ultrasonido mediante la transformación de energía eléctrica en energía mecánica . Existen dos tipos de transductores: piezoeléctricos y magnetostrictivos . Los transductores piezoeléctricos se utilizan con mayor frecuencia debido a su menor costo, ligereza y tamaño reducido. Estos transductores están constituidos por monocristales o cerámica y dos electrodos fijados lateralmente. Dichos electrodos reciben un voltaje que, como máximo, equivale a la frecuencia de resonancia del transductor. Esto provoca la compresión o dilatación de los monocristales, generando una onda. [ 2 ]
Algunos ejemplos de transductores
- El limpiador ultrasónico es un baño lleno de líquido. Este líquido transmite energía acústica desde el fondo del baño hasta la solución contenida en el recipiente. Este limpiador suele generar ultrasonidos de baja frecuencia (de 20 a 60 kHz) y es económico. Sin embargo, presenta algunos inconvenientes, como la dificultad para controlar la temperatura del líquido en el baño y el hecho de que la irradiación no es uniforme en toda la superficie. [ 2 ]
- El sonicador de copa-cuerno es similar al limpiador ultrasónico, pero puede irradiar tanto de forma directa como indirecta. Mientras que la limpieza ultrasónica solo genera ultrasonidos de baja frecuencia, el sonicador de copa-cuerno también puede generarlos de alta frecuencia y con mayor intensidad. Sin embargo, este equipo es muy costoso debido a su diseño. [ 2 ]
- El reactor de "silbato" es un reactor en el que la mezcla de reacción se bombea continuamente a través de una abertura de ancho ajustable, en un área delimitada donde se produce la cavitación. En esta área, la vibración de las paletas durante el paso de la solución bombeada genera ondas ultrasónicas. Este reactor se utiliza a menudo para mezclas de reacción homogéneas, ya que la parte sólida de las mezclas heterogéneas no puede pasar a través del silbato. Este tipo de reactor se utiliza con menos frecuencia. [ 2 ]
Aplicaciones
El uso de la sonocatálisis ha aumentado. [ 6 ] Hoy en día, la sonocatálisis se utiliza en muchos campos como la medicina, la farmacología, la metalurgia, el medio ambiente, la nanotecnología y el tratamiento de aguas residuales .
Salud
Síntesis del ingrediente activo
Consideremos el ejemplo del pirazol , un compuesto con actividad antimicrobiana , antihipertensiva , antiinflamatoria y anticonvulsiva . Diversos estudios han demostrado que la sonocatálisis puede aumentar el rendimiento de la síntesis de pirazol. Un estudio desarrolló un nuevo método de síntesis para esta molécula, utilizando reactivos ecológicos y económicos, manteniendo un alto rendimiento y empleando sonocatálisis. [ 7 ]
La siguiente tabla contiene información sobre el rendimiento de la síntesis de 3-metil-5-fenil-4,5-dihidro-1H-pirazol-1-carbotioamida :
(*) Las condiciones de síntesis se describen en la imagen superior.
Ambiente
Degradación de contaminantes
La sonocatálisis se utiliza para degradar contaminantes. El ultrasonido puede generar laradical de una molécula de agua. Este radical es un agente oxidante fuerte que puede degradar contaminantes orgánicos persistentes . Sin embargo, la velocidad de reacción para compuestos hidrofóbicos es baja, por lo que el ultrasonido se suele combinar con un catalizador sólido. La adición de este catalizador implica la adición de núcleos atómicos que amplifican el fenómeno de cavidad y la eficiencia ultrasónica. Cerca de la superficie de contacto sólido-líquido, se aplica presión en uno de los lados de la burbuja, lo que provoca un soplado más violento de la misma. [ 3 ]
46 decoloración roja catiónica
Este principio se puede aplicar al blanqueo oxidativo del rojo catiónico 46 [ 9 ] por óxido de zinc retenido por bentonita . Más del 10% al 20% de los colorantes orgánicos se pierden y se liberan en la naturaleza. Encontrar nuevas formas de mejorar el blanqueo de los colorantes es importante, ya que estos colorantes pueden ser tóxicos y cancerígenos. La oxidación proviene de laradical, cuyas capacidades oxidantes son conocidas. Una mayor concentración delEl radical provoca una mejor decoloración del rojo catiónico 46, ya que el rendimiento de decoloración del rojo catiónico es del 17,8 % antes de usar ultrasonido y del 81,6 % después de usarlo. [ 9 ] Sin embargo, la eficiencia de la sonocatálisis proviene principalmente de la combinación del catalizador y el ultrasonido. Por ejemplo, observamos una decoloración del rojo catiónico de solo el 25,4 % al aplicar únicamente ultrasonido. [ 9 ]
eliminación de tetraciclina
Otro ejemplo de degradación de contaminantes es la eliminación de la tetraciclina , un antibiótico que se encuentra frecuentemente como contaminante en las aguas residuales. Cuando la tetraciclina se disuelve en una solución acuosa, el uso exclusivo de ultrasonidos resulta ineficiente para degradarla, debido a que la reacción es cinéticamente desfavorable.
La adición de catalizadores como el dióxido de titanioo peróxido de hidrógenoEl ultrasonido puede acelerar la degradación; treinta minutos son suficientes cuando se utilizan ultrasonido y ambos catalizadores. [ 10 ]
![{\displaystyle {\mathrm {TiO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/78f26a9a1bde54b7a41509a07055c3dde9dffaa4)
Degradación de la rodamina B
La sonocatalisis también se utiliza en la degradación de rodamina B. La rodamina B es un colorante sintético que puede ser perjudicial para las plantas acuáticas cuando se libera en aguas residuales. [ 11 ]
Reacciones
La reacción de Fenton
La sonocatálisis se puede aplicar a reacciones como la reacción de Fenton . Al asociar la sonocatálisis (a una frecuencia de 20 kHz) y la reacción de Fenton, con 5,0 mg/L de cloruro de hierro () concentración de masa y un pH de 4, la eficiencia de degradación es de aproximadamente el 80% después de 12 minutos. [ 12 ]
![{\displaystyle {\mathrm {FeCl} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2212bed2dcdfa7e81ddcf45401e6d4001b1d4bf9)
Referencias
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- ^ Behling , Ronan , Nahla Araji y Grégory Chatel. « Qu'est-ce que la sonochimie ? » L'actualité Chimique 410 (septiembre 2016): 11‑20.
- 1 2 3 Gholami, Peyman, Alireza Khataee, Reza Darvishi Cheshmeh Soltani, et Amit Bhatnagar. "Una revisión sobre materiales a base de carbono para sonocatálisis heterogénea: fundamentos, propiedades y aplicaciones". Ultrasonics Sonochemistry 58 (noviembre 2019): 104681. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.104681 .
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- ↑ Pizzuti, Lucas; Piovesan, Luciana A.; Flores, Alex FC; Quina, Frank H.; Pereira, Claudio MP (agosto de 2009). "Preparación de 1-tiocarbamoil-3,5-diaril-4,5-dihidro-1H-pirazoles promovida por sonocatálisis respetuosa con el medio ambiente". Ultrasonics Sonochemistry . 16 (6): 728– 731. Bibcode : 2009UltS...16..728P . doi : 10.1016/j.ultsonch.2009.02.005 . PMID 19324584 .
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- ↑ Xu, Yifan; Komarov, Sergey; Yamamoto, Takuya; Kutsuzawa, Takaaki (22 de noviembre de 2022). "Mejora y mecanismo de descomposición de rodamina B en el tratamiento con plasma asistido por cavitación combinado con reacciones de Fenton" . Catalysts . 12 (12): 1491. doi : 10.3390/catal12121491 .
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