Sonoquímica: O que é?

A sonoquímica é um grande aliado quando se trata de ciência verde e benefícios para o ambiente. Ela traz uma série de benefícios. Vamos dar uma olhada em como essa técnica contribui para a preservação do meio ambiente e muito mais!

Em primeiro lugar, a sonoquímica utiliza compostos menos tóxicos e solventes ambientalmente seguros. Isso já é um grande passo em direção a processos químicos mais sustentáveis. Além disso, melhora as condições de reação e seletividade, o que significa que podemos obter produtos desejados com maior eficiência.

Um ponto importante é que a sonoquímica não gera lodo tóxico. Isso é ótimo para evitar resíduos prejudiciais ao meio ambiente. Além disso, ela ajuda a reduzir o consumo de energia em transformações químicas, o que é uma excelente notícia para a eficiência energética. Mas os benefícios não param por aí! No tratamento de água e águas residuais, o ultrassom é uma ferramenta poderosa para eliminar poluentes difíceis de tratar. Isso contribui para águas mais limpas e seguras.

E não podemos esquecer do seu papel nas estações de tratamento de águas residuais, pois, onde o ultrassom atua como um pré-tratamento eficaz do lodo, facilitando a produção de biogás. É uma forma inteligente de aproveitar recursos.

Além disso, a síntese sonoquímica de nanopartículas tem ganhado destaque recentemente.

Ela oferece uma abordagem mais ecológica para a produção desses materiais tão importantes em diversas aplicações.

Este artigo explora todas essas facetas do ultrassom, desde suas aplicações na remediação ambiental até o mecanismo por trás da degradação de poluentes da água. Também vamos dar uma olhada nos principais fatores que influenciam os resultados dessa técnica poderosa. Então, continue lendo para descobrir como a sonoquímica pode ser uma aliada um futuro mais sustentável!

O que é sonoquímica? Já ouviu falar?

A sonoquímica é um campo fascinante que explora como as reações químicas podem ser intensificadas sob a influência de ondas sonoras de alta frequência. Essas são aquelas que estão além do alcance da nossa audição humana (acima de 16 kHz). O segredo por trás desses efeitos está na cavitação acústica, um fenômeno intrigante que acontece quando as ondas ultrassônicas atravessam um líquido.

Vamos dar uma olhada em três etapas cruciais desse processo, conhecido como cavitação acústica. Primeiro, há a nucleação, onde pequenas microbolhas se formam em fendas microscópicas dentro do líquido. Esses são como os “núcleos” onde as cavidades vão se desenvolver mais tarde. O segundo estágio é quando essas microbolhas já estão presentes e, quando a intensidade do ultrassom é alta, as cavidades podem se expandir rapidamente. Isso acontece devido a efeitos inerciais. A cavidade pode se expandir por difusão retificada quando a intensidade acústica é mais baixa, e isso dura alguns ciclos antes da expansão.

A terceira etapa é realmente incrível. Quando a cavidade está tão cheia de vapor que não pode mais absorver energia para se manter. Assim o líquido ao redor corre para dentro dela, causando um colapso violento, como um colapso catastrófico. Isso gera extremos de temperaturas e pressões que criam um ambiente peculiar, como pequenos reatores de alta energia. Nesse ambiente, as moléculas de gases aprisionados nas cavidades em colapso são fragmentadas.

Essas reações resultam na formação de radicais hidroxila, que são altamente reativos. Eles podem reagir com outras substâncias na água, levando a uma série de transformações químicas. Por exemplo, eles podem quebrar moléculas orgânicas complexas em componentes mais simples, o que é útil para a degradação de poluentes.

Pode ter algumas desvantagens?

Sim, no entanto, às vezes, a sonólise homogênea pode ser lenta para usos práticos. Para acelerar as taxas de decomposição, cientistas descobriram que a introdução de partículas sólidas na mistura pode ser eficaz. Essas partículas servem como núcleos adicionais para a formação de cavitação, aumentando a eficiência do processo. No entanto, é importante observar que as partículas sólidas também podem ter efeitos complexos na cinética de degradação. Dessa maneira, afetando fatores como transferência de calor e massa, ativação da superfície e distribuição de bolhas.

Em suma, a sonoquímica é um campo empolgante que nos permite explorar as incríveis transformações que podem ocorrer sob a influência do som. Compreender como as ondas sonoras podem impulsionar reações químicas abre portas para uma série de aplicações, desde a remediação ambiental até a síntese de materiais avançados.

Cavitação Acústica

A cavitação acústica em líquidos pode levar a uma surpreendente consequência – a emissão de luz a partir das bolhas que colapsam. Esse fenômeno fascinante é conhecido como sonoluminescência (SL), e existem dois tipos principais: sonoluminescência de bolhas múltiplas (MBSL) e sonoluminescência de bolha única (SBSL).

Na MBSL, ocorre a emissão de luz a partir de uma nuvem de bolhas que estão envolvidas em cavitação. Por outro lado, a SBSL envolve uma única bolha em colapso. O que torna a SBSL particularmente intrigante é que acredita-se que ela gere temperaturas e pressões muito mais elevadas do que a MBSL, devido ao colapso isolado da bolha e ao aumento da esfericidade durante esse processo.

A luz emitida durante a cavitação acústica, ou sonoluminescência, cobre uma ampla faixa de comprimentos de onda, incluindo a região UV (200-500 nm). Essa faixa de UV é notavelmente interessante, pois comprimentos de onda menores que 375 nm podem excitar a superfície do dióxido de titânio (TiO2), o que é relevante para processos fotocatalíticos.

A teoria por trás desse fenômeno é a “teoria do ponto quente”. Basicamente, ela sugere que quando uma bolha colapsa rapidamente o suficiente, seu conteúdo é comprimido de forma intensa, resultando em um aumento adiabático da temperatura. Esse aumento de temperatura leva à emissão de flashes curtos de luz. A duração e a intensidade desses flashes dependem de vários fatores, incluindo a frequência das ondas sonoras, a amplitude da pressão, o tipo de líquido e o gás dentro da bolha.

Em resumo, a sonoluminescência é um fenômeno intrigante que combina ciência e luz, abrindo portas para aplicações interessantes em campos como fotocatálise e pesquisa de materiais.

Os locais de reação em processos de cavitação acústica

Na sonoquímica homogênea, ocorrem reações químicas em três locais principais: a bolha de cavitação, a interface entre as bolhas de gás e o líquido circundante, e a solução a granel, como ilustrado na Figura.

A decomposição de moléculas orgânicas ocorre dentro da bolha, especialmente se essas moléculas forem altamente voláteis. Outras reações podem ocorrer no líquido circundante e na interface entre as bolhas de gás e o líquido. O número de radicais livres disponíveis, que migraram das cavidades em colapso e da interface para a massa líquida, limita as reações de oxidação que ocorrem na solução.

É importante notar que compostos hidrofílicos com baixa volatilidade tendem a permanecer na solução a granel, enquanto compostos hidrofóbicos altamente voláteis têm mais probabilidade de se difundirem nas bolhas de cavitação. Nas bolhas, fenômenos como pirólise e oxidação com o radical OH são predominantes.

A interface gás-líquido é particularmente relevante para a degradação de contaminantes de água. Nesse local, devido à alta concentração de radical •OH (em comparação com a solução global) e às condições de pressão e temperatura adequadas, as reações ocorrem a taxas consideravelmente altas.

O destino de contaminantes altamente solúveis na solução a granel está relacionado à taxa de transferência dos radicais •OH do interior da bolha (e sua interface circundante) para a solução a granel. Essa taxa de transferência depende de vários fatores, como a duração das cavidades, a intensidade da pressão, a geometria do reator e a frequência das ondas ultrassônicas aplicadas. Esses parâmetros são discutidos com mais detalhes na seção a seguir.

Parâmetros que afetam as reações sonoquímicas

Os principais parâmetros que afetam as eficiências de degradação sonolítica são a frequência das ondas ultrassônicas, propriedades do soluto alvo, intensidade de energia, gás borbulhante aplicado, temperatura, propriedades físico-químicas do poluente e adição de sólidos como catalisadores ao sistema.

Frequência

A frequência das ondas ultrassônicas desempenha um papel crucial nos processos de sonoquímica, e ela pode ser dividida em três faixas principais: baixa frequência (20–100 kHz), média frequência (300–1000 kHz) e alta frequência (2–10 MHz).

• Baixa Frequência (20–100 kHz): Nessa faixa de frequência, ocorrem muitas compressões e rarefações das ondas sonoras, o que prolonga a fase de colapso das bolhas de cavitação. Isso ocorre porque permite a transferência de compostos voláteis para a fase gasosa. O ultrassom de baixa frequência efetivamente decompõe compostos hidrofóbicos, pois faz com que eles migrem através das bolhas de cavitação e sejam submetidos a processos de pirólise ou decomposição térmica na interface gás-líquido. No entanto, o colapso prolongado das bolhas pode inibir a transferência de radicais hidroxila para a solução.
• Média Frequência (300–1000 kHz): Nessa faixa de frequência, ocorre uma liberação significativamente maior de energia no líquido devido ao colapso rápido e violento das cavidades de cavitação “transitórias”. Esse processo de colapso extremamente rápido não permite a eliminação de radicais dentro das bolhas ou na interface. Portanto, em processos de oxidação avançada que visam destruir poluentes orgânicos não voláteis por meio de radicais livres, as frequências médias são altamente eficazes.

As características de cada faixa de frequência influenciam o comportamento das bolhas de cavitação e a eficácia das reações sonoquímicas. Portanto, a escolha da faixa de frequência adequada depende dos objetivos específicos do processo de sonoquímica e das propriedades dos compostos a serem tratados.

Intensidade/potência

É importante destacar que a intensidade das ondas sonoras desempenha um papel fundamental nas reações sonoquímicas. Em geral, à medida que a potência ultrassônica aumenta, a taxa de reação tende a aumentar. Isso ocorre porque uma maior potência gera um maior número de bolhas de cavitação na solução.

No entanto, é importante observar que, com a aplicação de alta potência ultrassônica, muitas dessas bolhas podem se fundir para formar bolhas maiores e mais duradouras. Essas bolhas maiores atuam como uma barreira à transferência de energia acústica pelo líquido, resultando no que é conhecido como “efeito almofada”. Em outras palavras, existe um limite para o aumento da intensidade, pois, em determinado ponto, a formação de bolhas maiores pode diminuir a eficiência das reações sonoquímicas.

Portanto, ao projetar processos de sonoquímica, é essencial equilibrar a intensidade das ondas sonoras para otimizar a taxa de reação sem prejudicar a eficiência do sistema de sonoquímica devido ao efeito almofada.

Propriedades do gás saturante

A presença de bolhas de gás dissolvidas desempenha um papel essencial na ocorrência da cavitação durante a sonicação. Entretanto, importante observar que, uma vez interrompido o fluxo de gás, as bolhas de gás instantaneamente dissolvidas devido ao efeito inicial do ultrassom, que é a desgaseificação.

Portanto, para manter um fluxo contínuo de gás nas bolhas e garantir condições ideais de colapso, é necessário borbulhar constantemente o fluido com gás durante todo o processo de sonicação. Entretanto, é interessante notar que o uso de gases com valores elevados de razão politrópica melhora as condições adiabáticas durante o colapso da bolha e intensifica os efeitos sonoquímicos.

Assim, por essa razão, gases monoatômicos, como hélio (He), argônio (Ar) e neônio (Ne), estão no topo em relação aos gases diatômicos, como nitrogênio (N₂), ar e oxigênio (O₂).

Além disso, foi observado que compostos que contêm halogênio são decompostos de maneira mais eficiente sob o argônio, enquanto compostos sem halogênio são degradados de forma mais eficaz sob o ar. Quando o ar é utilizado como gás borbulhante, a geração de peróxido de hidrogênio (H₂O₂) é acompanhada pela formação de íons nitrosos e nitrogenados. Isso resulta em maiores rendimentos devido à reação do nitrogênio com o oxigênio molecular para formar ácido nítrico e várias espécies de radicais, como •OH, •NO₂ e •NO₃, o que acelera o processo de oxidação.

Temperatura

É importante notar que o limite de cavitação, que se refere à condição necessária para a formação de bolhas de cavitação durante a sonicação, pode ser afetado por diversos fatores, como temperatura, tensão superficial, viscosidade e pressão de vapor. Por exemplo, à medida que a temperatura diminui, a tensão superficial ou viscosidade do líquido pode aumentar, ou a pressão de vapor pode diminuir, o que resulta em um limite de cavitação mais elevado.

Além disso, é válido mencionar que, à medida que a temperatura aumenta, os efeitos do colapso cavitacional tendem a ser reduzidos. Portanto, essas variáveis, como temperatura e características físicas do líquido, desempenham um papel significativo nos processos sonoquímicos e na formação de bolhas de cavitação.

Uso da sonoquímica para tratamento de efluente

Compostos hidrofóbicos, que possuem baixa afinidade com a água, tendem a migrar para a própria bolha de gás ou para a interface entre a bolha e o líquido. Portanto, o uso de ultrassom de baixa frequência, que cria bolhas de cavitação “estáveis” de longa duração, é mais eficaz na degradação pirolítica desses compostos.

Por outro lado, compostos hidrofílicos, que têm uma boa afinidade com a água, permanecem na solução a granel devido às forças de repulsão entre o composto e as superfícies hidrofóbicas das bolhas. A destruição desses compostos depende, portanto, da quantidade de radicais hidroxila liberados na solução, que atinge seu máximo durante a sonicação de média frequência, onde o colapso das bolhas é “transitório”. Embora a decomposição térmica de compostos não voláteis também possa ocorrer na interface entre a bolha e o líquido, a hidroxilação na solução é consideravelmente mais eficaz.

Assim, a presença de catalisadores sólidos, como Al₂O₃, SiO₂, talco, discos cerâmicos e esferas de vidro, é amplamente utilizada para amplificar os efeitos da cavitação no meio de reação. Em líquidos puros, as bolhas cavitárias tendem a ser esféricas durante o colapso, pois seu ambiente é uniforme. No entanto, na presença de uma superfície sólida, a dinâmica do colapso da cavidade passa por mudanças significativas. Portanto, quando uma bolha se aproxima de uma superfície sólida, o colapso torna-se altamente assimétrico e gera jatos de líquido em alta velocidade. Esses jatos líquidos atingem as superfícies heterogêneas com velocidades de cerca de 400 km/h e causam danos significativos no ponto de impacto, resultando na exposição de superfícies altamente reativas. Isso pode aumentar consideravelmente a eficiência das reações químicas envolvidas.

Referências sobre sonoquímica:

• https://www.mdpi.com/2624-599X/2/4/42
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350417718307107?via%3Dihub
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• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/1350417794900302?via%3Dihub

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