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DISEÑO DE REACTORES AVANZADOS JUAN A. CONESA

Sonoquímica La sonoquímica es una rama cien/fica (concretamente una rama de la química) que estudia la capacidad de la energía transportada por las ondas sonoras para provocar y acelerar reacciones químicas.

Fue descubierta por Alfred Loomis en 1927. En un principio no se le d io su debida importancia , hasta que en la década de 1980 empezaron a uJlizarse generadores de ultrasonidos de alta intensidad y pudieron experimentarse de forma más clara estas reacciones.

Según los principios de la sonoquímica, cuando las ondas de ultrasonido actúan sobre un líquido se generan en él miles de pequeñas burbujas (véase cavitación) en el interior de las cuales se producen alteraciones de presión y temperatura. De hecho, la

temperatura de los bordes de estas burbujas puede alcanzar miles de grados Celsius. Las pocas millonésimas de segundo que dura la "vida" de estas burbujas son suficientes para que en su interior se produzcan mulJtud de reacciones químicas, y pueden llegar a cambiar radicalmente la estructura química del líquido.

Incluso, está comprobado que estos ultrasonidos también Jenen efecto sobre materiales sólidos, en especial en metales como el cobre, aunque estos efectos son lógicamente mucho menos notorios que en los líquidos y por lo general no pueden disJnguirse a simple vista.

Aplicaciones

Las aplicaciones potenciales de la sonoquímica son innumerables. Como ejemplo pueden citarse algunas de ellas:

✦ Una de las más úJles es quizá la síntesis de nuevos compuestos químicos. Por ejemplo, el sonoquímico estadounidense Ken Suslick ha logrado obtener hidrocarburos a parJr de un compuesto de pentacarbonilo de hierro al aplicarle técnicas sonoquímicas.

✦ Técnicas de este Jpo también pueden aumentar la reacJvidad de algunos catalizadores y reacJvos. Asimismo pueden usarse para la acJvación de metales como el liJo, el magnesio, el cinc o el cobre.

✦ Otra aplicación interesante es su uso en analíJca, ya que a parJr de técnicas sonoquímicas aplicadas sobre ciertos materiales pueden producirse fenómenos de quimioluminiscencia, emiJendo radiaciones luminosas que pueden ser uJlizadas como medio analíJco.

DISEÑO REACTORES AVANZADOS 1

REACTORES SONOQUÍMICOS


✦ Otro uso más prácJco de la sonoquímica es el tratamiento de residuos y aguas residuales. Asimismo también se uJlizan ultrasonidos para el control de la contaminación del aire o la limpieza de superficies. ÚlJmamente han aparecido otras aplicaciones como la obtención de biodiésel o incluso la separación del hidrógeno de algunos compuestos.

✦ Mediante la llamada "sonopolimerización" pueden producirse radicales libres y aumentar las velocidades de emulsión y suspensión de ciertos polímeros.

✦ Otro de sus usos más prácJcos y extendidos es la soldadura de determinados materiales, que puede realizarse mediante ultrasonidos, entre otras muchas técnicas.

✦ También debe citarse el llamado "lixiviado sonoquímico", técnica que permite extraer metales a parJr de menas como la galena, la crocoíta o la arsenolita, uJlizando ultrasonidos.

✦ La sonoquímica también puede aplicarse en medicina, ya que los ultrasonidos focalizados en un punto pueden destruir células de cáncer, y también eliminar coágulos y tratar la tensión muscular.

¿Qué es el sonido?

El sonido (del la/n sonĭtus, por analogía prosódica con ruido, chirrido, rugido, etc.), en `sica, es cualquier fenómeno que involucre la propagación de ondas mecánicas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elásJco) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.

El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras y ondas acúsJcas que se producen cuando las oscilaciones de la presión del aire (del orden de 1 o 2 Pa), son converJdas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión.1 En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio.

Representación esquemáJca del oído, propagación del sonido. Azul: ondas sonoras. Rojo: /mpano. Amarillo: Cóclea. Verde: células de receptores audiJvos. Púrpura: espectro de frecuencia de respuesta del oído. Naranja: impulso del nervio.

La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de un medio elásJco sólido, líquido o gaseoso. Entre los más comunes se encuentran el aire y el agua. No se propagan en el vacío, al contrario que las ondas electromagnéJcas. Si las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal y si las vibraciones son perpendiculares a la dirección de propagación es una onda transversal.



Al igual que ocurre con el espectro electromagnéJco, existe un espectro de audiofrecuencias, dentro de las que se sitúan las frecuencias audibles. El espectro audible, también d en o mi n a d o ca mp o to n a l , s e encuentra conformado por las audiofrecuencias, es decir, toda la gama de frecuencias que pueden ser percibidas por el oído humano. Un oído sano y joven es sensible a las frecuencias comprendidas entre los 19 Hz y los 19 kHz.

Este rango equivale muy aproximadamente a diez octavas completas (210=1024). Frecuencias más graves incluso de hasta 4 ciclos por segundo son percepJbles a través del tacto, cuando la amplitud del sonido genera una presión suficiente.

Fuera del espectro audible:

✦ Por encima estarían los ultrasonidos (Ondas acúsJcas de frecuencias superiores a los 20 kHz).

✦ Por debajo, los infrasonidos (Ondas acúsJcas inferiores a los 20 Hz).

No hay que confundir las audiofrecuencias con las radiofrecuencias. Las audiofrecuencias son ondas mecánicas (por consiguiente, no se pueden propagar en el vacío, es decir, no Jenen capacidad radiante), mientras que las radiofrecuencias son ondas electromagnéJcas (por tanto, con capacidad radiante).

Ondas

C o m o t o d o m o v i m i e n t o ondulatorio, el sonido puede r e p r e s e n t a r s e m e d i a n t e la Transformada de Fourier como una suma de curvas sinusoides, tonos puros, con un factor de a m p l i t u d , q u e s e p u e d e n

c a r a c t e r i z a r p o r l a s mismas magnitudes y unidades de medida que a cualquier onda de frecuencia bien definida: Longitud de onda (λ), frecuencia (f) o inversa del período (T), amplitud (relacionada con el volumen y la potencia acúsJca) y fase. Esta descomposición simplifica el estudio de sonidos complejos ya que permite estudiar cada componente frecuencial independientemente y combinar los resultados aplicando el principio de superposición, que se cumple porque la alteración que provoca un tono no modifica significaJvamente las propiedades del medio.

La caracterización de un sonido arbitrariamente complejo implica analizar:

✦ Potencia acúsJca: El nivel de potencia acúsJca (PWL Power Wakage Level) es la canJdad de energía radiada al medio en forma de ondas por unidad de Jempo por una fuente determinada. La unidad en que se mide es el vaJo y su símbolo es W. La potencia acúsJca depende de la amplitud.



✦ Espectro de frecuencias: la distribución de dicha energía entre las diversas ondas componentes.

Generación de ultrasonidos

La idea básica para generar ultrasonidos es bastante simple. Los generadores o transductores son unos aparatos que constan de un elemento, llamémosle primario o transformador, que está en contacto con el medio y que transforma una señal eléctrica, magnéJca o mecánica en una onda ultrasónica. La señal "fácil" de generar (eléctrica, magnéJca, mecánica), es proporcionada por el elemento secundario.

Las ondas producidas, como hemos dicho, hacen vibrar el medio, lo cual es coherente con el concepto de onda sonora (onda de presión, recuérdese). Los generadores se diseñarán con el objeJvo de radiar la mayor canJdad de potencia acúsJca posible: se usará la frecuencia de resonancia, como veremos.

Generadores ultrasónicos que uJlizan campos eléctricos

Las señales eléctricas son sencillas de conseguir. Ahora bien, ¿cómo se transforman en ondas sonoras? La idea es acudir al llamado efecto piezoeléctrico inverso. Veamos en primer lugar el efecto directo. La piezoelectricidad es un fenómeno que consiste en la aparición de cargas eléctricas en las caras de determinados cristales cuando se ejerce sobre ellos una presión o tracción mecánica. Variados son los cristales que poseen esta propiedad; entre ellos podemos destacar el cuarzo, la turmalina o la sal de Rochelle. Todos estos cristales se caracterizan por tener ciertos ejes fundamentales: ópJco, eléctrico y mecánico, careciendo todos ellos de centro de simetría.

Existe una relación directa entre el esfuerzo mecánico ejercido y la carga aparecida, apareciendo un valor máximo cuando el cristal es cortado perpendicularmente al eje polar. Según las dimensiones y forma de un cristal poseedor de este efecto, existe una llamada frecuencia de resonancia, que es aquella para la cual un esfuerzo mecánico provoca la mayor aparición de cargas posible (en picos de amplitud, desde luego). Los esfuerzos mecánicos que se aplican sobre el cristal pueden ser de tracción o de compresión; la diferencia entre los efectos de ambos está en el signo de la carga aparecida únicamente.

Estudiado esto, cabría preguntarse si se puede dar el efecto inverso; es decir, si se aplica un campo eléctrico sobre un material piezoeléctrico, ¿éste vibrará? La respuesta es afirmaJva. Hablamos pues del efecto piezoeléctrico inverso, que es el que verdaderamente se uJliza en la prácJca para la generación de ondas ultrasónicas. El esquema es el siguiente:


Generador ultrasónico. Esquema general

Cristal de cuarzo, corte en X


Transductores

Un transductor es un disposiJvo capaz de transformar o converJr una determinada manifestación de energía de entrada, en otra diferente de salida, pero de valores muy pequeños en términos relaJvos con respecto a un generador. El Jpo de transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza (por ejemplo electromecánica, transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa). Es un disposiJvo usado principalmente en la industria, en la

medicina, en la agricultura, en robóJca, en aeronáuJca, etc., para obtener la información de entornos `sicos, químicos y conseguir (a parJr de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores siempre consumen cierta canJdad de energía por lo que la señal medida resulta atenuada.

Cavitación

La cavitación o aspiraciones en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando se crean cavidades de vapor dentro del agua o cualquier otro fluido en estado líquido en el que actúan fuerzas que responden a diferencias de presión, como puede suceder cuando el fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más

correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implosionan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas de gran energía sobre una superficie sólida que puede resquebrajar en el choque.

La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido a velocidades próximas a las del sonido independientemente del fluido donde se creen. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material Jende a debilitarse estructuralmente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida

cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. Nótese q u e d e p e n d i e n d o d e l a composición del material usado se podría producir una oxidación

de este con el consiguiente deterioro del material. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en diferentes partes de una máquina.



La energía que produce la cavilación es cinéJca, 1/2 m·v2, siendo ‘v’ la velocidad del movimiento de las burbujas. Si tradujéramos a temperatura esta energía, estaríamos hablando del entorno de los 5000 K. Esta energía es suficiente para producir radicales que se usarán en reacciones químicas.

Si el líquido es agua, es posible que se formen los radicales OH· y H·, ambos muy reacJvos.

Parámetros experimentales que afectan a la cavitación

Resonancia

En `sica, la resonancia describe el fenómeno de incremento de amplitud que ocurre cuando la frecuencia de una fuerza periódicamente aplicada (o un componente de Fourier de esta) es igual o cercano a una frecuencia natural del sistema en el cual actúa. Cuando una fuerza oscilatoria se aplica en

una frecuencia resonante de un sistema dinámico, el sistema oscila en una amplitud más alta que cuando la misma fuerza se aplica en otra frecuencia no resonante.3

Las frecuencias en las que la amplitud de respuesta es u n m á x i m o r e l a J v o s e c o n o c e n t a m b i é n como frecuencias de resonancia o frecuencias resonantes del sistema.3 Pequeñas fuerzas periódicas que estén cerca de una frecuencia resonante del sistema Jenen la capacidad de producir oscilaciones de grandes amplitudes en el mismo debido al almacenamiento



de energía vibratoria.

Los fenómenos de resonancia ocurren con todos los Jpos de vibraciones u ondas: están la resonancia mecánica, resonancia acúsJca, resonancia e lectromagnéJca, resonancia magnéJca nuclear (NMR), resonancia de giro del electrón (ESR) y resonancia de funciones ondulatorias cuánJcas. Los sistemas resonantes pueden ser usados para generar vibraciones de una frecuencia concreta (por ejemplo, instrumentos musicales), o escoger frecuencias concretas de una vibración compleja que conJene muchas frecuencias (por ejemplo, filtros).

Este fenómeno siempre se compara con el de un columpio, en el que hay que sincronizar y empujar en la dirección correcta cuando se va hacia un lado u otro. Si no se empuja bien, la resonancia no se produce y no se superponen los efectos. Esto es de vital importancia para generar gran canJdad de energía sin tener que consumir mucha potencia eléctrica.

Dispositivos para la sonicación.

Los disposiJvos que se uJlizan para sonicar son sondas que al poner una diferencial de potencial se desplaza unos milímetros. Admiten diversas frecuencias lo que permite uJlizarlos en disJntos sistemas.

Procesos de oxidación avanzados: sono-Fenton

Al igual que es posible formar radicales empleando luz, también es posible producir la descomposición de los compuestos en radicales por ultrasonidos, iniciando así una reacción radicalaria. La más conocida y empleada es la reacción Fenton producida por ultrasonidos, similar a la estudiada en Fotoquímica.

En las reacciones sono-Fenton las etapas de iniciación se suelen producir introduciendo hierro metálico en el H2O2. Ver cuadro con las reacciones. US representan los ultrasonidos.

Sistemas reactivos usuales



Muchos sistemas se uJlizan para la eliminación de contaminantes y siguen un esquema similar al de los reactores fotoquímicos, ya que los Jempos de residencia son del orden de días.

Limpieza de sólidos por US

Los baños por ultrasonidos son uJlizados en el laboratorio para limpieza de vidrios de laboratorio, instrumentos médicos y de laboratorio, eliminar los gases disueltos en líquidos (desgasificación), acelerar la disolución y dispersión de sólidos, y la emulsificación. Los baños para laboratorio también son uJlizados en otras muchas aplicaciones como la limpieza de piezas tales como joyas, boquillas, gafas, partes de audífonos, prótesis dentales, etc. Se trata de una alternaJva ideal para evitar el laborioso limpiado a mano con detergentes, los cuales son frecuentemente agresivos.

La limpieza ultrasónica parte del principio de la cavitación, procedimiento que lleva a cabo la generación y la disolución de burbujas de vapor en líquidos. En una pérdida de presión, el líquido se evapora y genera burbujas que ocupan un volumen muy mayor con respecto al líquido, cuando la presión vuelve a subir, el gas dentro de la burbuja condensa y la burbuja lleva a cabo su misión.

El espacio creado se llena con el líquido, lo cual lleva a fuertes impulsos de presión en el orden de varios 100 MPa.


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