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A2C - Consulenza tecnica specialistica News Ambientali Le prospettive della Sonochimica: un esempio di ingegneria e chimica verde
Le prospettive della Sonochimica: un esempio di ingegneria e chimica verde Stampa E-mail
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News Ambientali

SonochimicaLa Sonochimica è una promettente branca della chimica-fisica che studia le interazioni delle onde acustiche sui sistemi chimici. I primi studi sugli effetti indotti dalle onde acustiche a frequenze ultrasoniche sono stati condotti da Afred Lee Lomis nel 1927, ma il suo sviluppo avviene intorno al 1980 quando furono costruiti i primi generatori ad ultrasuoni. I vantaggi possono essere l'aumento della velocità di reazione oppure il favorire determinate reazioni e/o meccanismi come la cristallizzazione, l'emulsificazione, etc.

Con il termine "sonochimica"si descrivono i processi chimici e fisici che si verificano in una soluzione attraverso l'energia indotta dall'ecografia di potenza

Gli effetti degli ultrasuoni sulle soluzioni sono la conseguenza del fenomeno, ancora non del tutto spiegato, della cavitazione, che è la formazione, la crescita e il collasso delle microbolle gassose in fase liquida. La cavitazione fu osservata per la prima volta in ambito navale, infatti la formazione di queste bolle di vapore, dovute al moto delle eliche, in alcuni casi portava anche al danneggiamento delle eliche stesse. Ad esempio, gli effetti ed in fenomeni di cavitazione avvengono anche nei motori diesel, dove l’elevata compressione porta con l’andare del tempo a danneggiamenti e microfratture dei cilindri del motore.
La forma e la dinamica di queste “bolle gassose” all’interno di un liquido, vennero descritte, per la prima volta, nel 1917 da Lord John William Strutt Rayleigh, che ricavò un equazione differenziale che descriveva il comportamento e la dinamica delle bolle di forma sferica all’interno di un liquido. Successivamente, il fisico Milton S. Plessetla applicò allo studio della cavitazione nel 1949. L’equazione da allora, oggi ben nota in meccanica dei fluidi, prese il nome di equazione di Rayleigh-Plesset.

rayleigh-plesset

Come si propagano gli ultrasuoni all’interno dei liquidi ?

Se consideriamo che il suono ha bisogno di un mezzo, per propagarsi, nei liquidi la velocità delle onde acustiche, a seconda della densità e temperatura del liquido, aumenta notevolmente rispetto all’aria (mediamente la velocità del suono, nell’acqua, è 5 volte maggiore rispetto all’aria). Questa maggiore velocità fa sì che gli ultrasuoni si propaghino attraverso una serie di onde di compressione e rarefazione nel mezzo liquido. Quando la potenza acustica è sufficientemente elevata, il ciclo di rarefazione supera le forze di attrazionetra le molecole del liquido e si formano bolle di cavitazione di pochi micrometri di diametro. Piccole quantità di vapore o gas dal mezzo entrano nella bolla durante la sua fase di espansione e non vengono espulse completamente durante la fase di compressione. Le bolle crescono nel periodo di alcuni cicli fino a raggiungere una dimensione di equilibrio per la particolare frequenza applicata. Gli intensi effetti locali (meccanici, termici e chimici) dovuti al'improvviso collasso di quelle bolle (con formazione di una vera e propria onda d’urto, a frequenze più alte, che agisce sulle molecole) è all'origine di tutte le applicazioni della sonochimica.

reazioni radicaliche

In acqua, ad una frequenza ultrasonica di 20 kHz, il collasso della bolla rappresenta un punto caldo localizzato, generando temperature di circa 5.000 °K e pressioni superiori a 1.000 bar. Ad oggi non si sa ancora bene se le temperature elevate rilevate siano dovute alla formazione di plasmi all’interno del liquido. Questo è ancora infatti oggetto di studio.
Molti fattori possono influenzare la cavitazione e i risultati di una reazione sonochimica:

  • la potenza acustica,
  • la frequenza,
  • la pressione idrostatica,
  • la natura e la temperatura del solvente,
  • il gas utilizzato
  • la geometria del reattore.

Di questi fattori, alcuni studi sembrano dimostrare come, in effetti, alcune geometrie regolari dei reattori, possano favorire maggiormente la cavitazione (ad esempio reattori di forma esagonale).
Il potenziale della sonochimica è, nella maggior parte dei casi, direttamente collegato alla scelta dei parametri sonochimici o delle condizioni sperimentali.

SonochimicaAd esempio, la frequenza è un parametro fondamentale. In effetti, anche se l'intero meccanismo non è stato ancora chiarito, di solito è acclarato che, in acqua, le basse frequenze (20–80 kHz) conducono preferenzialmente ad effetti fisici (onde d'urto, micro-jet, microconvezione, ecc.).Al contrario, alte frequenze ultrasoniche (150–2.000 kHz) favoriscono la produzione di radicali idrossilici (•OH) mediante“hotspot” locali prodotti dalla cavitazione, che porta principalmente ad effetti chimici. In via generale, è possibile identificare due grandi famiglie di applicazioni di ultrasuoni di potenza in chimica basate su effetti: sonofisici o sonochimici. Le condizioni ottenute in un mezzo sottoposto agli ultrasuoni sono responsabili di un gran numero di effetti chimico-fisici come:

  • aumento della cinetica delle reazioni chimiche
  • cambiamenti nei meccanismi di reazione
  • effetti di emulsificazione
  • erosione
  • cristallizzazione
  • precipitazione.

Ben si comprende, pertanto, che la progettazione di reazioni (organiche o inorganiche), la preparazione di materiali o altri processi chimici mediante ultrasuoni, richiedono una metodologia rigorosa ed il completo raccordo di tutti i parametri sonochimici, unitamente ai dettagli sperimentali. Questa sua enorme potenzialità nell’accelerare o nel favorire determinate reazioni e/o meccanismi, colloca la sonochimica di diritto fra le branche / discipline scientifiche di sicuro affidamento per uno sviluppo di tecnologie e processi che possono rientrare a pieno diritto nella “green chemistry” e nella “green engineering”. 

 

L'ingegneria e la chimica "verde"

Con il termine ingegneria e chimica verde si vuole intendere tutte quelle tecnologie e processi chimici che rispettano i principi di sostenibilità ambientale. I termini “green chemistry” e “green engineering”, sono stati rivisti e riformulati per la prima volta nel 2000, quando due chimici Paul T. Anastas (dell’ EPA - Enviroment Protection Agency) e John C. Warner posero le basi ed i principi per sviluppare una vera e propria chimica sostenibile. La chimica verde, infatti, (secondo Anastas e Warner) si fonda su 5 principi basilari:

  1. prevenzione: prevedere quali rifiuti e/o scarti vengano prodotti al termine di un determinato processo, per far sì che si possano eliminare determinare procedure per eliminare gli stessi (ad es. trattamento e/o depurazione fanghi, ecc.);
  2. un migliore uso di materie prime: favorire l’uso di prodotti rinnovabili;
  3. una migliore gestione di rifiuti: minimizzare i rifiuti prodotti;
  4. minor consumo di energia: aumentare l’efficienza energetica
  5. uso di solventi compatibili con l’ambiente: l’uso di solventi (in certe reazioni) tossici per l’uomo e per l’ambiente andrebbero completamente eliminati a vantaggio di prodotti e/o sostanze completamente sostenibili (uso ad esempio di acqua, come solvente, e/o altri fluidi supercritici sono consigliabili).

L’ingegneria verde, come stabilito da Paul T. Anastas e Julie B. Zimmerman nel 2003, si fonda invece su 12 principi, che stabiliscono ciò che rende un processo chimico o un prodotto più ecologico una volta avviata la sua implementazione a livello industriale. Tutte le fasi di un processo (come le fasi di purificazione e separazione) e l'aldilà dei prodotti (ad esempio: analisi del ciclo di vita) vanno considerati attraverso questi 12 principi supplementari [P. T. Anastas, J. B. Zimmerman, Sustainability Science and Engineering Defining Principle, Elsevier, Amsterdam, 2006.].

Sonochimica

La sonochimica, in questi ultimi anni, ha avuto uno sviluppo tale da inserirla a pieno titolo nella chimica verde. Attualmente, infatti, tutte le varie applicazioni consentono di asserire, ormai con certezza, che rispetta quasi completamente i principi basilari della chimica verde favorendo l’implementazione di applicazioni ingegneristiche sostenibili.

Oggi infatti la sonochimica trova, infatti, ampia applicazione in una serie di settori, diventati strategici per lo sviluppo delle future economie mondiali:

  • energie rinnovabili (produzione di idrogeno, biocarburanti, ecc.)
  • applicazioni in campo ambientale (ad es. bonifiche siti contaminati, trattamento acque reflue civili ed industriali, ecc.)
  • sintesi organiche (ad es. produzione di biopolimeri)
  • produzione alimenti
  • medicina (nella sterilizzazione ad es. di forbici, pinze od altro materiale utilizzato in ambito medico).

 


Quale futuro per la sonochimica ?

I progressi fatti fino ad ora fanno ben sperare, ed è auspicabile che questa branca si diffonda sempre di più a scala industriale anche perché, le implicazioni ed i benefici, anche in ambito economico, sono notevoli. Molti gruppi di ricerca, hanno fatto passi da gigante portando la sonochimica, dopo ormai 40 anni dalle prime sperimentazioni, ad una quasi completa maturazione, sebbene, come detto in precedenza, non si conoscano ancora determinati fenomeni.
La prossima sfida e obiettivo della sonochimica sarà quella di esportare tutte le applicazioni, fino ad ora relegate esclusivamente in ambito sperimentale, ad un piena applicazione in ambito industriale su larga scala; occorrerà, quindi, vincere alcune sfide tecnologiche, come ad esempio: ottenere reattori più efficienti, avere generatori ad ultrasuoni con un irraggiamento maggiore di quello attuale, etc.
In questo modo la sonochimica renderà il nostro futuro più “green”.

 

Bibliografia

  • G. Chatel. “Sonochemistry – new opportunities for green chemistry”, world scientific publishing, 2017.
  • P. T. Anastas, John C. Warner. “Green Chemistry: Theory and Practice”, Oxford University Press, 2000.
  • P. T. Anastas, J. B. Zimmerman.“Sustainability Science and Engineering Defining Principle”, Elsevier, Amsterdam, 2006.

 

Ultimo aggiornamento Lunedì 19 Ottobre 2020 15:02
 

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