| Le prospettive della Sonochimica: un esempio di ingegneria e chimica verde |
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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.
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.
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.
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).
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:
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.].
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:
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| Ultimo aggiornamento Martedì 17 Novembre 2020 17:37 |
La 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.
Ad 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:
