Qué le hace la cavitación al agua

Efectos físicos: cizalla, microchorros y ondas de choque

Los efectos físicos son los más generales. Una revisión sobre el modelado de reactores de CH resumió que la CH genera cizalla intensa, puntos calientes localizados y radicales hidroxilo Ranade, 2022. La cizalla es la fuerza de desgarro entre capas de líquido que se mueven a distintas velocidades; en un dispositivo de cavitación proviene del flujo rápido a través de la restricción y de las propias cavidades. El colapso añade turbulencia local intensa, microchorros y ondas de choque de algunos miles de atmósferas, según otra revisión Zheng et al., 2022.

Un microchorro se forma cuando una cavidad colapsa cerca de una pared: un chorro de líquido atraviesa la cavidad y golpea la superficie con una presión de impacto alta y breve. Las velocidades de chorro reportadas fueron de 30 a 877 m/s Krella, 2023. Esos mismos impactos causan la erosión por cavitación, descrita en Qué es la cavitación hidrodinámica.

Una onda de choque es un frente de presión abrupto que irradia el colapso. Experimentos con burbujas individuales generadas por láser, de 1 a 10 mm de radio máximo en agua desmineralizada, mostraron cuánta energía transporta: los colapsos muy esféricos emitieron hasta cerca del 90 % de la energía inicial de la burbuja como ondas de choque, mientras que las burbujas deformadas cerca de una superficie produjeron varios choques, uno de ellos por el impacto del chorro. La introducción del artículo señala presiones de choque del orden de los gigapascales, capaces de desgastar superficies metálicas Supponen et al., 2017.

Puntos calientes locales

Una cavidad que colapsa libera una gran cantidad de energía en un volumen diminuto, con temperaturas y presiones locales extremadamente altas. La luz que emiten las burbujas al colapsar (sonoluminiscencia) sugiere unos 5.000 K Zheng et al., 2022. Esas mediciones provienen de la cavitación acústica, producida por ultrasonido; ninguna fuente citada aquí midió la temperatura de un punto caliente dentro de la cavitación hidrodinámica. Las simulaciones sugieren que las cavidades hidrodinámicas colapsan en escalas de tiempo más largas, lo que dificulta el colapso Arrojo & Benito, 2008.

El calor queda confinado en la cavidad que colapsa; el grueso del agua se mantiene cerca de la temperatura ambiente, como se explica en Qué es la cavitación hidrodinámica. Las estimaciones de revisiones de hasta 15.000 K se tratan en Procesos de oxidación avanzada (POA), y las vías propuestas para formar radicales, en Propiedades fisicoquímicas clave.

Radicales hidroxilo: cuánto se produce

En las condiciones del punto caliente, el vapor de agua dentro de la cavidad se divide en radicales químicamente activos, hidrógeno (•H) e hidroxilo (•OH) Zheng et al., 2022. El radical hidroxilo es un miembro muy reactivo de las especies reactivas de oxígeno (ERO) y la base de la cavitación como proceso de oxidación avanzada (POA).

Los radicales hidroxilo duran muy poco: reaccionan en nanosegundos, por lo que es difícil detectarlos directamente Nöpel & Ayela, 2023. Los estudios añaden una sustancia sonda que reacciona con el •OH y forma un producto estable, un método llamado dosimetría. El método importa: la prueba clásica con yoduro se consideró poco fiable para la CH, y en la dosimetría con ácido tereftálico el oxígeno del agua elevó el rendimiento del producto, mientras que el burbujeo con nitrógeno lo redujo Nöpel & Ayela, 2023.

Las cantidades medidas fueron pequeñas. Tras 90 minutos en un Venturi, con ácido salicílico a 50 y 300 mg/L en agua de grifo acidificada, los productos hidroxilados sumaron 0,97 y 1,81 µg/mL. Con la concentración de sonda más alta la propia cavitación se volvió más suave, de modo que la sonda puede sesgar el resultado Zupanc et al., 2020. En dispositivos de escala micro y milimétrica, la producción de radicales correspondió a unos 2,5 a 6 × 10⁻¹⁷ moles de •OH por julio, y una revisión concluyó que los escasos datos cuantitativos apuntan a una baja eficiencia de producción de radicales en la CH Nöpel & Ayela, 2023.

Cuándo importa la química

Como el •OH dura nanosegundos, la química ocurre cerca de donde colapsan las cavidades. Tres hallazgos definen cuándo importa.

• El objetivo. En simulaciones, la volatilidad y la hidrofobicidad de un compuesto determinaron si la química de la CH podía actuar sobre él Arrojo & Benito, 2008.
• El agua. En un dispositivo de vórtice, el pH ácido favoreció la generación de •OH, y el ácido sulfúrico fue más de tres veces más eficaz que el clorhídrico para ajustarlo De-Nasri et al., 2022.
• El colapso. Cuando se buscó •OH procedente de nanoburbujas de oxígeno en reposo en el agua a condiciones ambientales, el ácido benzoico (una sonda de •OH) no se degradó en 24 horas y no se detectó señal de •OH; una sonda fluorescente dio un falso positivo Chae et al., 2023.

Por lo tanto, la química de radicales acompaña al colapso violento dentro del dispositivo, no a las burbujas finas que quedan en reposo en el agua.

Qué cambia los efectos

Presión. La relación entre la presión de la bomba y el efecto no fue un aumento constante. Para el plaguicida diclorvós, una presión de entrada óptima dentro del rango de 3 a 6 bar dio la mayor degradación Joshi & Gogate, 2012. Para la rodamina B en un circuito Venturi de 4 L, la degradación primero subió y luego bajó al pasar la presión de entrada de 0,1 a 0,5 MPa, con un óptimo en 0,4 MPa Ye et al., 2021. En un dispositivo de vórtice, bajar la presión de entrada de 200 a 100 kPa multiplicó por 7,3 la remoción de cumarina por paso, y subir la presión aguas abajo de 0 a 100 kPa la multiplicó casi por tres De-Nasri et al., 2022. Cómo entran estas presiones en el número de cavitación se explica en Qué es la cavitación hidrodinámica.

Temperatura. Una revisión afirma que una temperatura más alta eleva el número de cavitación, retrasa el inicio y reduce la intensidad de la cavitación Zheng et al., 2022. En el estudio con rodamina B, la degradación aumentó hasta 30 °C y bajó por encima de esa temperatura; los autores explicaron que el agua más caliente tiene mayor presión de vapor y que el vapor que llena las cavidades redujo la eficiencia de la cavitación Ye et al., 2021. Para el diclorvós, la temperatura más baja fue favorable dentro del rango probado de 31 a 39 °C Joshi & Gogate, 2012.

Gas disuelto. El gas actúa en ambos sentidos. Se reportó que una mayor saturación de gas aporta núcleos y reduce el umbral de cavitación Zheng et al., 2022. En un túnel con Venturi y contenido de aire controlado, las cavidades grandes eran sobre todo vapor de agua, pero el aire disuelto dejó más burbujas de gas tras el colapso, y el punto en que desaparecía la cavitación fue muy sensible al contenido de aire Tian et al., 2025. En el estudio con vórtice, las corridas que partieron de un oxígeno disuelto (OD) más bajo, de 1 y 3,5 ppm, formaron cerca de un 30 % menos del producto del •OH que las corridas en agua saturada de oxígeno (11,5 ppm). Las corridas con poco oxígeno se prepararon con hielo seco, que también añade dióxido de carbono, así que el efecto del oxígeno por sí solo es incierto De-Nasri et al., 2022.