Sondas de sonicación frente a baños de ultrasonidos: una comparación de su eficiencia

Los procesos de sonicación pueden llevarse a cabo mediante el uso de un homogeneizador ultrasónico tipo sonda o un baño de ultrasonidos. Aunque ambas técnicas aplican ultrasonidos a la muestra, existen diferencias significativas en cuanto a la eficacia, la eficiencia y las capacidades del proceso. Los ultrasonidos de tipo sonda superan drásticamente a los de baño de ultrasonidos en lo que respecta a la intensidad de los ultrasonidos, la amplitud, el procesamiento uniforme y la reproducibilidad.

Los efectos deseados de la ultrasonicación de líquidos – incluso homogeneización, Dispersión, desaglomeración, Pulverizar, Emulsificar, Extracción, lisis, Ruptura celular y efectos sonochemical - son causados ​​por cavitación. Al introducir ultrasonido de alta potencia en un medio líquido, las ondas de sonido se transmiten en el fluido y crean ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), con velocidades que dependen de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o huecos en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber energía, colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión, se alcanzan localmente temperaturas muy altas (aproximadamente 5.000 K) y presiones (aproximadamente 2.000atm). La implosión de la burbuja de cavitación también produce chorros de líquido de hasta 280 m / s de velocidad. [Suslick 1998]

Moholkar et al. (2000) encontraron que las burbujas en la región de mayor intensidad de cavitación se sometieron a un movimiento transitorio, mientras que las burbujas en la región de intensidad más bajo cavitación se sometieron a movimiento estable / oscilatorio. El colapso transitoria de las burbujas que da lugar a la temperatura y presión máximos locales está en la raíz de los efectos observados de los ultrasonidos en sistemas químicos.
La intensidad de la sonicación es una función del aporte de energía y el área del sonotrodo. Para un determinado aporte de energía se cumple que: cuanto mayor sea la superficie del sonotrodo, menor resulta la intensidad de los ultrasonidos.
Las ondas de ultrasonido pueden ser generados por diferentes tipos de sistemas ultrasónicos. En lo siguiente, las diferencias entre el tratamiento con ultrasonidos utilizando un baño de ultrasonidos, se compararán dispositivo de sonda de ultrasonidos en un recipiente abierto y el dispositivo de sonda de ultrasonidos con cámara de la celda de flujo.

Comparación de la distribución punto caliente cavitacional

Para las aplicaciones de ultrasonidos, se utilizan sondas de ultrasonidos (sonotrodos / bocinas) y baños de ultrasonidos. “Entre estos dos métodos de ultrasonidos, la sonicación por sonda es más eficaz y potente que el baño de ultrasonidos en la aplicación de la dispersión de nanopartículas; el dispositivo de baño de ultrasonidos puede proporcionar una ultrasonicación débil con aproximadamente 20-40 W/L y una distribución muy poco uniforme, mientras que el dispositivo de sonda de ultrasonidos puede proporcionar 20.000 W/L en el fluido. Por lo tanto, significa que el dispositivo de sonda ultrasónica supera al dispositivo de baño ultrasónico por el factor de 1000.” (cf. Asadi et al., 2019)

baño ultrasónico

En un baño de ultrasonidos, cavitación se produce no conformable y sin control distribuido a través del tanque. El efecto de sonicación es de baja intensidad y de manera desigual untado. La repetibilidad y la escalabilidad del proceso es muy pobre.
El cuadro siguiente muestra los resultados de una prueba de papel de aluminio en un baño de ultrasonidos. Por lo tanto, una delgada hoja de aluminio o estaño se coloca en la parte inferior de un tanque de ultrasonidos lleno de agua. Después de la sonicación, las marcas individuales de erosión son visibles. Esos puntos perforadas individuales y agujeros en la lámina indican los puntos calientes de cavitación. Debido a la energía baja y la desigual la distribución de la ecografía dentro del tanque, las marcas de erosión se produce único punto se refiere. Por lo tanto, baños de ultrasonidos se utilizan sobre todo para aplicaciones de limpieza.

Las figuras siguientes muestran la distribución desigual de los puntos calientes cavitacionales en un baño ultrasónico. En la Fig. 2, un baño con una superficie inferior de 20×10 cm se ha utilizado.

Para las mediciones se muestran en la Fig. 3, un baño de ultrasonidos con un espacio inferior de 12x10cm se ha utilizado.

Ambas mediciones revelan que la distribución del campo de irradiación ultrasónica en los tanques de ultrasonidos es muy desigual.
El estudio de la irradiación ultrasónica en varios lugares en el baño de muestra variaciones espaciales significativas en la intensidad de cavitación en el baño ultrasónico.

Fig. 4 a continuación compara la eficiencia de un baño de ultrasonidos y un dispositivo de sonda ultrasónica ejemplificado por la decoloración de colorante azoico Violeta de Metilo.

Dhanalakshmi et al. encontrado en su estudio que De tipo sonda ultrasónica dispositivos tienen una alta localizada intensidad en comparación con el de tipo tanque y por lo tanto, mayor efecto localizado como se representa en la Fig. 4. Esto significa una mayor intensidad y la eficiencia del proceso de sonicación.
Una configuración de ultrasonidos como se muestra en la imagen 4, permite un control total sobre los parámetros más importantes - amplitud, presión, temperatura, viscosidad, concentración, volumen del reactor.

Dispositivo de ultrasonidos de sonda en un vaso de precipitados abierto

Cuando las muestras se sonicaron utilizando un dispositivo de sonda de ultrasonidos, la zona de sonicación intensa es directamente debajo del sonotrodo / sonda. La distancia de la irradiación ultrasónica se limita a un área determinada de la punta del sonotrodo. (Ver fig.1)
procesos ultrasónicos en vasos abiertos se utilizan sobre todo para las pruebas de viabilidad y para la preparación de muestras de volúmenes más pequeños.

dispositivo de sonda de ultrasonidos en modo de flujo continuo

Los resultados de sonicación más sofisticados se consiguen mediante un procesamiento continuo en un modo de flujo continuo cerrado. Todo el material es procesado por la misma intensidad de ultrasonido como la trayectoria de flujo y tiempo de residencia en la cámara del reactor ultrasónico se controla.

Foto. 4: sistema ultrasónico 1kW UIP1000hd con celda de flujo y la bomba

Los resultados del proceso de procesamiento de líquidos de ultrasonidos para una configuración de parámetro dado son una función de la energía por volumen procesado. La función cambia con alteraciones en los parámetros individuales. Además, la salida de potencia real y la intensidad por unidad de superficie del sonotrodo de una unidad de ultrasonidos depende de los parámetros.

El impacto cavitacional de procesamiento de ultrasonidos depende de la intensidad superficie que está decribed por amplitud (A), la presión (p), el volumen del reactor (VR), la temperatura (T), la viscosidad (η) y otros. Los signos más y menos indican una influencia positiva o negativa del parámetro específico de la intensidad de sonicación.

Al controlar el parámetro más importante del proceso de sonicación el proceso es completamente repetible y los resultados obtenidos se puede escalar completamente lineal. Los diferentes tipos de sonotrodos y reactores de la celda de flujo ultrasónicos permiten la adaptación a requisitos de proceso específicos.

Resumen

mientras que una baño ultrasónico provee un débiles sonicación con aprox. 20-40 W / L y una muy no uniforme distribución, ultrasónico de tipo sonda Los dispositivos se pueden acoplar fácilmente aprox. 20.000 W / L en el medio de procesado. Esto significa que un dispositivo de tipo sonda ultrasónica sobresale un baño de ultrasonidos en un factor de 1000 (1000x mayor entrada de energía por volumen) debido a una enfocado y uniforme entrada de energía ultrasónica. El control total sobre el tratamiento con ultrasonidos más importantes parámetros se asegura completamente reproducibles resultados y la escalabilidad lineal de los resultados del proceso.