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

Los efectos deseados de la ultrasonicación de líquidos – con detalle de homogeneización, Dispersión, desaglomeración, Pulverizar, emulsión, extracción, lisis, Ruptura celular y efectos sonoros - son causadas por cavitación. Al introducir el ultrasonido de alta potencia en un medio líquido, las ondas sonoras se transmiten en el fluido y crean ciclos alternados de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), con tasas que dependen de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o vacíos en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen al que ya no pueden absorber energía, colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión se alcanzan temperaturas muy altas (aprox. 5.000K) y presiones (aprox. 2.000atm) localmente. 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 experimentaron un movimiento transitorio, mientras que las burbujas en la región de menor intensidad de cavitación experimentaron un movimiento estable/ oscilatorio. El colapso transitorio de las burbujas que da lugar a los máximos de temperatura y presión locales es la raíz de los efectos observados del ultrasonido en los 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 generadas por diferentes tipos de sistemas ultrasónicos. A continuación se comparan las diferencias entre la sonicación por baño de ultrasonidos, el dispositivo de sonda de ultrasonidos en un recipiente abierto y el dispositivo de sonda de ultrasonidos con cámara de celda de flujo.

Comparación de la distribución del punto caliente cavitacional

Baño de ultrasonidos

En un baño de ultrasonidos, la cavitación se produce de forma inconforme y distribuida de forma incontrolable a través del tanque. El efecto de sonicación es de baja intensidad y de manera irregular se extendió. La repetibilidad y escalabilidad del proceso es muy pobre.
La imagen de abajo muestra los resultados de una prueba de lámina en un tanque ultrasónico. Por lo tanto, se coloca una fina lámina de aluminio o estaño en el fondo de un tanque ultrasónico lleno de agua. Después de la sonicación, las marcas de erosión son visibles. Esos únicos puntos perforados y agujeros en la lámina indican los puntos calientes cavitacionales. Debido a la baja energía y la dispares distribución del ultrasonido dentro del tanque, las marcas de erosión se producen sólo de forma puntual. Por lo tanto, los baños de ultrasonidos se utilizan principalmente para aplicaciones de limpieza.

Las siguientes figuras muestran la distribución desigual de los puntos calientes cavitacionales en un baño de ultrasonidos. En la Fig. 2, una bañera con un área de fondo de 20×Se han utilizado 10 cm.

Para las medidas indicadas en la Fig. 3 se ha utilizado un baño de ultrasonidos con un espacio inferior de 12x10cm.

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

Fig. 4 abajo compara la eficiencia de un baño de ultrasonido y un dispositivo de sonda de ultrasonido ejemplificado por la decoloración del colorante azoico Violeta de metilo.

Dhanalakshmi et al. encontraron en su estudio que ultrasonido tipo sonda tienen un alta localizada en comparación con el tipo de depósito y, por lo tanto, un mayor efecto localizado, como se muestra en la Fig. 4. Esto significa una mayor intensidad y eficiencia del proceso de sonicación.
Una configuración ultrasónica como la que 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 sonda ultrasónica en un vaso de precipitados abierto

Cuando las muestras se sondean utilizando un dispositivo de sonda ultrasónica, la zona de sonicación intensa se encuentra directamente debajo del sonotrodo/sonda. La distancia de irradiación ultrasónica se limita a un área determinada de la punta del sonotrodo. (véase la fig. 1)
Los procesos ultrasónicos en vasos de precipitados abiertos se utilizan principalmente para pruebas de viabilidad y para la preparación de muestras de volúmenes más pequeños.

Dispositivo de sonda ultrasónica en modo de flujo continuo

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

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

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

El impacto cavitacional del procesamiento ultrasónico depende de la intensidad de la superficie que es descrita por la amplitud (A), la presión (p), el volumen del reactor (VR), la temperatura (T), la viscosidad (η) y otros. Los signos positivo y negativo indican una influencia positiva o negativa del parámetro específico en la intensidad de sonicación.

Al controlar el parámetro más importante del proceso de sonicación, el proceso es totalmente repetible y los resultados obtenidos pueden ser escalados de forma completamente lineal. Diferentes tipos de sonotrodos y reactores de celdas de flujo ultrasónicas permiten la adaptación a los requerimientos específicos del proceso.

Resumen

Mientras que un Baño de ultrasonidos proporciona un flojo sonicación con aprox. 20-40 W/L y una no uniforme distribución, sonda de ultrasonidos pueden acoplarse fácilmente aprox. 20.000 W/L en el medio procesado. Esto significa que un dispositivo de tipo sonda ultrasónica sobresale de un baño de ultrasonidos por un factor de 1000 (1000 veces mayor entrada de energía por volumen) debido a un enfocado y homogéneo entrada de energía ultrasónica. El control total de los parámetros de sonicación más importantes garantiza completamente reproducible resultados y la Escalabilidad lineal de los resultados del proceso.