Application des ultrasons de puissance à l'aide de cornes à ultrasons

Les cornes ou sondes ultrasoniques sont largement utilisées pour de nombreuses applications de traitement des liquides, notamment l'homogénéisation, la dispersion, le broyage humide, l'émulsification, l'extraction, la désintégration, la dissolution et la désaération. Apprenez les bases des cornes et des sondes à ultrasons et de leurs applications.

Corne à ultrasons et sonde à ultrasons

Souvent, les termes corne et sonde à ultrasons sont utilisés de manière interchangeable et font référence à la tige ultrasonore qui transmet les ondes ultrasonores dans le liquide. Les autres termes utilisés pour désigner la sonde à ultrasons sont cornet acoustique, sonotrode, guide d'ondes acoustiques ou doigt ultrasonique. Toutefois, techniquement, il existe une différence entre un cornet à ultrasons et une sonde à ultrasons.
Les deux, corne et sonde, font référence à des parties de l'ultrasonateur dit de type sonde. Le cornet ultrasonore est la partie métallique du transducteur ultrasonore, qui est excité par des vibrations générées par voie piézoélectrique. La corne ultrasonore vibre à une certaine fréquence, par exemple 20 kHz, ce qui signifie 20 000 vibrations par seconde. Le titane est le matériau de prédilection pour la fabrication des cornes à ultrasons en raison de ses excellentes propriétés de transmission acoustique, de sa résistance à la fatigue et de sa dureté de surface.

La sonde ultrasonique est également appelée sonotrode ou doigt ultrasonique. Il s'agit d'une tige métallique, le plus souvent en titane, qui est vissée à la corne à ultrasons. La sonde ultrasonore est une partie essentielle du processeur ultrasonore, qui transmet les ondes ultrasonores dans le milieu sonique. Les sondes ultrasonores/sonotrodes sont disponibles sous différentes formes (par exemple conique, à pointe, conique ou en cascade). Si le titane est le matériau le plus couramment utilisé pour les sondes ultrasonores, il existe également des sonotrodes en acier inoxydable, en céramique, en verre et autres matériaux.

Comme la corne et la sonde ultrasonores sont soumises à une compression ou une tension constante pendant la sonication, le choix du matériau de la corne et de la sonde est crucial. L'alliage de titane de haute qualité (grade 5) est considéré comme le métal le plus fiable, le plus durable et le plus efficace pour résister à la tension, pour supporter des amplitudes élevées sur de longues périodes et pour transmettre les propriétés acoustiques et mécaniques.

Les ultrasonateurs à haute performance fonctionnent principalement dans la gamme de fréquences de 20 à 30 kHz. À 20 kHz, la sonde ultrasonore est généralement une tige résonnante d'une demi-longueur d'onde, qui se dilate et se contracte constamment 20 000 fois par seconde. Les mouvements d'expansion et de contraction sont transmis sous forme d'ultrasons de haute puissance dans le milieu de traitement, c'est-à-dire un fluide ou une boue, afin de répondre à des applications telles que

• mélange ultrasonique à haut cisaillement
• ultrasons broyage par voie humide
• la dispersion ultrasonique des nanoparticules
• Nano-émulsification ultrasonique
• Extraction par ultrasons
• désintégration à ultrasons
• la perturbation et la lyse cellulaires par ultrasons
• dégazage et désaération par ultrasons
• la sono-chimie (sono-synthèse, sono-catalyse)

Comment fonctionne l'échographie de puissance ? – Le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique

Pour les applications ultrasonores à hautes performances telles que l'homogénéisation, la réduction de la taille des particules, la désintégration ou les nano-dispersions, des ultrasons de haute intensité et de basse fréquence sont générés par un transducteur ultrasonore et transmis dans un liquide via un cornet et une sonde ultrasonores (sonotrode). Les ultrasons de haute puissance sont considérés comme des ultrasons dans la gamme de 16 à 30 kHz. La sonde à ultrasons se dilate et se contracte par exemple à 20 kHz, transmettant ainsi respectivement 20 000 vibrations par seconde dans le milieu. Lorsque les ondes ultrasonores traversent le liquide, des cycles alternés de haute pression (compression) / basse pression (raréfaction / expansion) créent de minuscules cavités (bulles de vide), qui se développent sur plusieurs cycles de pression. Pendant la phase de compression du liquide et des bulles, la pression est positive, tandis que la phase de raréfaction produit un vide (pression négative.) Pendant les cycles de compression-expansion, les cavités du liquide se développent jusqu'à atteindre une taille à laquelle elles ne peuvent plus absorber d'énergie. À ce stade, elles implosent violemment. L'implosion de ces cavités entraîne divers effets hautement énergétiques, connus sous le nom de phénomène de cavitation acoustique / ultrasonique. La cavitation acoustique est caractérisée par de nombreux effets hautement énergétiques, qui touchent les liquides, les systèmes solides/liquides ainsi que les systèmes gaz/liquides. La zone de densité d'énergie ou zone de cavitation est connue sous le nom de zone de point chaud, qui est la plus dense en énergie à proximité de la sonde ultrasonique et qui diminue avec la distance de la sonotrode. Les principales caractéristiques de la cavitation ultrasonore comprennent des températures et des pressions très élevées qui se produisent localement, ainsi que les différentiels, les turbulences et les courants liquides respectifs. Lors de l'implosion des cavités ultrasonores dans les points chauds ultrasonores, des températures allant jusqu'à 5000 Kelvin, des pressions allant jusqu'à 200 atmosphères et des jets de liquide allant jusqu'à 1000km/h peuvent être mesurés. Ces conditions exceptionnelles d'intensité énergétique contribuent à des effets sonomécaniques et sonochimiques qui intensifient les processus et les réactions chimiques de diverses manières.
Les principaux effets des ultrasons sur les liquides et les boues sont les suivants :

• C'est un travail d'orfèvre : Les forces ultrasonores à fort cisaillement perturbent les liquides et les systèmes liquide-solide en provoquant une agitation intense, une homogénéisation et un transfert de masse.
• Impact : Les jets de liquide et les flux générés par la cavitation ultrasonique accélèrent les solides dans les liquides, ce qui entraîne ensuite une collision interparticulaire. Lorsque les particules entrent en collision à très grande vitesse, elles s'érodent, se brisent et sont broyées et dispersées finement, souvent jusqu'à la taille d'un nanomètre. Pour les matières biologiques telles que les matières végétales, les jets liquides à grande vitesse et les cycles de pression alternés perturbent les parois cellulaires et libèrent la matière intracellulaire. Il en résulte une extraction très efficace des composés bioactifs et un mélange homogène de la matière biologique.
• L'agitation : Les ultrasons provoquent d'intenses turbulences, des forces de cisaillement et des micro-mouvements dans le liquide ou la boue. Ainsi, la sonication intensifie toujours le transfert de masse et accélère ainsi les réactions et les processus.

Les homogénéisateurs à ultrasons et les mélangeurs à haut cisaillement sont utilisés dans presque toutes les industries de transformation, qui travaillent avec des liquides ou des boues. Les forces de cavitation ultrasonores intenses créent une agitation, un cisaillement, une rupture de particules et un transfert de masse intenses. Ainsi, les liquides sont homogénéisés, dispersés, émulsifiés, extraits, dissous et/ou des réactions chimiques sont initiées. Dans l'ensemble, l'ultrason est une méthode d'intensification des processus qui augmente le rendement, améliore les taux de conversion et rend les processus plus efficaces.
Les applications courantes des ultrasons dans l'industrie sont réparties dans de nombreuses branches de l'alimentation & pharmacie, chimie fine, énergie & la pétrochimie, le recyclage, les bioraffineries, etc :

• synthèse du biodiesel par ultrasons
• l'homogénéisation par ultrasons des jus de fruits
• la production de vaccins par ultrasons
• recyclage des batteries Li-ion par ultrasons
• la synthèse par ultrasons de nanomatériaux
• Formulation ultrasonique des produits pharmaceutiques
• la nano-émulsification ultrasonique de la CDB
• l'extraction par ultrasons des plantes
• la préparation d'échantillons par ultrasons en laboratoire
• dégazage ultrasonique des liquides
• la désulfuration du pétrole brut par ultrasons
• et bien d'autres encore ...

Cornes et sondes à ultrasons pour les applications à haute performance

Hielscher Ultrasons est un fabricant et distributeur de longue date d'ultrasons de haute puissance, qui sont utilisés dans le monde entier pour des applications lourdes dans de nombreuses industries.
Avec des processeurs à ultrasons de toutes tailles, de 50 watts à 16 kW par appareil, des sondes de tailles et de formes diverses, des réacteurs à ultrasons de volumes et de géométries différentes, Hielscher Ultrasons dispose de l'équipement adéquat pour configurer l'installation ultrasonore idéale pour votre application.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators: