Sonificateurs à sonde et bains à ultrasons

Comprendre les différences entre un sonicateur à sonde et un bain ultrasonique vous permet de choisir l'option la plus efficace pour votre application. Les sonicateurs à sonde Hielscher concentrent l'énergie ultrasonique intense directement sur votre échantillon, ce qui réduit les temps de traitement et garantit des résultats cohérents et reproductibles. En revanche, les bains à ultrasons dispersent l'énergie sur une plus grande surface, ce qui se traduit par une très faible intensité et une cavitation marginale et inégale. Cette faible intensité de sonication entraîne souvent des temps de traitement plus longs et des résultats inférieurs.

Pour des tâches telles que l'émulsification, la dispersion, l'extraction ou la réduction de la taille des particules, les sonicateurs à sonde génèrent des forces de cisaillement uniformes et une cavitation de haute intensité. Cette approche directe permet de s'attaquer à des applications difficiles et de passer facilement de petits tests de laboratoire à des séries de production complètes. En revanche, les bains à ultrasons peuvent suffire pour un nettoyage doux ou des traitements de faible intensité, mais ils se heurtent souvent à des tâches plus exigeantes qui nécessitent un contrôle précis de l'amplitude et de la température. Lorsque vous avez besoin de fiabilité, de flexibilité et de performances robustes, les sonicateurs à sonde Hielscher offrent un avantage certain sur les bains à ultrasons de base.

Intensité de cavitation du sonicateur

Les sonicateurs à sonde introduisent des ultrasons de forte puissance directement dans le milieu liquide, où les ondes sonores créent des cycles alternatifs de haute et de basse pression dans le liquide. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume tel qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie, elles s'effondrent violemment au cours d'un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Lors de l'implosion, des températures et des pressions très élevées sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation donne également lieu à des jets de liquide extrêmement rapides.
 

Contexte : Cavitation ultrasonique

Moholkar (2000) a constaté que les bulles dans la région où l'intensité de la cavitation est la plus élevée subissaient un mouvement transitoire, tandis que les bulles dans la région où l'intensité de la cavitation est la plus faible subissaient un mouvement stable et oscillatoire. L'effondrement transitoire des bulles qui donne lieu à des maxima locaux de température et de pression est à l'origine des effets observés des ultrasons sur les systèmes chimiques.
L'intensité des ultrasons est fonction de l'apport d'énergie et de la surface de la sonotrode. Pour un apport d'énergie donné, plus la surface de la sonotrode est grande, plus l'intensité des ultrasons est faible.
Les ondes ultrasonores peuvent être générées par différents types de systèmes ultrasonores. Dans ce qui suit, les différences entre la sonication utilisant un bain à ultrasons, un dispositif de sonde à ultrasons dans un récipient ouvert et un dispositif de sonde à ultrasons avec une chambre à écoulement seront comparées.

Comparaison de la distribution de la cavitation

Pour les applications ultrasoniques, vous pouvez utiliser des sondes ultrasoniques (sonicateurs à sonde) ou des bains ultrasoniques. “Parmi ces deux méthodes d'ultrasonication, la sonication par sonde est plus efficace et plus puissante que le bain ultrasonique dans l'application de la dispersion des nanoparticules ; le dispositif de bain ultrasonique peut fournir une faible ultrasonication avec environ 20-40 W/L et une distribution très non uniforme, tandis que le dispositif de sonde ultrasonique peut fournir 20 000 W/L dans le fluide. Cela signifie que le dispositif à sonde ultrasonique est plus performant que le dispositif à bain ultrasonique d'un facteur de 1000.” (cf. Asadi et al., 2019)

Sonificateurs à sonde et bains à ultrasons : Comparaison de la distribution de la cavitation

Dans le domaine des applications ultrasoniques, les sonicateurs à sonde et les bains ultrasoniques jouent tous deux un rôle important. Cependant, lorsqu'il s'agit de dispersion de nanoparticules, les sonicateurs à sonde sont nettement plus performants que les bains à ultrasons. Selon Asadi (2019), les bains à ultrasons génèrent généralement une ultrasonication plus faible d'environ 20 à 40 watts par litre avec une distribution très irrégulière. À l'inverse, les appareils à sonde ultrasonique peuvent délivrer un étonnant 20000 Watts par litre dans le liquide, faisant preuve d'une efficacité qui surpasse les bains ultrasoniques d'un facteur 1000. Cette différence marquée met en évidence la capacité supérieure des sonicateurs à sonde à obtenir une dispersion efficace et uniforme des nanoparticules.

Bains à ultrasons

Dans un bain à ultrasons, la cavitation se produit de manière non conforme et se répartit de manière incontrôlée dans la cuve. L'effet de sonication est de faible intensité et inégalement réparti. La répétabilité et l'extensibilité du processus sont très faibles.
L'image ci-dessous montre les résultats d'un test avec une feuille d'aluminium dans une cuve à ultrasons. Pour ce faire, une fine feuille d'aluminium ou d'étain est placée au fond d'une cuve à ultrasons remplie d'eau. Après la sonication, des marques d'érosion uniques sont visibles. Ces points perforés et ces trous dans la feuille indiquent les points chauds de la cavitation. En raison de la faible énergie et de la distribution inégale des ultrasons dans la cuve, les marques d'érosion ne se produisent que ponctuellement. C'est pourquoi les bains à ultrasons sont principalement utilisés pour des applications de nettoyage.
 

 
Les figures ci-dessous montrent la répartition inégale des points chauds de cavitation dans un bain à ultrasons. Dans la figure 2, un bain avec une surface de fond de 20×10 cm ont été utilisés.
 

 
Pour les mesures présentées dans la figure 3, un bain ultrasonique avec un fond de 12x10cm a été utilisé.

 
Les deux mesures révèlent que la distribution du champ d'irradiation ultrasonique dans les cuves à ultrasons est très inégale. L'étude de l'irradiation ultrasonique à différents endroits du bain montre des variations spatiales significatives de l'intensité de la cavitation dans le bain ultrasonique.

La figure 4 ci-dessous compare l'efficacité d'un bain ultrasonique et d'un dispositif de sonde ultrasonique, illustrée par la décoloration d'un colorant azoïque, le violet de méthyle.

Dhanalakshmi et al. ont constaté dans leur étude que les appareils à ultrasons de type sonde ont une intensité localisée élevée par rapport aux appareils de type cuve et, par conséquent, un effet localisé plus important, comme le montre la figure 4. Cela signifie que l'intensité et l'efficacité du processus de sonification sont plus élevées.
Une installation à ultrasons, comme le montre la photo 4, permet de contrôler entièrement les paramètres les plus importants, tels que l'amplitude, la pression, la température, la viscosité, la concentration et le volume du réacteur.

Les avantages des sonicateurs à sonde

Les sondes ultrasoniques ou sonotrodes sont conçues pour concentrer l'énergie ultrasonique dans une zone précise, généralement à l'extrémité de la sonde. Cette transmission ciblée de l'énergie permet un traitement précis et efficace des échantillons. Comme la conception de la sonde garantit qu'une partie importante de l'énergie ultrasonique est dirigée vers l'échantillon, le transfert d'énergie est considérablement amélioré par rapport aux bains ultrasoniques. Cette transmission ciblée de la puissance des ultrasons est particulièrement avantageuse pour les applications nécessitant un contrôle précis des paramètres de sonication, telles que la désintégration cellulaire, la nano-dispersion, la synthèse de nanoparticules, l'émulsification et l'extraction botanique.
Par conséquent, les sonicateurs à sonde offrent des avantages indéniables par rapport aux bains ultrasoniques en termes de précision, de contrôle, de flexibilité, d'efficacité et d'évolutivité, ce qui en fait des outils indispensables pour un large éventail d'applications scientifiques et industrielles.

Sonicateurs à sonde pour le traitement des béchers ouverts

Lorsque les échantillons sont sonifiés à l'aide d'un dispositif à sonde ultrasonique, la zone de sonification intense se trouve directement sous la sonotrode/la sonde. La distance d'irradiation ultrasonique est limitée à une certaine zone de la pointe de la sonotrode. (voir image 1)
Les procédés ultrasoniques dans des béchers ouverts sont principalement utilisés pour les essais de faisabilité et pour la préparation d'échantillons de plus petits volumes.

Sonicateurs à sonde avec cellule d'écoulement pour le traitement en ligne

Les résultats les plus sophistiqués de la sonication sont obtenus par un traitement continu en mode flux fermé. Toutes les matières sont traitées par la même intensité d'ultrasons que le flux et le temps de séjour dans la chambre du réacteur à ultrasons est contrôlé.

Les résultats du traitement des liquides par ultrasons pour une configuration de paramètres donnée sont fonction de l'énergie par volume traité. Cette fonction varie en fonction des modifications apportées aux différents paramètres. En outre, la puissance de sortie réelle et l'intensité par surface de la sonotrode d'un appareil à ultrasons dépendent des paramètres.

En contrôlant le paramètre le plus important du processus de sonication, le processus est entièrement reproductible et les résultats obtenus peuvent être mis à l'échelle de manière totalement linéaire. Différents types de sonotrodes et de réacteurs ultrasoniques pour cellules d'écoulement permettent de s'adapter aux exigences spécifiques du processus.

Résumé : Sonicateur à sonde et bain à ultrasons

Alors qu'un bain à ultrasons fournit une sonication faible avec environ 20 watts par litre seulement et une distribution très irrégulière, les sonicateurs à sonde peuvent facilement coupler environ 20000 watts par litre dans le milieu traité. Cela signifie qu'un sonicateur à sonde ultrasonique surpasse un bain ultrasonique par un facteur de 1000 (apport d'énergie par volume 1000 fois plus élevé) grâce à un apport de puissance ultrasonique ciblé et uniforme. Le contrôle total des paramètres de sonification les plus importants garantit des résultats parfaitement reproductibles et l'évolutivité linéaire des résultats du processus.