Hielscher – Technologie Ultrasons

Sonication par sonde ou bain ultrasonique : Comparaison de l'efficacité

Les processus de sonication peuvent être réalisés à l'aide d'un homogénéisateur ultrasonique à sonde ou d'un bain ultrasonique. Bien que les deux techniques appliquent l'échographie à l'échantillon, il existe des différences significatives en termes d'efficacité, d'efficience et de capacités de traitement.

Les effets souhaités de l'ultrasonisation des liquides – incluant homogénéisation, Dispersion, désagglomération, Fraisage, émulsification, Extraction, lyse, Désintégration et effets sonochimiques - sont causées par cavitation. En introduisant des ultrasons de haute puissance dans un milieu liquide, les ondes sonores sont transmises dans le fluide et créent des cycles alternés de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), avec des taux dépendant de la fréquence. 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 auquel elles ne peuvent plus absorber l'énergie, elles s'effondrent violemment pendant un cycle à haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Pendant l'implosion, de très hautes températures (environ 5.000 K) et pressions (environ 2.000atm) sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation produit également des jets liquides d'une vitesse pouvant atteindre 280 m/s. [Suslick 1998]

Les bulles de cavitation peuvent être différenciées en bulles stables et transitoires. (Cliquez pour agrandir !)

Moholkar et ses collaborateurs (2000) ont constaté que les bulles de la région où l'intensité de cavitation est la plus élevée ont subi un mouvement transitoire, tandis que les bulles de la région où l'intensité de cavitation est la plus faible ont subi un mouvement stable/oscillant. 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 de l'ultrasonisation est fonction de l'apport énergétique et de la surface de la sonotrode. Pour une énergie d'entrée donnée, 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 par bain à ultrasons, la sonde ultrasonore dans un récipient ouvert et la sonde ultrasonore avec chambre d'écoulement seront comparées.

Comparaison de la distribution des points chauds cavitationnels

Bain à ultrasons

Dans un bain à ultrasons, la cavitation se produit non conforme et distribuée de façon incontrôlable dans le réservoir. L'effet de sonication est de faible intensité et de façon inégale s'est répandue. La répétabilité et l'évolutivité du processus sont très faibles.
L'image ci-dessous montre les résultats d'un test de feuille dans un réservoir à ultrasons. Par conséquent, une mince feuille d'aluminium ou d'étain est placée au fond d'un réservoir à ultrasons rempli d'eau. Après la sonication, des traces d'érosion simples sont visibles. Ces points perforés et ces trous dans la feuille d'aluminium indiquent les points chauds de la cavitation. En raison de la énergie faible et le accidenté des ultrasons à l'intérieur du réservoir, les marques d'érosion ne se produisent que de façon ponctuelle. Par conséquent, les bains à ultrasons sont principalement utilisés pour des applications de nettoyage.

In an ultrasonic bath or tank, the ultrasonic "hot spots" se produisent de façon très inégale. (Cliquez pour agrandir !)
Les figures ci-dessous montrent la répartition inégale des points chauds cavitationnels dans un bain à ultrasons. Dans la Fig. 2, un bain avec une surface de fond de 20×10 cm a été utilisé.
Cavitation inégale dans un bain ultrasonique (Cliquez pour agrandir !)

Pour les mesures illustrées à la Fig. 3, on a utilisé un bain à ultrasons avec un espace inférieur de 12x10cm.
La figure montre la distribution spatiale inégale des points chauds ultrasoniques dans un bain à ultrasons. (Cliquez pour agrandir !)
Les deux mesures révèlent que la répartition du champ d'irradiation ultrasonique dans les réservoirs à ultrasons est très inégale.
L'étude de l'irradiation ultrasonore à différents endroits dans le bain montre des variations spatiales significatives de l'intensité de cavitation dans le bain ultrasonore.

La figure 4 ci-dessous compare l'efficacité d'un bain à ultrasons et d'une sonde à ultrasons, illustrée par la décoloration du colorant azoïque Methyl Violet.
Efficacité accrue par sonication de type sonde (Cliquez pour agrandir !)
Dhanalakshmi et al. ont constaté dans leur étude que ultrason de type sonde ont un élevé localisé par rapport au type de réservoir et, par conséquent, un effet localisé plus important, tel qu'illustré à la figure 4. Cela signifie une intensité et une efficacité accrues du processus de sonication.
Une installation à ultrasons, comme le montre la figure 4, permet un contrôle total des paramètres les plus importants - amplitude, pression, température, viscosité, concentration, volume du réacteur.

La sonication par sonde est très efficace et efficiente.

Sonication de type sonde avec UP200Ht

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Ultrasonic processing: Cavitational "hot spot"

Image 1 : Sonotrode ultrasonique transmettant des ondes sonores dans un liquide. La buée sous la surface de la sonotrode indique la zone du point chaud cavitationnel.

Avantages Sonde-Sonication :

  • véhément
  • centrée
  • entièrement contrôlable
  • répartition homogène
  • reproductibles
  • échelle linéaire à production
  • par lot et en ligne

Sonde ultrasonore dans un bécher ouvert

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

Sonde à ultrasons en mode de débit continu

Les résultats de sonication les plus sophistiqués sont obtenus par un traitement en continu en mode fermé. Tous les matériaux sont traités avec la même intensité ultrasonore que le trajet d'écoulement et le temps de séjour dans la chambre du réacteur à ultrasons est contrôlé.

Traitement en ligne par ultrasons avec réacteur à cellule d'écoulement (Cliquez ici pour agrandir !)

Pic. 4 : Système à ultrasons de 1kW UIP1000hd avec cellule de mesure de débit et pompe

Les résultats du traitement par ultrasons d'un liquide pour une configuration de paramètres donnée sont fonction de l'énergie par volume traité. La fonction change en fonction des modifications des paramètres individuels. De plus, la puissance et l'intensité réelles par surface spécifique de la sonotrode d'un appareil à ultrasons dépendent des paramètres.

Les paramètres les plus importants du traitement ultrasonique sont l'amplitude (A), la pression (p), le volume du réacteur (VR), la température (T) et la viscosité (η).

L'impact cavitationnel du traitement par ultrasons dépend de l'intensité de surface qui est décrite par l'amplitude (A), la pression (p), le volume du réacteur (VR), la température (T), la viscosité (η) et autres. Les signes plus et moins indiquent une influence positive ou négative du paramètre spécifique sur l'intensité de la sonication.

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 complètement linéaire. Différents types de sonotrodes et de réacteurs à ultrasons permettent l'adaptation aux exigences spécifiques des procédés.

Résumé

Bien qu'un Bain à ultrasons fournit un faible sonication avec env. 20-40 W/L et d'un très bon rapport qualité-prix. hétérogène distribution, sonde ultrasonique Les appareils peuvent être facilement couplés entre eux. 20.000 W/L dans le milieu traité. Cela signifie qu'un appareil à sonde ultrasonique surpasse un bain ultrasonique d'un facteur 1000 (1000 fois plus d'énergie consommée par volume) grâce à une sonde à ultrasons. centrée et homogènes entrée de puissance ultrasonique. Le contrôle total des paramètres de sonication les plus importants garantit complètement reproductible et les résultats de l Évolutivité linéaire des résultats du processus.

Sonication puissante à l'aide d'un ultrasoniseur de type sonde.

Illustration 3 : Sonication dans une éprouvette ouverte à l'aide d'un tube à essai. appareil de laboratoire à ultrasons avec sonotrode/ sonde

Littérature/Références

  • Dhanalakshmi, N. P. ; Nagarajan, R. (2011) : Ultrasonic Intensification of the Chemical Degradation of Methyl Violet : Une étude expérimentale. In : Worlds Acsd. Sci. Enginee Tech 2011, Vol.59, 537-542.
  • Kiani, H. ; Zhang, Z. Delgado, A. ; Sun, D.-W. (2011) : Nucléation assistée par ultrasons de certains aliments modèles liquides et solides pendant la congélation. In : Food Res. Intl. 2011, Vol.44/ No.9, 2915-2921.
  • Moholkar, V. S. ; Sable, S. P. ; Pandit, A. B. (2000) : Cartographier l'intensité de cavitation dans un bain ultrasonique en utilisant l'émission acoustique. In : AIChE J. 2000, Vol.46 / No.4, 684-694.
  • Nascentes, C. C. ; Korn, M. ; Sousa, C. S. ; Arruda, M. A. Z. (2001) : Utilisation des bains à ultrasons pour les applications analytiques : Une nouvelle approche pour des conditions d'optimisation. In : J. Braz. Chimie. Soc. 2001, vol. 12 / no 1, 57-63.
  • Santos, H. M. ; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009) : La puissance des ultrasons. In : Ultrasons en chimie : Application analytique. (sous la direction de J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH : Weinheim, 2009. 1-16.
  • Suslick, K. S. (1998) : Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology ; 4th Ed. J. Wiley & Fils : New York, 1998, vol. 26, 517-541.
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    Qu'il faut savoir

    Homogénéisateurs de tissus par ultrasons sont souvent dénommés sonicateur à sonde, lyser ultrasonique, disruptor ultrasons, meuleuse ultrasons, sono-rupteur, sonifier, dismembrator sonic, perturbateur cellulaire, disperseur ultrasonique ou dissolver. Les différents termes proviennent de diverses applications qui peuvent être satisfaites par la sonication.