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 des ultrasons à l'échantillon, il existe des différences significatives en termes d'efficacité, de rendement et de capacités de traitement. Les ultrasons de type sonde surpassent radicalement les bains à ultrasons en termes d'intensité et d'amplitude des ultrasons, de traitement uniforme et de reproductibilité.

Les effets escomptés de la ultrasonication des liquides – comprenant homogénéisation, Dispersion, désagglomération, fraisage, émulsification, Extraction, lyse, Désintégration et effets sonochimiques - sont causés 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 vitesses dépendant de la fréquence. Pendant le cycle à basse pression, les ondes ultrasoniques à 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 d'énergie, elles s'effondrent violemment lors d'un cycle à haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Pendant l'implosion, des températures très élevées (environ 5000K) et des pressions (environ 2000atm) sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation se traduit également par des jets de liquide pouvant atteindre une vitesse de 280 m / s. [Suslick 1998]

Moholkar et al. (2000) ont constaté que les bulles dans la région de l'intensité de cavitation plus haut ont subi un mouvement transitoire, tandis que les bulles dans la région de l'intensité de cavitation plus bas ont subi un mouvement stable / oscillatoire. L'effondrement transitoire de bulles qui donne naissance à des maxima de température locale et la pression est à la base des effets observés des ultrasons sur les systèmes chimiques.
L'intensité des ultrasons est une fonction de l'énergie d'entrée et la zone de surface de la sonotrode. Pour un apport d'énergie donné applique: plus la zone de surface de la sonotrode est faible, plus l'intensité des ultrasons.
Les ultrasons peuvent être générés par différents types de systèmes à ultrasons. Dans ce qui suit, les différences entre la sonication en utilisant un bain à ultrasons, un dispositif de sonde à ultrasons dans un récipient ouvert et un dispositif de sonde à ultrasons avec la chambre de la cellule d'écoulement seront comparés.

Comparaison de la distribution des points chauds cavitationnel

Pour les applications à ultrasons, on utilise des sondes à ultrasons (sonotrodes / cornes) et des bains à ultrasons. “Parmi ces deux méthodes d'ultrasons, la sonication par sonde est plus efficace et plus puissante que le bain à ultrasons dans l'application de la dispersion de nanoparticules ; le dispositif de bain à ultrasons peut fournir une faible ultrasonication avec environ 20-40 W/L et une distribution très non uniforme alors que le dispositif de sonde à ultrasons peut fournir 20 000 W/L dans le fluide. Ainsi, cela signifie que le dispositif de sonde à ultrasons est supérieur au dispositif de bain à ultrasons par un facteur de 1000.” (cf. Asadi et al., 2019)

Bain à ultrasons

Dans un bain à ultrasons, la cavitation se produit non conforme et incontrôlable distribué à travers le réservoir. L'effet est sonication de faible intensité et de manière inégale propager. La reproductibilité et l'évolutivité du processus est très pauvre.
L'image ci-dessous montre les résultats d'un test de papier d'aluminium dans une cuve à ultrasons. Par conséquent, une feuille d'aluminium mince ou d'étain est placée au fond d'une cuve à ultrasons rempli d'eau. Après sonication, les marques d'érosion unique sont visibles. Ces points perforés simples et des trous dans la feuille indiquent les points chauds de cavitation. En raison de batterie faible et le inégal la distribution des ultrasons dans la cuve, les notes d'érosion se produit seulement à goutte place. Par conséquent, les bains à ultrasons sont principalement utilisés pour des applications de nettoyage.

Les chiffres ci-dessous montrent la répartition inégale des points chauds dans cavitationnels un bain à ultrasons. Sur la Fig. 2, une baignoire avec une zone de fond de 20×10 cm a été utilisé.

Pour les mesures indiquées dans la Fig. 3, a été utilisé un bain à ultrasons avec un espace de fond de 12x10cm.

Les deux mesures révèle que la distribution du champ d'irradiation par ultrasons dans les réservoirs à ultrasons est très inégale.
L'étude de l'irradiation par ultrasons à divers endroits dans le bain présente d'importantes variations spatiales de l'intensité de cavitation dans le bain à ultrasons.

Fig. 4 ci-dessous compare l'efficacité d'un bain à ultrasons et un dispositif de sonde à ultrasons illustré par la décoloration du colorant azoïque violet de méthyle.

Dhanalakshmi et al. trouvé dans leur étude à ultrasons de type sonde appareils ont une élevé localisé intensité par rapport au réservoir de type et, par conséquent, un effet plus localisée telle que représentée sur la Fig. 4. Cela signifie une plus grande intensité et l'efficacité du processus de sonification.
Une installation à ultrasons comme dans la figure 4, permet un contrôle total sur les paramètres les plus importants - amplitude, la pression, la température, la viscosité, la concentration, le volume du réacteur.

Dispositif ultrasonique de la sonde dans un bêcher ouvert

Lorsque les échantillons sont soumis à une sonication à l'aide d'un dispositif de sonde à ultrasons, la zone de sonication intense est directement sous la sonotrode / sonde. La distance d'irradiation ultrasonore est limité à une certaine zone de la pointe de la sonotrode. (Voir fig.1)
ultrasons à béchers ouverts sont principalement utilisés pour les tests de faisabilité et préparation d'échantillons de plus petits volumes.

Dispositif de sonde à ultrasons en mode d'écoulement continu

Les résultats de sonication les plus sophistiqués sont atteints par un traitement continu en mode accréditive fermé. Tout le matériel est traité par la même intensité ultrasonore du trajet d'écoulement et le temps de séjour dans la chambre de réacteur à ultrasons est contrôlé.

Pic. 4: Système à ultrasons 1kW UIP1000hd avec la cellule d'écoulement et pompe

Les résultats du procédé de traitement de liquide par ultrasons pour une configuration de paramètre donné est une fonction de l'énergie par volume traité. La fonction change avec les modifications des paramètres individuels. En outre, la puissance de sortie réelle et de l'intensité par unité de surface de la sonotrode d'un appareil à ultrasons dépend des paramètres.

L'impact de cavitation de traitement par ultrasons dépend de l'intensité de surface qui est decribed par l'amplitude (A), la pression (p), le volume du réacteur (VR), la température (T), la viscosité (η) et d'autres. Les signes plus et moins indiquent une influence positive ou négative du paramètre spécifique sur l'intensité de 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 des réacteurs de cellule d'écoulement à ultrasons permettent l'adaptation aux exigences de processus spécifiques.

Résumé

Alors qu'un Bain à ultrasons fournit un faible sonication avec env. 20-40 W / L et un très non uniforme Distribution, Sonde de type à ultrasons Les appareils peuvent facilement deux environ. 20,000 W / L dans le milieu traité. Ceci signifie qu 'un dispositif de type sonde à ultrasons se distingue d'un bain à ultrasons par un facteur de 1 000 (1000x d'entrée d'énergie plus élevée par volume) en raison d'une concentré et uniforme entrée d'énergie ultrasonique. Les paramètres de contrôle total sur le sonication le plus important assure complètement reproductible les résultats et la évolutivité linéaire Les résultats du processus.