Cavitation ultrasonique dans les liquides
La cavitation ultrasonique est le principe actif du traitement ultrasonique des liquides à haute intensité. Lorsque des ultrasons puissants sont couplés à un liquide, des bulles de vapeur microscopiques se forment, grossissent et s'effondrent violemment. Cette cavitation acoustique génère des forces de cisaillement locales intenses, des microjets, des ondes de choc, des variations de pression et des effets de micro-mélange qui peuvent accélérer l'homogénéisation, la dispersion, l'émulsification, l'extraction, le dégazage, la rupture cellulaire et les réactions sonochimiques.
Les soniqueurs à sonde Hielscher utilisent la cavitation acoustique contrôlée pour transmettre l'énergie ultrasonique directement dans les liquides, les suspensions et les boues. Qu'il s'agisse de petits échantillons de laboratoire ou de production industrielle en continu à flux continu, les systèmes Hielscher vous permettent de régler l'amplitude, la géométrie de la sonotrode, la pression, la température, le débit et le temps de séjour afin d'obtenir des résultats de cavitation reproductibles.
- À l'attention des laboratoires : développer et optimiser les paramètres de sonication sur de petits volumes.
- Pour les installations pilotes : valider les procédés basés sur la cavitation dans des conditions de traitement réalistes.
- Pour la production : intégrer la cavitation ultrasonique à grande échelle dans des procédés discontinus, en boucle fermée ou en continu.
Indiquez-nous le type de liquide, le volume du lot ou le débit, la viscosité, la teneur en solides, les limites de température et le résultat souhaité pour votre processus. Nous vous recommanderons la configuration optimale de sonecteur, de sonotrode et de cellule de traitement pour votre application de cavitation.
Sonicateurs à sonde tels que l'UP400St utilisent le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique.
Principe de fonctionnement de la cavitation ultrasonique
Lors de la sonification de liquides à des intensités élevées, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent une alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), dont les taux dépendent 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 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 (environ 5 000 K) et des pressions (environ 2 000 atm) très élevées sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation produit également des jets de liquide d'une vitesse pouvant atteindre 280 m/s.
La cavitation acoustique (générée par les ultrasons de puissance) crée localement des conditions extrêmes, appelées effets sonomécaniques et sonochimiques. Grâce à ces effets, la sonication favorise les réactions chimiques, ce qui permet d'obtenir des rendements plus élevés, une vitesse de réaction plus rapide, de nouvelles voies et une efficacité globale améliorée.
Sonicateur à sonde ou bain à ultrasons : quelle méthode de cavitation choisir ?
Les sonicateurs à sonde et les bains à ultrasons génèrent tous deux une cavitation acoustique, mais ils se distinguent nettement en termes d'intensité, de contrôle et de fiabilité du processus. Alors que les bains à ultrasons sont utiles pour le nettoyage, les soniqueurs à sonde injectent l'énergie ultrasonique directement dans le liquide et créent une zone de cavitation beaucoup plus puissante et focalisée. Cela fait des soniqueurs à sonde le choix privilégié pour les applications de traitement de liquides reproductibles telles que l'homogénéisation, l'émulsification, l'extraction, la rupture cellulaire, la dispersion de nanoparticules et les réactions sonochimiques.
| Critères de comparaison | sonde sonicateur | bain ultrasonique |
|---|---|---|
| intensité de la cavitation | Génère une cavitation acoustique de forte intensité directement à l'extrémité de la sonotrode. | Génère une cavitation moins intense répartie dans tout le volume du bain. |
| Transfert d'énergie | Transmet l'énergie ultrasonique directement dans le liquide, la suspension ou la boue. | L'énergie est transférée indirectement par le biais du liquide du bain et de la paroi du récipient. |
| contrôle des processus | Permet un réglage précis de l'amplitude, de la puissance d'entrée, du mode d'impulsion, de la température et de la durée de traitement. | Permet un contrôle limité de l'énergie ultrasonique effective qui atteint l'échantillon. |
| Reproductibilité | Permet d'obtenir des résultats de sonication reproductibles lorsque les paramètres du procédé sont définis et contrôlés. | Les résultats peuvent varier en fonction de la répartition inégale de la cavitation, de la position du récipient, du matériau de celui-ci, du niveau de remplissage et de la charge du bain. |
| Efficacité du traitement | Très efficace pour l'homogénéisation, la dispersion, l'émulsification, l'extraction, la rupture cellulaire et la sonochimie. | Convient principalement pour le nettoyage. |
| Volume de l'échantillon | Disponible pour les petits échantillons de laboratoire ainsi que pour les volumes pilotes et industriels. | Généralement utilisé pour les petits récipients ou plusieurs récipients placés à l'intérieur de la cuve. |
| intensification | Peut être transposé des essais en laboratoire aux essais pilotes, puis à la production industrielle en continu. | Il est difficile de transposer ces résultats de manière fiable, car la distribution de l'énergie et l'intensité de la cavitation ne sont pas facilement transposables. |
| Supports adaptés | Convient aux liquides, émulsions, suspensions, boues et formulations à forte teneur en solides. | Idéal pour les liquides à faible viscosité et les tâches simples de nettoyage ou de dégazage. |
| Applications typiques | Dispersion de nanoparticules, nanoémulsions, extraction, lyse cellulaire, homogénéisation, désagglomération, broyage humide et réactions sonochimiques. | Nettoyage de la verrerie, dégazage de liquides, dissolution de poudres et agitation douce des échantillons. |
| Le meilleur choix pour | Traitement ultrasonique des liquides contrôlé, puissant et reproductible. | Nettoyage simple ou traitement par ultrasons de faible intensité. |
Principales applications des ultrasonateurs et de la cavitation acoustique
Les ultrasons de type sonde, également connus sous le nom de sondes ultrasoniques, génèrent efficacement une cavitation acoustique intense dans les liquides. C'est pourquoi ils sont largement utilisés dans diverses applications dans différents secteurs. Parmi les applications les plus importantes de la cavitation acoustique générée par les ultrasons de type sonde, on peut citer
- Homogénéisation : Les sondes ultrasoniques peuvent générer une cavitation intense, qui se caractérise par un champ de vibrations et de forces de cisaillement denses en énergie. Ces forces permettent d'obtenir d'excellents résultats en matière de mélange, de mixage et de réduction de la taille des particules. L'homogénéisation par ultrasons produit des suspensions uniformément mélangées. Par conséquent, la sonication est utilisée pour produire des suspensions colloïdales homogènes avec des courbes de distribution étroites.
- Dispersion de nanoparticules : Les ultrasons sont utilisés pour la dispersion, la désagglomération et le broyage humide des nanoparticules. Les ondes ultrasonores à basse fréquence peuvent générer une cavitation percutante qui brise les agglomérats et réduit la taille des particules. En particulier, le cisaillement élevé des jets de liquide accélère les particules dans le liquide, qui entrent en collision les unes avec les autres (collision interparticulaire), de sorte que les particules se brisent et s'érodent. Il en résulte une distribution uniforme et stable des particules qui empêche la sédimentation. Cet aspect est crucial dans divers domaines, notamment la nanotechnologie, la science des matériaux et les produits pharmaceutiques.
- Emulsification et mélange : Les appareils à ultrasons à sonde sont utilisés pour créer des émulsions et mélanger des liquides. L'énergie ultrasonique provoque la cavitation, la formation et l'effondrement de bulles microscopiques, ce qui génère des forces de cisaillement locales intenses. Ce processus permet d'émulsifier des liquides non miscibles et de produire des émulsions stables et finement dispersées.
- Extraction : Grâce aux forces de cisaillement de la cavitation, les ultrasons sont très efficaces pour perturber les structures cellulaires et améliorer le transfert de masse entre le solide et le liquide. Par conséquent, l'extraction par ultrasons est largement utilisée pour libérer le matériel intracellulaire tel que les composés bioactifs pour la production d'extraits botaniques de haute qualité.
- Dégazage et désaération : Les ultrasons à sonde sont utilisés pour éliminer les bulles de gaz ou les gaz dissous dans les liquides. L'application de la cavitation ultrasonique favorise la coalescence des bulles de gaz, qui grossissent et flottent à la surface du liquide. La cavitation ultrasonique fait du dégazage une procédure rapide et efficace. Ce procédé est très utile dans diverses industries, telles que les peintures, les fluides hydrauliques ou la transformation des aliments et des boissons, où la présence de gaz peut avoir un impact négatif sur la qualité et la stabilité du produit.
- Sonocatalyse : Les sondes ultrasoniques peuvent être utilisées pour la sonocatalyse, un processus qui combine la cavitation acoustique avec des catalyseurs pour améliorer les réactions chimiques. La cavitation générée par les ondes ultrasoniques améliore le transfert de masse, augmente les taux de réaction et favorise la production de radicaux libres, ce qui conduit à des transformations chimiques plus efficaces et plus sélectives.
- Préparation de l'échantillon : Les ultrasons de type sonde sont couramment utilisés dans les laboratoires pour la préparation des échantillons. Ils permettent d'homogénéiser, de désagréger et d'extraire des échantillons biologiques, tels que des cellules, des tissus et des virus. L'énergie ultrasonique générée par la sonde perturbe les membranes cellulaires, libérant ainsi le contenu cellulaire et facilitant les analyses ultérieures.
- Désintégration et perturbation des cellules : Les ultrasons de type sonde sont utilisés pour désintégrer et perturber les cellules et les tissus à diverses fins, telles que l'extraction de composants intracellulaires, l'inactivation microbienne ou la préparation d'échantillons à des fins d'analyse. Les ondes ultrasoniques de haute intensité et la cavitation ainsi générée provoquent des contraintes mécaniques et des forces de cisaillement qui entraînent la désintégration des structures cellulaires. Dans la recherche biologique et le diagnostic médical, les ultrasons de type sonde sont utilisés pour la lyse cellulaire, processus qui consiste à ouvrir les cellules pour en libérer les composants intracellulaires. L'énergie ultrasonique perturbe les parois cellulaires, les membranes et les organites, ce qui permet d'extraire les protéines, l'ADN, l'ARN et d'autres constituants cellulaires.
Il s'agit là de quelques-unes des principales applications des ultrasons à sonde, mais cette technologie a un éventail encore plus large d'utilisations, notamment la sonochimie, la réduction de la taille des particules (broyage humide), la synthèse ascendante de particules et la sono-synthèse de substances et de matériaux chimiques dans diverses industries telles que les produits pharmaceutiques, la transformation des aliments, la biotechnologie et les sciences de l'environnement.
Séquence à grande vitesse (de a à f) d'images illustrant l'exfoliation sono-mécanique d'une paillette de graphite dans l'eau en utilisant l'UP200S, un appareil à ultrasons de 200 W avec une sonotrode de 3 mm. Les flèches indiquent l'endroit où les particules se séparent et où les bulles de cavitation pénètrent dans la fente.
Tyurnina et al. 2020
Profitez des bienfaits de la cavitation ultrasonique !
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
Vidéo sur la cavitation acoustique dans un liquide
La vidéo suivante montre la cavitation acoustique à la cascatrode de l'appareil à ultrasons UIP1000hdT dans une colonne de verre remplie d'eau. La colonne de verre est éclairée par le bas par une lumière rouge afin d'améliorer la visualisation des bulles de cavitation.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.
Questions fréquemment posées
Qu'est-ce que la cavitation ultrasonique ?
La cavitation ultrasonique désigne la formation, la croissance et l'éclatement violent de bulles microscopiques dans un liquide exposé à des ultrasons de haute intensité. L'éclatement de ces bulles génère des contraintes de cisaillement locales intenses, des microjets de liquide, des ondes de choc, des gradients de pression élevés et de puissants effets de micro-mélange.
Quelle est la différence entre la cavitation ultrasonique et la cavitation acoustique ?
La cavitation acoustique est le terme général désignant la cavitation provoquée par les ondes sonores. La cavitation ultrasonique est une cavitation acoustique générée par des fréquences ultrasoniques, généralement supérieures à la gamme audible. Dans le traitement industriel des liquides, ces deux termes sont souvent utilisés pour désigner la cavitation produite par des générateurs d'ultrasons de forte puissance.
En quoi la cavitation ultrasonique améliore-t-elle le traitement des liquides ?
La cavitation ultrasonique améliore le traitement des liquides en générant des effets mécaniques et chimiques intenses à l'intérieur du liquide. Les effets mécaniques favorisent le mélange, l'homogénéisation, l'émulsification, la désagglomération des particules, le broyage humide, l'extraction et la rupture cellulaire. Dans les systèmes réactifs, la cavitation peut également favoriser les effets sonochimiques et améliorer le transfert de masse.
Quelles applications utilisent la cavitation ultrasonique ?
La cavitation ultrasonique est utilisée pour l'homogénéisation, la dispersion, l'émulsification, la nanoémulsification, l'extraction, le dégazage, la désagglomération, la réduction de la taille des particules, la lyse cellulaire, la désintégration microbienne, la sonochimie, la sonocatalyse et les réactions avancées en phase liquide.
Pourquoi les générateurs d'ultrasons à sonde sont-ils efficaces pour la cavitation ?
Les ultrasonateurs à sonde transmettent l'énergie ultrasonore directement dans le liquide par l'intermédiaire d'une sonotrode. Ce couplage direct de l'énergie crée une zone de cavitation intense près de la surface de la sonde et permet un réglage précis des paramètres de processus importants tels que l'amplitude, la puissance d'entrée, la température, la pression et la durée du traitement.
Un bain à ultrasons est-il adapté à une cavitation intense ?
Les bains à ultrasons génèrent de la cavitation, mais la densité d'énergie y est généralement bien inférieure et moins concentrée qu'avec un sonificateur à sonde. Les bains sont utiles pour le nettoyage et les traitements doux, tandis que les sonificateurs à sonde sont privilégiés pour l'homogénéisation reproductible, l'extraction, l'émulsification, la dispersion, la rupture cellulaire et le traitement industriel des liquides.
Découvrez en détail les différences entre les soniqueurs à sonde et les bains à ultrasons !
Quels sont les paramètres qui influencent l'intensité de la cavitation ultrasonique ?
Parmi les paramètres importants, on peut citer l'amplitude, la puissance ultrasonique, la surface de la sonotrode, le volume de liquide, la viscosité, la teneur en solides, la pression, la température, la géométrie de la cuve, la géométrie de la cellule d'écoulement, le débit et le temps de séjour. Le réglage de ces paramètres permet d'adapter l'intensité de la cavitation à l'objectif du procédé.
La cavitation ultrasonique peut-elle être transposée du laboratoire à la production ?
Oui. Les procédés de cavitation ultrasonique peuvent être mis au point à l'échelle du laboratoire, puis transposés à l'échelle pilote ou industrielle en ajustant l'amplitude, l'apport d'énergie, la géométrie de la sonotrode, le débit et le temps de séjour. Hielscher propose des ultrasonicateurs et des réacteurs destinés aux essais en laboratoire, aux essais pilotes et à la production industrielle en continu.
Littérature / Références
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- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.