Cavitation ultrasonore dans les liquides
La cavitation ultrasonore est le moteur du traitement des liquides par ultrasons de 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 crée d’intenses forces de cisaillement locales, des microjets, des ondes de choc, des variations de pression et des effets de micromélange qui peuvent accélérer l’homogénéisation, la dispersion, l’émulsification, l’extraction, le dégazage, la rupture cellulaire et les réactions sonochimiques.
Les sonicateurs à sonde Hielscher utilisent une cavitation acoustique contrôlée pour transférer l’énergie ultrasonore directement dans les liquides, les suspensions et les suspensions épaisses. Des petits échantillons de laboratoire à la production industrielle en continu avec circulation du produit, les systèmes Hielscher 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.
- Pour les laboratoires : développer et optimiser les paramètres de sonication dans de petits volumes.
- Pour les installations pilotes : valider les procédés reposant sur la cavitation dans des conditions de traitement réalistes.
- Pour la production : transposer la cavitation ultrasonore à des procédés par lots, en recirculation ou en continu en ligne.
Indiquez-nous le liquide à traiter, le volume du lot ou le débit, la viscosité, la teneur en matières solides, les limites de température et le résultat visé pour votre procédé. Nous vous recommanderons la configuration optimale de sonicateur, de sonotrode et de cellule à circulation pour votre application de cavitation.
Les sonicateurs à sonde tels que l’UP400St utilisent le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique.
Le principe de fonctionnement de la cavitation ultrasonore
Lors de la sonication de liquides à haute intensité, les ondes sonores qui se propagent dans les milieux liquides produisent une alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), dont la cadence dépend de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou cavités dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume auquel elles ne peuvent plus absorber d’énergie, elles s’effondrent violemment pendant un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Lors de l’implosion, des températures très élevées (env. 5 000K) et des pressions très élevées (env. 2 000atm) sont atteintes localement. L’implosion de la bulle de cavitation produit également des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280m/s.
La cavitation acoustique (générée par des ultrasons de puissance) crée localement des conditions extrêmes, produisant des effets dits sonomécaniques et sonochimiques. Grâce à ces effets, la sonication favorise des réactions chimiques qui permettent d’obtenir des rendements plus élevés, une vitesse de réaction accrue, de nouvelles voies réactionnelles et une meilleure efficacité globale.
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 diffèrent considérablement en matière d’intensité, de contrôle et de fiabilité du procédé. Si les bains à ultrasons sont utiles pour le nettoyage, les sonicateurs à sonde couplent l’énergie ultrasonore directement au liquide et créent une zone de cavitation beaucoup plus intense et concentrée. Les sonicateurs à sonde constituent ainsi le choix privilégié pour les applications de traitement des liquides nécessitant des résultats reproductibles, telles que l’homogénéisation, l’émulsification, l’extraction, la rupture cellulaire, la dispersion de nanoparticules et les réactions sonochimiques.
| Critères de comparaison | Sonicateur à sonde | Bain à ultrasons |
|---|---|---|
| Intensité de cavitation | Produit une cavitation acoustique de haute intensité directement à l’extrémité de la sonotrode. | Produit une cavitation plus faible, répartie dans le volume du bain. |
| Transfert d’énergie | Transfère l’énergie ultrasonore directement dans le liquide, la suspension ou la suspension épaisse. | Transfère l’énergie indirectement à travers le liquide du bain et la paroi du récipient. |
| Contrôle du procédé | Permet un réglage précis de l’amplitude, de la puissance apportée, du mode pulsé, de la température et du temps de traitement. | Offre un contrôle limité de l’énergie ultrasonore qui atteint réellement l’échantillon. |
| Reproductibilité | Fournit des résultats de sonication reproductibles lorsque les paramètres du procédé sont définis et surveillés. | Les résultats peuvent varier en raison d’une répartition inégale de la cavitation, de la position du récipient, de son matériau, 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 au nettoyage. |
| Volume d’échantillon | Disponible pour les petits échantillons de laboratoire ainsi que pour les volumes pilotes et industriels. | Généralement utilisé pour de petits récipients ou plusieurs contenants placés dans le bain. |
| Changement d’échelle | Peut être transposé des essais en laboratoire aux essais pilotes et au traitement industriel en continu en ligne. | Difficile à transposer de manière fiable, car la répartition de l’énergie et l’intensité de cavitation ne sont pas facilement transférables. |
| Milieux adaptés | Efficace pour les liquides, les émulsions, les suspensions, les suspensions épaisses et les formulations à forte teneur en matières solides. | Convient surtout aux liquides de faible viscosité et aux opérations 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 des liquides, dissolution des poudres et agitation douce des échantillons. |
| Choix privilégié pour | Un traitement des liquides par ultrasons contrôlé, puissant et reproductible. | Un nettoyage simple ou un traitement ultrasonore de faible intensité. |
Principales applications des sonicateurs et de la cavitation acoustique
Les sonicateurs à sonde, également appelés sondes ultrasonores, génèrent efficacement une cavitation acoustique intense dans les liquides. Ils sont donc largement utilisés pour diverses applications dans différents secteurs industriels. Parmi les principales applications de la cavitation acoustique générée par les sonicateurs à sonde figurent :
- Homogénéisation : Les sondes ultrasonores peuvent générer une cavitation intense, caractérisée par un champ de vibrations et de forces de cisaillement à forte densité énergétique. Ces forces assurent un excellent mélange, un brassage efficace et une réduction de la taille des particules. L’homogénéisation par ultrasons produit des suspensions uniformément mélangées. La sonication est donc utilisée pour produire des suspensions colloïdales homogènes présentant des courbes de distribution étroites.
- Dispersion de nanoparticules : Les sonicateurs sont utilisés pour la dispersion, la désagglomération et le broyage humide des nanoparticules. Les ondes ultrasonores de basse fréquence peuvent générer une cavitation intense qui désagrège les agglomérats et réduit la taille des particules. En particulier, le fort cisaillement des jets de liquide accélère les particules dans le liquide, où elles entrent en collision les unes avec les autres (collision interparticulaire), ce qui entraîne leur fragmentation et leur érosion. Il en résulte une répartition uniforme et stable des particules qui empêche la sédimentation. Cet effet est essentiel dans divers domaines, notamment les nanotechnologies, la science des matériaux et l’industrie pharmaceutique.
- Émulsification et mélange : Les sonicateurs à sonde sont utilisés pour créer des émulsions et mélanger des liquides. L’énergie ultrasonore provoque la cavitation, c’est-à-dire la formation et l’effondrement de bulles microscopiques, qui génère d’intenses forces de cisaillement locales. Ce procédé facilite l’émulsification de liquides non miscibles et produit des émulsions stables et finement dispersées.
- Extraction : Grâce aux forces de cisaillement dues à la cavitation, les sonicateurs sont très efficaces pour rompre les structures cellulaires et améliorer le transfert de matière entre le solide et le liquide. L’extraction par ultrasons est donc largement utilisée pour libérer des substances intracellulaires, telles que les composés bioactifs, afin de produire des extraits végétaux de haute qualité.
- Dégazage et désaération : Les sonicateurs à sonde sont utilisés pour éliminer les bulles de gaz ou les gaz dissous dans les liquides. L’application de la cavitation ultrasonore favorise la coalescence des bulles de gaz, qui grossissent et remontent à la surface du liquide. La cavitation ultrasonore rend le dégazage rapide et efficace. Cette propriété est utile dans divers secteurs, notamment les peintures, les fluides hydrauliques et la transformation des aliments et des boissons, où la présence de gaz peut nuire à la qualité et à la stabilité des produits.
- Sonocatalyse : Les sondes ultrasonores peuvent être utilisées pour la sonocatalyse, un procédé qui associe la cavitation acoustique à des catalyseurs pour favoriser les réactions chimiques. La cavitation générée par les ondes ultrasonores améliore le transfert de matière, augmente les vitesses de réaction et favorise la production de radicaux libres, ce qui conduit à des transformations chimiques plus efficaces et plus sélectives.
- Préparation des échantillons : Les sonicateurs à sonde sont couramment utilisés dans les laboratoires pour la préparation des échantillons. Ils servent à homogénéiser et à désagréger des échantillons biologiques, tels que des cellules, des tissus et des virus, ainsi qu’à en extraire les composants. L’énergie ultrasonore générée par la sonde rompt les membranes cellulaires, libérant le contenu des cellules et facilitant les analyses ultérieures.
- Désintégration et rupture cellulaire : Les sonicateurs à sonde sont utilisés pour désintégrer et rompre les cellules et les tissus à diverses fins, telles que l’extraction de composants intracellulaires, l’inactivation microbienne ou la préparation d’échantillons pour l’analyse. Les ondes ultrasonores de haute intensité et la cavitation qu’elles génèrent provoquent des contraintes mécaniques et des forces de cisaillement qui entraînent la désintégration des structures cellulaires. En recherche biologique et en diagnostic médical, les sonicateurs à sonde sont utilisés pour la lyse cellulaire, un procédé qui consiste à rompre les cellules afin de libérer leurs composants intracellulaires. L’énergie ultrasonore rompt les parois cellulaires, les membranes et les organites, permettant l’extraction de protéines, d’ADN, d’ARN et d’autres constituants cellulaires.
Il s’agit de quelques-unes des principales applications des sonicateurs à sonde, mais cette technologie offre un éventail encore plus large d’autres utilisations, notamment la sonochimie, la réduction de la taille des particules (broyage humide), la synthèse ascendante de particules et la sonosynthèse de substances chimiques et de matériaux dans divers secteurs tels que l’industrie pharmaceutique, la transformation alimentaire, la biotechnologie et les sciences de l’environnement.
Une séquence d’images à haute vitesse (de a à f) illustrant l’exfoliation sonomécanique d’une paillette de graphite dans l’eau à l’aide de l’UP200S, un sonicateur de 200W équipé d’une sonotrode de 3-mm. Les flèches indiquent l’endroit où les particules se séparent, avec des bulles de cavitation pénétrant dans la fissure.
© Tyurnina et al. 2020
Profitez de la cavitation ultrasonore !
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos sonicateurs :
| Volume du lot | Débit | Appareils 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.a. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | supérieur | ensemble de UIP16000 |
Vidéo de la cavitation acoustique dans un liquide
La vidéo suivante montre la cavitation acoustique au niveau de la cascatrode du sonicateur UIP1000hdT dans une colonne de verre remplie d’eau. La colonne de verre est éclairée par le bas avec une lumière rouge afin d’améliorer la visualisation des bulles de cavitation.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons hautes performances pour les applications de mélange, de dispersion, d’émulsification et d’extraction à l’échelle du laboratoire, pilote et industrielle.
Questions fréquentes
Qu’est-ce que la cavitation ultrasonore ?
La cavitation ultrasonore est la formation, la croissance et l’effondrement violent de bulles microscopiques dans un liquide exposé à des ultrasons de haute intensité. L’effondrement de ces bulles crée un cisaillement local intense, des microjets de liquide, des ondes de choc, des gradients de pression élevés et de forts effets de micromélange.
Quelle est la différence entre la cavitation ultrasonore et la cavitation acoustique ?
La cavitation acoustique est le terme général désignant la cavitation provoquée par des ondes sonores. La cavitation ultrasonore est une cavitation acoustique générée par des fréquences ultrasonores, généralement supérieures à la plage audible. Dans le traitement industriel des liquides, les deux termes sont souvent utilisés pour désigner la cavitation produite par des sonicateurs de forte puissance.
Comment la cavitation ultrasonore améliore-t-elle le traitement des liquides ?
La cavitation ultrasonore améliore le traitement des liquides en créant 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 matière.
Quelles applications utilisent la cavitation ultrasonore ?
La cavitation ultrasonore 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 rupture des cellules microbiennes, la sonochimie, la sonocatalyse et les réactions avancées en phase liquide.
Pourquoi les sonicateurs à sonde sont-ils efficaces pour la cavitation ?
Les sonicateurs à sonde transmettent l’énergie ultrasonore directement dans le liquide par l’intermédiaire d’une sonotrode. Ce couplage direct de l’énergie ultrasonore crée une zone de cavitation intense près de la surface de la sonde et permet un réglage précis de paramètres importants du procédé, tels que l’amplitude, la puissance apportée, la température, la pression et le temps de traitement.
Un bain à ultrasons convient-il pour obtenir une cavitation intense ?
Les bains à ultrasons produisent de la cavitation, mais la densité énergétique est généralement beaucoup plus faible et moins concentrée qu’avec un sonicateur à sonde. Les bains sont utiles pour le nettoyage et les traitements doux, tandis que les sonicateurs à sonde sont privilégiés pour obtenir des résultats reproductibles en homogénéisation, extraction, émulsification, dispersion, rupture cellulaire et traitement industriel des liquides.
Découvrez en texte et en vidéo les différences entre les sonicateurs à sonde et les bains à ultrasons !
Quels paramètres influencent l’intensité de la cavitation ultrasonore ?
Les paramètres importants comprennent l’amplitude, la puissance ultrasonore, la surface de la sonotrode, le volume du liquide, la viscosité, la teneur en matières solides, la pression, la température, la géométrie du récipient, la géométrie de la cellule à circulation, le débit et le temps de séjour. Le réglage de ces paramètres permet d’adapter l’intensité de cavitation à l’objectif du procédé.
La cavitation ultrasonore peut-elle être transposée du laboratoire à la production ?
Oui. Les procédés de cavitation ultrasonore peuvent être développés sur des volumes de laboratoire et transférés à l’échelle pilote ou industrielle en contrôlant l’amplitude, l’apport énergétique, la géométrie de la sonotrode, le débit et le temps de séjour. Hielscher propose des sonicateurs et des réacteurs pour les essais en laboratoire, les essais pilotes et la production industrielle en continu.
Bibliographie / Références
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- 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 hautes performances, de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle.