I processi di sonicazione possono essere eseguiti con l'uso di un omogeneizzatore a ultrasuoni di tipo sonda o di un bagno a ultrasuoni. Anche se entrambe le tecniche applicano gli ultrasuoni al campione, ci sono differenze significative in termini di efficacia, efficienza e capacità di processo. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni di tipo sonda eccellono drasticamente nel bagno a ultrasuoni quando si tratta di intensità degli ultrasuoni, ampiezza, elaborazione uniforme e riproducibilità.

Gli effetti desiderati dall'ultrasuoni dei liquidi – compreso Omogeneizzazione, la dispersione, Deagglomerato, Fresatura, emulsificazione, estrazione, lisi, Disintegrazione e effetti sono-chimici - sono causati da cavitazione. Introducendo gli ultrasuoni ad alta potenza in un mezzo liquido, le onde sonore vengono trasmesse nel fluido e creano cicli alternati ad alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con frequenze variabili a seconda della frequenza. Durante il ciclo a bassa pressione, onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume al quale non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è chiamato cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature (ca. 5.000K) e pressioni (ca. 2.000atm) molto elevate. L'implosione della bolla di cavitazione produce anche getti di liquido fino a 280m/s di velocità. E' la prima volta che la gente si rende conto di quanto sia importante per me.

Moholkar et al. (2000) hanno trovato che le bolle nella regione di maggiore intensità di cavitazione hanno subito un movimento transitorio, mentre le bolle nella regione di minore intensità di cavitazione hanno subito un movimento stabile / oscillatorio. Il collasso transitorio delle bolle che dà luogo a temperature e pressioni massime locali è alla radice degli effetti osservati degli ultrasuoni sui sistemi chimici.
L'intensità dell'ultrasonicazione è funzione dell'energia immessa e dell'area superficiale del sonotrodo. Per una data energia in ingresso si applica: più grande è la superficie del sonotrodo, minore è l'intensità degli ultrasuoni.
Le onde ultrasoniche possono essere generate da diversi tipi di sistemi ad ultrasuoni. Di seguito vengono confrontate le differenze tra la sonicazione con bagno ad ultrasuoni, il dispositivo con sonda ad ultrasuoni in un vaso aperto e il dispositivo con sonda ad ultrasuoni con cella a flusso.

Confronto della distribuzione dei punti caldi cavitazionali

Per le applicazioni a ultrasuoni, si usano sonde a ultrasuoni (sonotrodi / corni) e bagni a ultrasuoni. “Tra questi due metodi di ultrasuoni, la sonicazione della sonda è più efficace e potente del bagno ad ultrasuoni nell'applicazione della dispersione di nanoparticelle; il dispositivo del bagno ad ultrasuoni può fornire un'ultrasuonazione debole con circa 20-40 W/L e una distribuzione molto non uniforme mentre il dispositivo della sonda ad ultrasuoni può fornire 20.000 W/L nel fluido. Quindi, significa che un dispositivo a sonda ultrasonica supera il dispositivo a bagno ultrasonico di un fattore 1000.” (cfr. Asadi et al., 2019)

Bagno ad ultrasuoni

In un bagno ad ultrasuoni, la cavitazione si verifica in modo non conformabile e distribuito in modo incontrollabile attraverso il serbatoio. L'effetto sonicazione è di bassa intensità e in modo disomogeneo diffusione. La ripetibilità e la scalabilità del processo è molto scarsa.
L'immagine sotto mostra i risultati di un test su pellicola in un serbatoio ad ultrasuoni. Pertanto, una sottile lamina di alluminio o di stagno viene posta sul fondo di un serbatoio ad ultrasuoni riempito d'acqua. Dopo la sonicazione, sono visibili singoli segni di erosione. I singoli punti perforati e i fori nella lamina indicano i punti caldi cavitazionali. A causa della basso consumo energetico e il disomogeneo distribuzione degli ultrasuoni all'interno della vasca, i segni di erosione si verificano solo in modo puntuale. Pertanto, i bagni ad ultrasuoni sono principalmente utilizzati per applicazioni di pulizia.

Le figure seguenti mostrano la distribuzione non uniforme dei punti caldi cavitazionali in un bagno ad ultrasuoni. In Fig. 2, un bagno con una superficie inferiore di 20×Sono stati utilizzati 10 cm.

Per le misure indicate in Fig. 3 è stato utilizzato un bagno ad ultrasuoni con uno spazio inferiore di 12x10cm.

Entrambe le misurazioni rivelano che la distribuzione del campo di irradiazione ultrasonica nelle vasche a ultrasuoni è molto irregolare.
Lo studio dell'irradiazione ultrasonica in vari punti del bagno mostra variazioni spaziali significative nell'intensità di cavitazione nel bagno ultrasonico.

La seguente Fig. 4 mette a confronto l'efficienza di un bagno ad ultrasuoni e di una sonda ad ultrasuoni esemplificata dalla decolorazione del colorante azoico Methyl Violet.

Dhanalakshmi et al. hanno scoperto nel loro studio che tipo di sonda ad ultrasuoni hanno un alto localizzato intensità rispetto al tipo di serbatoio e, quindi, maggiore effetto localizzato, come illustrato nella Fig. 4. Ciò significa una maggiore intensità ed efficienza del processo di sonicazione.
Una configurazione ad ultrasuoni, come mostrato in figura 4, consente il pieno controllo dei parametri più importanti - ampiezza, pressione, temperatura, viscosità, concentrazione, volume del reattore.

Sonda a ultrasuoni in un bicchiere aperto

Quando i campioni sono sonicati con un dispositivo a ultrasuoni, la zona di sonicazione intensa si trova direttamente sotto il sonotrodo/sonda. La distanza di irradiazione ultrasonica è limitata ad una certa area della punta del sonotrodo. (vedi fig.1)
I processi ad ultrasuoni in bicchieri aperti sono principalmente utilizzati per le prove di fattibilità e per la preparazione di campioni in piccole quantità.

Sonda a ultrasuoni in modalità a flusso continuo

I risultati di sonicazione più sofisticati si ottengono con un processo continuo in modalità a flusso chiuso. Tutto il materiale viene lavorato con la stessa intensità di ultrasuoni con cui viene controllato il percorso del flusso e il tempo di permanenza nella camera del reattore ad ultrasuoni.

Foto 4: sistema a ultrasuoni da 1kW UIP1000hd con cella di flusso e pompa

I risultati di processo dell'elaborazione a liquido ultrasonico per una data configurazione dei parametri sono una funzione dell'energia per volume elaborato. La funzione cambia con le modifiche dei singoli parametri. Inoltre, la potenza effettiva di uscita e l'intensità per superficie del sonotrodo di un'unità ultrasonica dipende dai parametri.

L'impatto cavitazionale dell'elaborazione ultrasonica dipende dall'intensità superficiale che è decritta dall'ampiezza (A), dalla pressione (p), dal volume del reattore (VR), dalla temperatura (T), dalla viscosità (η) e da altri fattori. I segni più e meno indicano un'influenza positiva o negativa del parametro specifico sull'intensità di sonicazione.

Controllando il parametro più importante del processo di sonicazione, il processo è completamente ripetibile e i risultati ottenuti possono essere scalati in modo completamente lineare. Diversi tipi di sonotrodi e reattori a celle a flusso ultrasonico consentono l'adattamento a specifiche esigenze di processo.

Riepilogo

Mentre un Bagno ad ultrasuoni fornisce un flebile sonicazione con ca. 20-40 W/L e una molto non uniforme distribuzione, tipo di sonda ad ultrasuoni possono essere facilmente accoppiati ca. 20.000 W/L nel mezzo trattato. Ciò significa che un dispositivo a sonde ad ultrasuoni eccelle un bagno ultrasonico per fattore 1000 (1000 volte maggiore di energia immessa per volume) grazie ad un incentrata e unitaria potenza assorbita ad ultrasuoni. Il pieno controllo dei più importanti parametri di sonicazione assicura completamente riproducibile e i risultati Scalabilità lineare dei risultati del processo.