Sonicatori a sonda vs. bagni a ultrasuoni
Per attività come l'emulsificazione, la dispersione, l'estrazione o la riduzione delle dimensioni delle particelle, i sonicatori a sonda generano forze di taglio uniformi e cavitazione ad alta intensità. Questo approccio diretto consente di affrontare applicazioni difficili e di passare facilmente da piccoli test di laboratorio a produzioni complete. Nel frattempo, i bagni a ultrasuoni possono essere sufficienti per una pulizia delicata o per trattamenti a bassa intensità, ma spesso hanno difficoltà con lavori più impegnativi che richiedono un controllo preciso dell'ampiezza e della temperatura. Quando servono affidabilità, flessibilità e prestazioni elevate, i sonicatori a sonda Hielscher offrono un netto vantaggio rispetto ai bagni a ultrasuoni di base.
Sonicatore a sonda vs. bagno a ultrasuoni – Scoprite perché i sonicatori a sonda eccellono in efficienza e affidabilità
Intensità di cavitazione del sonicatore
I sonicatori a sonda introducono ultrasuoni ad alta potenza direttamente nel mezzo liquido, dove le onde sonore creano cicli alternati di alta e bassa pressione nel liquido. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume tale da non poter più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo di alta pressione. Questo fenomeno è definito cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature e pressioni molto elevate. L'implosione della bolla di cavitazione provoca anche getti di liquido estremamente veloci.
Sfondo: Cavitazione a ultrasuoni
Moholkar (2000) ha riscontrato che le bolle nella regione di maggiore intensità di cavitazione subiscono un moto transitorio, mentre le bolle nella regione di minore intensità di cavitazione subiscono un moto stabile e oscillatorio. Il collasso transitorio delle bolle che dà origine a massimi locali di temperatura e pressione è alla base degli effetti osservati degli ultrasuoni sui sistemi chimici.
L'intensità dell'ultrasuono è funzione dell'energia immessa e della superficie del sonotrodo. Per un dato input di energia vale: maggiore è la superficie del sonotrodo, minore è l'intensità degli ultrasuoni.
Le onde ultrasonore possono essere generate da diversi tipi di sistemi a ultrasuoni. Di seguito verranno confrontate le differenze tra la sonicazione con un bagno a ultrasuoni, un dispositivo a sonda a ultrasuoni in un recipiente aperto e un dispositivo a sonda a ultrasuoni con camera a celle di flusso.
Fig. 1: Creazione di bolle di cavitazione stabili e transitorie. (a) spostamento, (b) cavitazione transitoria, (c) cavitazione stabile, (d) pressione
[adattato da Santos et al. 2009].
Confronto della distribuzione della cavitazione
Per le applicazioni a ultrasuoni, è possibile utilizzare sonde a ultrasuoni (sonicatori a sonda) o bagni a ultrasuoni. “Tra questi due metodi di ultrasuoni, la sonicazione con sonda è più efficace e potente del bagno a ultrasuoni nell'applicazione della dispersione di nanoparticelle; il dispositivo del bagno a ultrasuoni può fornire una debole ultrasuonizzazione con circa 20-40 W/L e una distribuzione molto non uniforme, mentre il dispositivo della sonda a ultrasuoni può fornire 20.000 W/L nel fluido. Ciò significa che il dispositivo a sonda a ultrasuoni supera di 1000 volte il dispositivo a bagno a ultrasuoni.” (cfr. Asadi et al., 2019)
Sonicatori a sonda e bagni a ultrasuoni: Confronto della distribuzione della cavitazione
Nel campo delle applicazioni a ultrasuoni, sia i sonicatori a sonda che i bagni a ultrasuoni svolgono un ruolo importante. Tuttavia, quando si tratta di dispersione di nanoparticelle, i sonicatori a sonda superano significativamente i bagni a ultrasuoni. Secondo Asadi (2019), i bagni a ultrasuoni generano in genere un'ultrasuonizzazione debole di circa 20-40 Watt per litro con una distribuzione altamente non uniforme. In netto contrasto, i dispositivi a sonda a ultrasuoni possono erogare nel liquido ben 20000 Watt per litro, dimostrando un'efficacia che supera di 1000 volte i bagni a ultrasuoni. Questa netta differenza evidenzia la capacità superiore dei sonicatori a sonda di ottenere una dispersione efficiente e uniforme delle nanoparticelle.
Bagni a ultrasuoni
In un bagno a ultrasuoni, la cavitazione avviene in modo non conforme e distribuito in modo incontrollato nella vasca. L'effetto di sonicazione è di bassa intensità e distribuito in modo non uniforme. La ripetibilità e la scalabilità del processo sono molto scarse.
L'immagine seguente mostra i risultati di un test su un foglio di alluminio in una vasca a ultrasuoni. A tale scopo, un sottile foglio di alluminio o di stagno viene posto sul fondo di una vasca a ultrasuoni riempita d'acqua. Dopo la sonicazione, sono visibili singoli segni di erosione. Questi singoli punti perforati e fori nella lamina indicano i punti caldi di cavitazione. A causa della bassa energia e della distribuzione non uniforme degli ultrasuoni all'interno della vasca, i segni di erosione si verificano solo in modo puntuale. Per questo motivo, i bagni a ultrasuoni sono utilizzati soprattutto per applicazioni di pulizia.
In un bagno o in una vasca a ultrasuoni, il punto caldo della cavitazione acustica si verifica in modo molto irregolare.
Le figure seguenti mostrano la distribuzione non uniforme dei punti caldi di cavitazione in un bagno a ultrasuoni. In Fig. 2, un bagno con un'area di fondo del 20×Sono stati utilizzati 10 cm.
La Fig. 2 mostra la distribuzione spaziale del campo ultrasonico nel bagno ultrasonico:
(a) utilizzando 1 L di acqua nel bagno e (b) utilizzando il volume totale di 2 L di acqua nel bagno.
[Nascentes et al., 2010].
Per le misurazioni illustrate nella figura 3, è stato utilizzato un bagno a ultrasuoni con uno spazio di fondo di 12x10 cm.
La Fig. 3 mostra la distribuzione spaziale del campo ultrasonico in un bagno ultrasonico:
(a) utilizzando 1 L di acqua nel bagno e (b) utilizzando il volume totale di 1,3 L di acqua nel bagno.
[Nascentes et al., 2001].
Entrambe le misurazioni rivelano che la distribuzione del campo di irradiazione ultrasonica nelle vasche ad ultrasuoni è molto disomogenea. Lo studio dell'irradiazione ultrasonica in vari punti del bagno mostra significative variazioni spaziali dell'intensità di cavitazione nel bagno a ultrasuoni.
La Figura 4 mette a confronto l'efficienza di un bagno a ultrasuoni e di un dispositivo a sonda a ultrasuoni, esemplificata dalla decolorazione del colorante azoico Methyl Violet.
Fig. 4: I sonicatori a sonda distribuiscono un'intensità energetica molto elevata e localizzata rispetto alla bassa densità di ultrasuoni delle vasche e dei bagni a ultrasuoni.
Dhanalakshmi et al. hanno rilevato nel loro studio che i dispositivi a ultrasuoni a sonda hanno un'elevata intensità localizzata rispetto a quelli a serbatoio e quindi un maggiore effetto localizzato, come illustrato nella figura 4. Ciò significa una maggiore intensità ed efficienza del processo di sonicazione. Ciò significa una maggiore intensità ed efficienza del processo di sonicazione.
Una configurazione a ultrasuoni come quella illustrata nella figura 4, consente il pieno controllo dei parametri più importanti, quali ampiezza, pressione, temperatura, viscosità, concentrazione e volume del reattore.
Figura 1: Sonotrodo che trasmette ultrasuoni di potenza nel liquido. La nebbia sotto la superficie del sonotrodo indica l'area del punto caldo di cavitazione.
- intenso
- focalizzato
- completamente controllabile
- distribuzione uniforme
- Riproducibile
- Scalabilità lineare
- Batch e in linea
I vantaggi dei sonicatori a sonda
Le sonde a ultrasuoni o i sonotrodi sono progettati per concentrare l'energia ultrasonica in un'area focalizzata, in genere sulla punta della sonda. Questa trasmissione di energia focalizzata consente un trattamento preciso ed efficiente dei campioni. Poiché il design della sonda garantisce che una parte significativa dell'energia ultrasonica sia diretta verso il campione, il trasferimento di energia è notevolmente migliorato rispetto ai bagni a ultrasuoni. Questa trasmissione mirata di energia a ultrasuoni è particolarmente vantaggiosa per le applicazioni che richiedono un controllo preciso dei parametri di sonicazione, come la disgregazione delle cellule, la nano-dispersione, la sintesi di nanoparticelle, l'emulsificazione e l'estrazione botanica.
Pertanto, i sonicatori a sonda offrono vantaggi distinti rispetto ai bagni a ultrasuoni in termini di precisione, controllo, flessibilità, efficienza e scalabilità, rendendoli strumenti indispensabili per un'ampia gamma di applicazioni scientifiche e industriali.
Sonicatori a sonda per l'elaborazione di becher aperti
Quando i campioni vengono sonicati utilizzando un dispositivo con sonda a ultrasuoni, la zona di sonicazione intensa si trova direttamente sotto il sonotrodo/sonda. La distanza di irradiazione degli ultrasuoni è limitata a una certa area della punta del sonotrodo. (vedi figura 1)
I processi a ultrasuoni in becher aperti sono utilizzati soprattutto per test di fattibilità e per la preparazione di campioni di volume ridotto.
Sonicatori a sonda con cella a flusso per il trattamento in linea
I risultati di sonicazione più sofisticati si ottengono con un processo continuo in modalità chiusa a flusso continuo. Tutto il materiale viene trattato con la stessa intensità di ultrasuoni del percorso del flusso e il tempo di permanenza nella camera del reattore a ultrasuoni è controllato.
Set di ricircolo a ultrasuoni: UIP1000hdT con cella di flusso, serbatoio e pompa
I risultati del processo di trattamento dei liquidi a ultrasuoni per una determinata configurazione di parametri sono una funzione dell'energia per volume trattato. La funzione cambia con la modifica dei singoli parametri. Inoltre, l'effettiva potenza di uscita e l'intensità per superficie del sonotrodo di un'unità a ultrasuoni dipendono dai parametri.
L'impatto cavitazionale della lavorazione a ultrasuoni dipende dall'intensità superficiale che è descritta dall'ampiezza (A), dalla pressione (p), dal volume del reattore (VR), dalla temperatura (T), dalla viscosità (η) e da altri parametri. 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 di reattori a celle a flusso ultrasonico consentono di adattarsi a requisiti di processo specifici.
Sommario: Sonicatore a sonda e bagno a ultrasuoni
Mentre un bagno a ultrasuoni fornisce una sonicazione debole, solo con circa 20 Watt per litro e con una distribuzione molto poco uniforme, i sonicatori a sonda possono facilmente accoppiare circa 20000 Watt per litro nel fluido trattato. Ciò significa che un sonicatore a sonda a ultrasuoni eccelle su un bagno a ultrasuoni di un fattore 1000 (input di energia 1000 volte superiore per volume) grazie a un input di potenza ultrasonica mirato e uniforme. Il controllo completo dei principali parametri di sonicazione garantisce risultati completamente riproducibili e la scalabilità lineare dei risultati del processo.
Sonicatore a sonda UP200St con sonotrodo S26d7D per l'omogeneizzazione di tipo batch dei campioni
Letteratura/riferimenti
- Asadi, Amin; Pourfattah, Farzad; Miklós Szilágyi, Imre; Afrand, Masoud; Zyla, Gawel; Seon Ahn, Ho; Wongwises, Somchai; Minh Nguyen, Hoang; Arabkoohsar, Ahmad; Mahian, Omid (2019): Effect of sonication characteristics on stability, thermophysical properties, and heat transfer of nanofluids: A comprehensive review. Ultrasonics Sonochemistry 2019.
- Moholkar, V. S.; Sable, S. P.; Pandit, A. B. (2000): Mapping the cavitation intensity in an ultrasonic bath using the acoustic emission. In: AIChE J. 2000, Vol.46/ No.4, 684-694.
- Nascentes, C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Use of Ultrasonic Baths for Analytical Applications: A New Approach for Optimisation Conditions. In: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12/ No.1, 57-63.
- Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: Ultrasound in Chemistry: Analytical Application. (ed. by J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.
Domande frequenti sulle sonde a ultrasuoni (FAQ)
Che cos'è un sonicatore a sonda ultrasonica?
Un sonicatore a sonda ultrasonica è un dispositivo che utilizza onde sonore ad alta frequenza per disgregare o mescolare i campioni. È costituito da una sonda che, immersa in un liquido, genera vibrazioni ultrasoniche che provocano la cavitazione e gli effetti desiderati di trattamento del campione.
Qual è il principio della sonicazione della sonda?
La sonicazione della sonda funziona secondo il principio della cavitazione ultrasonica. Quando la sonda vibra nel campione, crea bolle microscopiche che si espandono e collassano rapidamente. Questo processo genera intense forze di taglio e calore, disgregando le cellule o mescolando i componenti a livello microscopico.
Un pulitore a ultrasuoni è la stessa cosa di un sonicatore?
No, non sono la stessa cosa. Un pulitore a ultrasuoni utilizza onde ultrasoniche molto lievi in un bagno per pulire gli oggetti, principalmente attraverso la vibrazione e una cavitazione molto ridotta. Un sonicatore, in particolare un sonicatore a sonda a ultrasuoni, è progettato per il trattamento diretto e intensivo a ultrasuoni dei campioni, concentrandosi sulla disgregazione o l'omogeneizzazione.
A cosa serve una sonda a ultrasuoni?
Una sonda a ultrasuoni viene utilizzata principalmente per attività di preparazione del campione, come la disgregazione delle cellule, l'omogeneizzazione, l'emulsificazione e la dispersione di particelle in una varietà di applicazioni di ricerca e industriali in chimica, biologia e scienza dei materiali.
Qual è la differenza tra sonicatore a sonda e corno a tazza?
Un sonicatore a sonda immerge direttamente la sonda nel campione per una sonicazione intensa. Un sonicatore a tazza, invece, non immerge la sonda ma utilizza un metodo indiretto in cui il campione viene posto in un contenitore all'interno di un bagno d'acqua che trasmette l'energia ultrasonica.
Perché utilizzare un sonicatore a sonda?
Un sonicatore a sonda viene utilizzato per la sua capacità di erogare energia ultrasonica diretta e ad alta intensità a un campione, ottenendo un'efficace disgregazione, omogeneizzazione o emulsione. È particolarmente utile per i campioni difficili da trattare o quando è necessario un controllo preciso del processo.
Quali sono i vantaggi di un sonicatore a sonda?
I vantaggi comprendono l'elaborazione efficiente e rapida dei campioni, la versatilità delle applicazioni, il controllo preciso dei parametri di sonicazione e la capacità di elaborare un'ampia gamma di dimensioni e tipi di campioni, da quelli di laboratorio di piccolo volume ai lotti o alle portate industriali più grandi.
Come si usa un sonicatore con sonda a ultrasuoni?
L'uso di un sonicatore con sonda a ultrasuoni comporta la selezione delle dimensioni della sonda e dei parametri di sonicazione appropriati, l'immersione della punta della sonda nel campione e l'attivazione del sonicatore per il tempo e la potenza desiderati per ottenere un'elaborazione efficace del campione.
Qual è la differenza tra sonicazione e ultrasonicazione?
La sonicazione si riferisce all'uso generale delle onde sonore per il trattamento dei materiali, che può includere una gamma di frequenze. L'ultrasonicazione specifica l'uso di frequenze ultrasoniche (in genere superiori a 20 kHz), concentrandosi su applicazioni che richiedono onde sonore ad alta energia per l'elaborazione dei campioni. Tuttavia, la maggior parte delle persone si riferisce agli ultrasonici quando usa il termine sonicatore.