Cavitazione ultrasonica nei liquidi
Le onde ultrasoniche di ultrasuoni ad alta intensità generano la cavitazione nei liquidi. La cavitazione provoca localmente effetti estremi, come getti di liquidi fino a 1000 km/h, pressioni fino a 2000atm e temperature fino a 5000 Kelvin.
A proposito della cavitazione ultrasonica
Nel caso di liquidi sonori ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel liquido si traducono in cicli alternati di alta (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.
La cavitazione acustica (generata dagli ultrasuoni di potenza) crea localmente condizioni estreme, i cosiddetti effetti sonomeccanici e sicochimici. Grazie a questi effetti, la sonicazione promuove reazioni chimiche che portano a rendimenti più elevati, a una maggiore velocità di reazione, a nuovi percorsi e a una migliore efficienza complessiva.
Cavitazione ultrasonica sulla sonda a cascata dell'ultrasuonatore UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz) in un reattore di vetro.
Video della cavitazione acustica
Applicazioni della cavitazione
Gli effetti possono essere utilizzati nei liquidi per molti processi, ad esempio per la miscelazione e miscelazione, deagglomerazione, Fresatura e disintegrazione delle cellule. In particolare, l'elevato taglio dei getti di liquido provoca fessure sulla superficie delle particelle e collisioni tra le particelle.
Sequenza ad alta velocità (da a a f) di fotogrammi che illustrano l'esfoliazione sono-meccanica di un fiocco di grafite in acqua utilizzando l'UP200S, un ultrasuonatore da 200W con sonotrodo da 3 mm. Le frecce mostrano il luogo della spaccatura (esfoliazione) con le bolle di cavitazione che penetrano nella spaccatura.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0) https://creativecommons.org/licenses)
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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Letteratura / Referenze
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
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