Aplicação de ultra-sons de potência utilizando cornetas ultra-sónicas

As cornetas ou sondas ultra-sónicas são amplamente utilizadas para múltiplas aplicações de processamento de líquidos, incluindo homogeneização, dispersão, moagem húmida, emulsificação, extração, desintegração, dissolução e desaeração. Conheça as noções básicas sobre as cornetas ultra-sónicas, as sondas ultra-sónicas e as suas aplicações.

Corno ultrassónico vs Sonda ultra-sónica

Muitas vezes, os termos buzina e sonda ultra-sónica são utilizados indistintamente e referem-se à haste ultra-sónica que transmite as ondas de ultra-sons para o líquido. Outros termos que são utilizados para a sonda de ultra-sons são buzina acústica, sonotrodo, guia de ondas acústicas ou dedo ultrassónico. No entanto, tecnicamente, existe uma diferença entre uma corneta ultra-sónica e uma sonda ultra-sónica.
Ambos, corneta e sonda, referem-se a partes do chamado ultrassonicador do tipo sonda. A corneta ultra-sónica é a parte metálica do transdutor ultrassónico, que é excitada através de vibrações geradas piezoelectricamente. O corno ultrassónico vibra a uma determinada frequência, por exemplo, 20kHz, o que significa 20.000 vibrações por segundo. O titânio é o material preferido para o fabrico de cornetas ultra-sónicas devido às suas excelentes propriedades de transmissão acústica, à sua robusta resistência à fadiga e à dureza da superfície.

A sonda de ultra-sons é também designada por sonotrodo ou dedo ultrassónico. Trata-se de uma haste metálica, geralmente feita de titânio, que é ligada à corneta ultra-sónica. A sonda de ultra-sons é uma parte essencial do processador de ultra-sons, que transmite as ondas de ultra-sons para o meio sonicado. As sondas ultra-sónicas / sonotrodos têm várias formas (por exemplo, cónica, com ponta, cónica ou como cascatrodo) disponíveis. Embora o titânio seja o material mais utilizado para as sondas ultra-sónicas, existem também sonotrodos feitos de aço inoxidável, cerâmica, vidro e outros materiais disponíveis.

Uma vez que a corneta e a sonda ultra-sónicas estão sob constante compressão ou tensão durante a sonicação, a seleção do material da corneta e da sonda é crucial. A liga de titânio de alta qualidade (grau 5) é considerada o metal mais fiável, durável e eficaz para resistir ao stress, para sustentar amplitudes elevadas durante longos períodos de tempo e para transmitir as propriedades acústicas e mecânicas.

Os ultrassons de alto desempenho funcionam principalmente na gama de frequências de 20-30 kHz. A 20 kHz, a sonda ultra-sónica é tipicamente uma haste ressonante com meio comprimento de onda, que se expande e contrai constantemente 20.000 vezes por segundo. Os movimentos de expansão e contração são transmitidos como ultra-sons de alta potência para o meio de processo, ou seja, fluido ou lama, de modo a cumprir aplicações como

• mistura ultra-sónica de alto cisalhamento
• moagem húmida por ultra-sons
• dispersão ultra-sónica de nano-partículas
• nano-emulsificação ultra-sónica
• Extração por ultra-sons
• Desintegração por ultra-sons
• rutura e lise de células por ultra-sons
• desgaseificação e desaeração por ultra-sons
• sonoquímica (sono-síntese, sono-catálise)

Como funcionam os ultra-sons de potência? – O princípio de funcionamento da cavitação acústica

Para aplicações ultra-sónicas de elevado desempenho, como a homogeneização, a redução do tamanho das partículas, a desintegração ou as nano-dispersões, os ultra-sons de alta intensidade e baixa frequência são gerados por um transdutor de ultra-sons e transmitidos através de uma corneta ultra-sónica e de uma sonda (sonotrodo) para um líquido. Os ultra-sons de alta potência são considerados ultra-sons na gama de 16-30kHz. A sonda de ultra-sons expande-se e contrai-se, por exemplo, a 20 kHz, transmitindo assim respetivamente 20.000 vibrações por segundo para o meio. Quando as ondas ultra-sónicas atravessam o líquido, os ciclos alternados de alta pressão (compressão) / baixa pressão (rarefação / expansão) criam cavidades minúsculas (bolhas de vácuo), que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. Durante a fase de compressão do líquido e das bolhas, a pressão é positiva, enquanto a fase de rarefação produz um vácuo (pressão negativa). Durante os ciclos de compressão-expansão, as cavidades no líquido crescem até atingirem um tamanho em que não conseguem absorver mais energia. Nessa altura, implodem violentamente. A implosão dessas cavidades resulta em vários efeitos altamente energéticos, que são conhecidos como o fenómeno da cavitação acústica / ultra-sónica. A cavitação acústica é caracterizada por vários efeitos altamente energéticos, que afectam os líquidos, os sistemas sólido/líquido e os sistemas gás/líquido. A zona de energia densa ou zona de cavitação é conhecida como a chamada zona de ponto quente, que é mais densa em energia nas proximidades da sonda ultra-sónica e diminui com o aumento da distância do sonotrodo. As principais caraterísticas da cavitação ultra-sónica incluem a ocorrência local de temperaturas e pressões muito elevadas e respectivos diferenciais, turbulências e fluxo de líquido. Durante a implosão de cavidades ultra-sónicas em pontos quentes ultra-sónicos, podem ser medidas temperaturas de até 5000 Kelvin, pressões de até 200 atmosferas e jactos de líquido com até 1000km/h. Estas condições excecionalmente intensas em termos de energia contribuem para efeitos sonomecânicos e sonoquímicos que intensificam processos e reacções químicas de várias formas.
O principal impacto da ultra-sons em líquidos e lamas são os seguintes:

• Alto cisalhamento: As forças ultra-sónicas de alto cisalhamento perturbam os líquidos e os sistemas líquido-sólido, provocando uma agitação intensa, homogeneização e transferência de massa.
• Impacto: Os jactos de líquido e o fluxo gerado pela cavitação ultra-sónica aceleram os sólidos nos líquidos, o que leva subsequentemente à colisão interparticular. Quando as partículas colidem a velocidades muito elevadas, sofrem erosão, estilhaçam-se e são moídas e dispersas finamente, muitas vezes até ao tamanho nanométrico. No caso da matéria biológica, como os materiais vegetais, os jactos de líquido a alta velocidade e os ciclos de pressão alternados rompem as paredes celulares e libertam o material intracelular. Isto resulta numa extração altamente eficiente de compostos bioactivos e na mistura homogénea de matéria biológica.
• Agitação: Ultrasonication provoca turbulências intensas, forças de cisalhamento e micro-movimento no líquido ou chorume. Assim, a sonicação sempre intensifica a transferência de massa e acelera assim reações e processos.

Os homogeneizadores ultra-sónicos e os misturadores de alto cisalhamento são utilizados em quase todas as indústrias de processamento que trabalham com líquidos ou lamas. As forças cavitacionais ultra-sónicas intensas criam agitação intensa, cisalhamento, quebra de partículas e transferência de massa. Deste modo, os líquidos são homogeneizados, dispersos, emulsionados, extraídos, dissolvidos e/ou reacções químicas são iniciadas. Em geral, a ultrassonografia é um método de intensificação do processo que aumenta o rendimento, melhora as taxas de conversão e torna os processos mais eficientes.
As aplicações ultra-sónicas comuns na indústria estão espalhadas por muitos ramos da alimentação & indústria farmacêutica, química fina, energia & petroquímica, reciclagem, biorrefinarias, etc. e incluem o seguinte:

• síntese de biodiesel por ultra-sons
• homogeneização ultra-sónica de sumos de fruta
• produção de vacinas por ultra-sons
• reciclagem ultra-sónica de baterias de iões de lítio
• síntese ultra-sónica de nanomateriais
• formulação ultra-sónica de produtos farmacêuticos
• nano-emulsificação ultra-sónica do CBD
• extração ultra-sónica de plantas
• preparação de amostras por ultra-sons em laboratórios
• desgaseificação de líquidos por ultra-sons
• dessulfuração ultra-sónica do petróleo bruto
• e muito mais ...

Cornetas e sondas ultra-sónicas para aplicações de elevado desempenho

A Hielscher Ultrasonics é um fabricante e distribuidor de longa data de ultrassons de alta potência, que são utilizados em todo o mundo para aplicações pesadas em muitas indústrias.
Com processadores ultra-sónicos de todos os tamanhos, desde 50 watts a 16 kW por dispositivo, sondas de vários tamanhos e formas, reactores ultra-sónicos com diferentes volumes e geometrias, a Hielscher Ultrasonics tem o equipamento certo para configurar a configuração ultra-sónica ideal para a sua aplicação.
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: