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.

Transdutor ultrassónico UIP2000hdT com buzina ultra-sónica, amplificador e sonda (sonotrodo)
- 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.
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:
Volume do lote | caudal | Dispositivos recomendados |
---|---|---|
1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400ST |
0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdt |
n.d. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
n.d. | maior | grupo de UIP16000 |
Contactar-nos! / Pergunte-nos!
Literatura / Referências
- Kenneth S. Suslick, Yuri Didenko, Ming M. Fang, Taeghwan Hyeon, Kenneth J. Kolbeck, William B. McNamara, Millan M. Mdleleni, Mike Wong (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Vol. 357, Issue 1751, 1999. 335-353.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.