Sonicadores de tipo sonda vs. banhos de ultra-sons
Para tarefas como emulsificação, dispersão, extração ou redução do tamanho das partículas, os sonicadores do tipo sonda geram forças de cisalhamento uniformes e cavitação de alta intensidade. Esta abordagem direta permite lidar com aplicações difíceis e pode ser facilmente escalonada desde pequenos testes de laboratório até séries completas de produção. Entretanto, os banhos de ultra-sons podem ser suficientes para limpezas suaves ou tratamentos de baixa intensidade, mas têm frequentemente dificuldades com trabalhos mais exigentes que requerem um controlo preciso da amplitude e da temperatura. Quando se necessita de fiabilidade, flexibilidade e desempenho robusto, os sonicadores tipo sonda Hielscher oferecem uma clara vantagem sobre os banhos ultra-sónicos básicos.
Sonicador de tipo sonda vs banho de ultra-sons – Descubra por que razão os sonicadores de tipo sonda são excelentes em termos de eficiência e fiabilidade
Intensidade de cavitação do Sonicator
Os sonicadores do tipo sonda introduzem ultra-sons de alta potência diretamente no meio líquido, onde as ondas sonoras criam ciclos alternados de alta e baixa pressão no líquido. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultra-sónicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou espaços vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume em que já não conseguem absorver energia, entram em colapso violento durante um ciclo de alta pressão. Este fenómeno é designado por cavitação. Durante a implosão, são atingidas localmente temperaturas e pressões muito elevadas. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jactos de líquido extremamente rápidos.
Antecedentes: Cavitação ultra-sónica
Moholkar (2000) descobriu que as bolhas na região de maior intensidade de cavitação sofreram um movimento transitório, enquanto as bolhas na região de menor intensidade de cavitação sofreram um movimento estável e oscilatório. O colapso transitório das bolhas que dá origem a máximos locais de temperatura e pressão está na origem dos efeitos observados dos ultra-sons nos sistemas químicos.
A intensidade da ultrassonografia é uma função da entrada de energia e da área de superfície do sonotrodo. Para uma dada entrada de energia aplica-se: quanto maior for a área de superfície do sonotrodo, menor será a intensidade dos ultra-sons.
As ondas de ultra-sons podem ser geradas por diferentes tipos de sistemas de ultra-sons. A seguir, serão comparadas as diferenças entre a sonicação utilizando um banho de ultra-sons, um dispositivo de sonda de ultra-sons num recipiente aberto e um dispositivo de sonda de ultra-sons com câmara de célula de fluxo.
Fig. 1: Criação de bolhas de cavitação estáveis e transitórias. (a) deslocamento, (b) cavitação transitória, (c) cavitação estável, (d) pressão
[adaptado de Santos et al. 2009]
Comparação da distribuição da cavitação
Para as aplicações ultra-sónicas, é possível utilizar sondas ultra-sónicas (sonicadores de tipo sonda) ou banhos ultra-sónicos. “Entre estes dois métodos de ultra-sons, a sonicação por sonda é mais eficaz e potente do que o banho de ultra-sons na aplicação da dispersão de nanopartículas; o dispositivo de banho de ultra-sons pode fornecer uma ultra-sonificação fraca com cerca de 20-40 W/L e uma distribuição muito não uniforme, enquanto o dispositivo de sonda de ultra-sons pode fornecer 20 000 W/L no fluido. Isto significa que um dispositivo de sonda ultra-sónica supera o dispositivo de banho ultrassónico por um fator de 1000.” (cf. Asadi et al., 2019)
Sonicadores de tipo sonda vs banhos ultra-sónicos: Comparação da distribuição da cavitação
No domínio das aplicações ultra-sónicas, tanto os sonicadores de tipo sonda como os banhos ultra-sónicos desempenham papéis importantes. No entanto, quando se trata de dispersão de nanopartículas, os sonicadores de sonda superam significativamente os banhos ultra-sônicos. De acordo com Asadi (2019), os banhos ultra-sônicos normalmente geram uma ultrassonografia mais fraca de cerca de 20-40 Watts por litro com uma distribuição altamente não uniforme. Em contraste gritante, os dispositivos de sonda ultra-sônica podem fornecer um surpreendente 20000 Watts por litro no líquido, mostrando uma eficácia que supera os banhos ultra-sônicos por um fator de 1000. Esta diferença acentuada realça a capacidade superior dos sonicadores do tipo sonda para conseguir uma dispersão eficiente e uniforme das nanopartículas.
Banhos de ultra-sons
Num banho de ultra-sons, a cavitação ocorre de forma inconformada e incontrolavelmente distribuída pelo tanque. O efeito de sonicação é de baixa intensidade e distribuído de forma desigual. A repetibilidade e a escalabilidade do processo são muito fracas.
A imagem abaixo mostra os resultados de um teste de folha de alumínio numa cuba de ultra-sons. Para tal, uma folha fina de alumínio ou de estanho é colocada no fundo de uma cuba de ultra-sons cheia de água. Após a sonicação, são visíveis marcas de erosão simples. Estes pontos perfurados e buracos na folha indicam os pontos quentes cavitacionais. Devido à baixa energia e à distribuição desigual dos ultra-sons dentro da cuba, as marcas de erosão ocorrem apenas pontualmente. Por isso, os banhos de ultra-sons são utilizados principalmente para aplicações de limpeza.
Num banho ou numa cuba de ultra-sons, o ponto quente da cavitação acústica ocorre de forma muito irregular.
As figuras abaixo mostram a distribuição desigual dos pontos quentes cavitacionais num banho de ultra-sons. Na Fig. 2, um banho com uma área inferior de 20×Foram utilizados 10 cm.
A Fig.2 mostra a distribuição espacial do campo de ultra-sons no banho de ultra-sons:
(a) utilizando 1 L de água no banho e (b) utilizando o volume total de 2 L de água no banho.
[Nascentes et al., 2010]
Para as medições apresentadas na figura 3, foi utilizado um banho de ultra-sons com um espaço inferior de 12x10cm.
A Fig. 3 mostra a distribuição espacial do campo de ultra-sons num banho de ultra-sons:
(a) utilizando 1 L de água no banho e (b) utilizando o volume total de 1,3 L de água no banho.
[Nascentes et al., 2001]
Ambas as medições revelam que a distribuição do campo de irradiação ultra-sónica nas cubas de ultra-sons é muito irregular. O estudo da irradiação ultra-sónica em vários locais do banho mostra variações espaciais significativas na intensidade da cavitação no banho ultrassónico.
A figura 4 compara a eficiência de um banho de ultra-sons e de um dispositivo de sonda de ultra-sons, exemplificada pela descoloração do corante azoico violeta de metilo.
Fig. 4: Os sonicadores do tipo sonda utilizam uma intensidade de energia muito elevada localizada em comparação com a baixa densidade de ultra-sons das cubas e banhos de ultra-sons.
Dhanalakshmi et al. descobriram no seu estudo que os dispositivos ultra-sónicos do tipo sonda têm uma intensidade localizada elevada em comparação com os do tipo tanque e, por conseguinte, um maior efeito localizado, tal como ilustrado na figura 4. Isto significa uma maior intensidade e eficiência do processo de sonicação.
Uma configuração ultra-sónica, como a mostrada na figura 4, permite o controlo total dos parâmetros mais importantes, como a amplitude, a pressão, a temperatura, a viscosidade, a concentração e o volume do reator.
Figura 1: Sonotrodo transmitindo ultra-sons potentes para o líquido. A névoa sob a superfície do sonotrodo indica a área do ponto quente cavitacional.
- intenso
- focado
- totalmente controlável
- distribuição homogénea
- reproduzível
- expansão linear a escala larga
- Em lote e em linha
As vantagens dos sonicadores de tipo sonda
As sondas ultra-sónicas ou sonotrodos são concebidos para concentrar a energia ultra-sónica numa área focalizada, normalmente na ponta da sonda. Esta transmissão de energia focalizada permite um tratamento preciso e eficiente das amostras. Como a conceção da sonda assegura que uma parte significativa da energia ultra-sónica é dirigida para a amostra, a transferência de energia é significativamente melhorada quando comparada com os banhos ultra-sónicos. Esta transmissão focalizada de energia ultra-sónica é particularmente vantajosa para aplicações que requerem um controlo preciso dos parâmetros de ultra-sons, tais como a rutura de células, a nano-dispersão, a síntese de nanopartículas, a emulsificação e a extração botânica.
Por conseguinte, os sonicadores de tipo sonda oferecem vantagens distintas sobre os banhos ultra-sónicos em termos de precisão, controlo, flexibilidade, eficiência e escalabilidade, tornando-os ferramentas indispensáveis para uma vasta gama de aplicações científicas e industriais.
Sonicadores de tipo sonda para processamento de copos abertos
Quando as amostras são sonicadas utilizando um dispositivo de sonda ultra-sónica, a zona de sonicação intensa encontra-se diretamente por baixo do sonotrodo/sonda. A distância de irradiação ultra-sónica é limitada a uma determinada área da ponta do sonotrodo. (ver figura 1)
Os processos ultra-sónicos em béqueres abertos são utilizados principalmente para testes de viabilidade e para a preparação de amostras de volumes mais pequenos.
Sonicadores do tipo sonda com célula de fluxo para processamento em linha
Os resultados de sonicação mais sofisticados são obtidos através de um processamento contínuo num modo de fluxo fechado. Todo o material é processado pela mesma intensidade de ultra-sons que o percurso do fluxo e o tempo de residência na câmara do reator ultrassónico é controlado.
Conjunto de recirculação por ultra-sons: UIP1000hdT com célula de fluxo, tanque e bomba
Os resultados do processo de processamento de líquidos por ultra-sons para uma determinada configuração de parâmetros são uma função da energia por volume processado. A função muda com alterações nos parâmetros individuais. Além disso, a potência de saída real e a intensidade por área de superfície do sonotrodo de uma unidade de ultra-sons depende dos parâmetros.
O impacto cavitacional do processamento ultrassónico depende da intensidade da superfície que é descrita pela amplitude (A), pressão (p), volume do reator (VR), temperatura (T), viscosidade (η) e outros. Os sinais de mais e menos indicam uma influência positiva ou negativa do parâmetro específico sobre a intensidade de sonicação.
Ao controlar o parâmetro mais importante do processo de sonicação, o processo é totalmente repetível e os resultados obtidos podem ser escalados de forma completamente linear. Diferentes tipos de sonotrodos e reactores de células de fluxo ultrassónico permitem a adaptação a requisitos específicos do processo.
Resumo: Sonicador de tipo sonda vs Banho de ultra-sons
Enquanto um banho de ultra-sons fornece uma sonicação fraca com cerca de 20 Watts por litro, apenas e uma distribuição muito não uniforme, os sonicadores do tipo sonda podem facilmente acoplar cerca de 20000 Watts por litro no meio processado. Isto significa que um sonicador do tipo sonda ultra-sónica supera um banho ultrassónico por um fator de 1000 (1000x maior entrada de energia por volume) devido a uma entrada de energia ultra-sónica focalizada e uniforme. O controlo total sobre os parâmetros de sonicação mais importantes garante resultados completamente reprodutíveis e a escalabilidade linear dos resultados do processo.
Sonicador tipo sonda UP200St com sonotrodo S26d7D para a homogeneização de amostras por lotes
Literatura/Referências
- 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.
Perguntas frequentes sobre sondas ultra-sónicas (FAQs)
O que é um sonicador de sonda ultra-sónica?
Um sonicador de sonda ultra-sónica é um dispositivo que utiliza ondas sonoras de alta frequência para perturbar ou misturar amostras. É constituído por uma sonda que, quando imersa num líquido, gera vibrações ultra-sónicas, conduzindo à cavitação e aos efeitos desejados de processamento da amostra.
Qual é o princípio da sonicação da sonda?
A sonicação por sonda funciona segundo o princípio da cavitação ultra-sónica. Quando a sonda vibra na amostra, cria bolhas microscópicas que se expandem e colapsam rapidamente. Este processo gera forças de cisalhamento intensas e calor, rompendo células ou misturando componentes a um nível microscópico.
Uma máquina de limpeza por ultra-sons é o mesmo que um sonicador?
Não, não são a mesma coisa. Uma máquina de limpeza por ultra-sons utiliza ondas ultra-sónicas muito suaves num banho para limpar artigos, principalmente através de vibração e cavitação muito ligeira. Um sonicador, especificamente um sonicador de sonda ultra-sónica, foi concebido para o tratamento ultrassónico direto e intensivo de amostras, centrando-se na rutura ou homogeneização.
Qual é a utilidade de uma sonda ultra-sónica?
Uma sonda de ultra-sons é utilizada principalmente para tarefas de preparação de amostras, como a rutura de células, homogeneização, emulsificação e dispersão de partículas numa variedade de aplicações industriais e de investigação em química, biologia e ciência dos materiais.
Qual é a diferença entre o sonicador de sonda e a buzina de copo?
Um sonicador de sonda mergulha diretamente a sonda na amostra para uma sonicação intensa. Por outro lado, um sonicador de trompa não submerge a sonda, mas utiliza um método indireto em que a amostra é colocada num recipiente dentro de um banho de água que transmite a energia ultra-sónica.
Porquê utilizar um sonicador de sonda?
Um sonicador de sonda é utilizado pela sua capacidade de fornecer energia ultra-sónica direta e de alta intensidade a uma amostra, conseguindo uma rutura, homogeneização ou emulsificação eficientes. É particularmente valioso para amostras difíceis de processar ou quando é necessário um controlo preciso do processo.
Quais são as vantagens de um sonicador de sonda?
As vantagens incluem o processamento rápido e eficiente de amostras, a versatilidade das aplicações, o controlo preciso dos parâmetros de sonicação e a capacidade de processar uma vasta gama de tamanhos e tipos de amostras, desde amostras laboratoriais de pequeno volume até lotes ou caudais industriais maiores.
Como se utiliza um sonicador de sonda ultra-sónica?
A utilização de um sonicador de sonda ultra-sónica implica a seleção do tamanho adequado da sonda e dos parâmetros de sonicação, a imersão da ponta da sonda na amostra e, em seguida, a ativação do sonicador durante o tempo e as definições de potência pretendidos para obter um processamento eficaz da amostra.
Qual é a diferença entre sonicação e ultra-sons?
A sonicação refere-se à utilização geral de ondas sonoras para o processamento de materiais, que pode incluir uma gama de frequências. A ultra-sonificação especifica a utilização de frequências ultra-sónicas (normalmente acima de 20 kHz), centrando-se em aplicações que requerem ondas sonoras de alta energia para o processamento de amostras. No entanto, a maioria das pessoas refere-se a ultra-sons, quando utilizam a palavra sonicador.