Os processos de sonicação podem ser realizados pelo uso de um homogeneizador ultrassônico tipo sonda ou um banho ultrassônico. Embora, ambas as técnicas apliquem ultrassom à amostra, há diferenças significativas na eficácia, eficiência e capacidade de processo. Os ultrassononicadores do tipo sonda superam drasticamente o banho ultrassônico quando se trata de intensidade de ultrassom, amplitude, processamento uniforme e reprodutibilidade.

Os efeitos desejados do ultra-som de líquidos – Incluindo homogeneização, Dispersão, desaglomeração, fresagem, emulsificação, Extração, lise, Desintegração e efeitos sonoquímicos - são causados ​​por cavitação. Ao introduzir o ultra-som de alta potência em um meio líquido, as ondas sonoras são transmitidas no fluido e criam ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (ráfaga), com taxas dependendo da freqüência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultra-sônicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume no qual elas não podem mais absorver energia, elas colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Esse fenômeno é denominado cavitação. Durante a implosão, as temperaturas muito altas (cerca de 5.000K) e as pressões (aproximadamente 2.000atm) são atingidas localmente. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jatos líquidos de até 280 m / s de velocidade. [Suslick, 1998]

Moholkar et al. (2000) verificaram que as bolhas na região de maior intensidade de cavitação foi submetido a um movimento transiente, enquanto que as bolhas da região de menor intensidade da cavitação foi submetido a movimento estável / oscilatório. O colapso das bolhas transiente que dá origem a temperatura e a pressão máximas locais está na raiz dos efeitos observados de ultra-som em sistemas químicos.
A intensidade de ultra-sons é uma função da energia de entrada e a área de superfície do sonotrode. Para uma dada energia à entrada aplica-se: a maior área de superfície do sonotrode, quanto menor for a intensidade de ultra-som.
ondas de ultra-som pode ser gerada por diferentes tipos de sistemas de ultra-sons. No que se segue, as diferenças entre a sonicação usando um banho de ultra-sons, o dispositivo de sonda ultra-sónica em um vaso aberto e o dispositivo de sonda ultra-sónica com câmara de célula de fluxo serão comparados.

Comparação da distribuição hot spot cavitational

Para aplicações ultrassônicas, são utilizadas sondas ultrassônicas (sonotrodes /chifres) e banhos ultrassônicos. “Entre esses dois métodos de ultrassônica, a sônica da sonda é mais eficaz e poderosa do que o banho ultrassônico na aplicação da dispersão de nanopartículas; o dispositivo de banho ultrassônico pode fornecer uma ultrassônica fraca com aproximadamente 20-40 W/L e uma distribuição muito não uniforme, enquanto o dispositivo de sonda ultrassônica pode fornecer 20.000 W/L no fluido. Assim, significa que um dispositivo de sonda ultrassônica supera o dispositivo de banho ultrassônico pelo fator de 1000.” (cf. Asadi et al., 2019)

Banho ultrassonico

Em um banho de ultra-sons, a cavitação ocorre não-conformados e incontrolavelmente distribuído através do tanque. O efeito de ultra-sons é de baixa intensidade e desigualmente espalhar. A repetibilidade e escalabilidade do processo é muito pobre.
O quadro abaixo mostra os resultados de um teste de folha em um tanque de ultra-sons. Portanto, uma folha de alumínio ou de estanho fina é colocada na parte inferior de um tanque de água de ultra-sons preenchido. Depois de sonicao, marcas de erosão individuais são visíveis. Aqueles único pontos perfurados e furos na folha indicam os pontos quentes cavitacionais. Devido à energia baixa e a desigual distribuição do ultra-som no interior do tanque, as marcas de erosão ocorrer único ponto-sensato. Assim, banhos ultra-sônicos são utilizados principalmente para aplicações de limpeza.

As figuras abaixo mostram a distribuição irregular de pontos quentes cavitacionais num banho de ultra-sons. Na Fig. 2, um banho com uma área inferior de 20×10 cm foi utilizado.

Para as medições mostradas na Fig. 3, num banho de ultra-sons com um espaço inferior de 12x10cm foi usado.

Ambas as medições revela que a distribuição do campo de irradiação ultrassónica nos tanques de ultra-sons é muito irregular.
O estudo de irradiação ultra-sónica em vários locais no banho mostra variações espaciais significativas na intensidade da cavitação no banho de ultrassons.

A Fig. 4 abaixo compara a eficiência de um banho de ultra-sons e um dispositivo de sonda ultra-sónica exemplificado pela descoloração do corante azo violeta de metilo.

Dhanalakshmi et al. encontrado em seu estudo que -Tipo sonda ultra-sónica dispositivos têm um alta localizada intensidade comparado com o tipo do tanque e, por conseguinte, um maior efeito localizado, como representado na Fig. 4. Isto significa uma intensidade mais elevada e a eficiência do processo de ultra-sons.
Uma configuração de ultra-sons, como mostrado na figura 4, permite o controlo total sobre os parâmetros mais importantes - amplitude, pressão, temperatura, viscosidade, concentração, volume do reactor.

Ultrasonic Probe dispositivo em um vaso aberto

Quando as amostras s sonicadas usando um dispositivo de sonda ultra-sónica, a zona de ultra-sons intensos é directamente por baixo do sonotrodo / sonda. A distância de irradiação ultrassónica está limitado a uma determinada área da ponta do sonotrodo. (Ver Fig.1)
processos de ultra-sons em provetas abertos são mais utilizados para o teste de viabilidade e para a preparação de amostras de volumes mais pequenos.

dispositivo de sonda ultra-sónica em modo de fluxo contínuo

Os resultados de sonicação mais sofisticados são alcançados por um processamento contínuo num modo de fluxo fechado. Todo o material é processado por ultra-sons a mesma intensidade como o percurso de fluxo e tempo de residência na câmara do reactor de ultra-sons é controlada.

Foto. 4: sistema de ultra-sons 1 kW UIP1000hd com a célula de fluxo e uma bomba

Os resultados do processo de processamento de líquido de ultra-sons para uma dada configuração de parâmetros são uma função da energia por volume processado. A função muda com alterações nos parâmetros individuais. Além disso, a saída de energia real e de intensidade por unidade de superfície do sonotrodo de um aparelho de ultra-sons depende dos parâmetros.

O impacto por cavitação ultra-sónica de processamento depende da intensidade da superfície que é descrito por amplitude (A), a pressão (P), o volume do reactor (VR), a temperatura (T), a viscosidade (η) e outros. As mais e menos sinais indicam uma influência positiva ou negativa do parâmetro específico da intensidade de sonicação.

Ao controlar o parâmetro mais importante do processo de ultra-sons, o processo é totalmente reprodutível e os resultados obtidos pode ser dimensionado completamente linear. Diferentes tipos de sonotrodos e reactores de fluxo de ultra-sons de células para permitir a adaptação aos requisitos específicos do processo.

Resumo

enquanto um Banho ultrassonico Fornece uma fraco sonicação com aprox. 20-40 W / L e uma muito não uniforme distribuição, ultra-sons do tipo sonda Os dispositivos podem aprox facilmente casal. 20,000 W / L para o meio de processamento. Isto significa que um dispositivo do tipo sonda de ultra-sons se sobressai num banho de ultra-sons por um factor de 1000 (1000x maior entrada de energia por unidade de volume), devido a um focado e uniforme entrada de energia de ultra-sons. O controlo total sobre a sonicação mais importante parâmetros, garante completamente reprodutível resultados ea escalabilidade linear dos resultados do processo.