Cavitação ultra-sônica em Líquidos

Ondas ultra-sônicas de ultrassom de alta intensidade geram cavitação acústica em líquidos. A cavitação causa efeitos extremos localmente, como jatos de líquido de até 1000km/h, pressões de até 2000 atm e temperaturas de até 5000 Kelvin. Essas forças geradas ultrassonicamente são usadas para inúmeras aplicações de processamento de líquidos, como homogeneização, dispersão, emulsificação, extração, ruptura celular, bem como a intensificação de reações químicas.

O princípio de funcionamento da cavitação ultra-sônica

Quando sonicando líquidos em altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam para o meio líquido resultar em alternada de alta pressão (compressão) e ciclos de baixa pressão (rarefeitos), com taxas dependendo da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, ondas ultra-sónicas de alta intensidade criar bolhas de vácuo pequenas ou espaços vazios no líquido. Quando as bolhas de atingir um volume em que ela não pode mais absorver a energia, o colapso se violentamente durante um ciclo de alta pressão. Esse fenômeno é denominado cavitação. Durante a implosão temperaturas muito elevadas (aprox. 5.000 K) e pressões (aprox. 2,000atm) são alcançados localmente. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jactos de líquido de até 280m / s velocidade.

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Sondas ultra-sônicas usam as forças da cavitação acústica para proporcionar intensa mistura e homogeneização. Homogeneizadores ultra-sônicos são amplamente utilizados para mistura eficiente, dispersão, emulsificação, extração, desgaseificação e sonoquímica.

Ultrasonicators do tipo sonda, como o UP400St utilizar o princípio de funcionamento da cavitação acústica.

Cavitação acústica ou ultrassônica: crescimento de bolhas e implosão

A cavitação acústica (gerada pelo ultrassom de energia) cria condições localmente extremas, os chamados efeitos sonoecânicos e sonoquímicos. Devido a esses efeitos, a sonicação promove reações químicas que levam a maiores rendimentos, velocidade de reação mais rápida, novos caminhos e melhor eficiência geral.

 
 
 

Este vídeo mostra o ultrasssônico Hielscher UP400S (400W) gerando cavitação acústica na água.

Cavitação Ultrasônica na Água usando o UP400S

Miniatura do vídeo

 

Principais Aplicações de Ultrasonicators usando Cavitação Acústica

Ultrassonicators, também conhecidos como sondas ultrassônicas, geram eficientemente cavitação acústica intensa em líquidos. Portanto, eles são amplamente utilizados em várias aplicações em diferentes indústrias. Algumas das aplicações mais importantes da cavitação acústica gerada por ultrasonicators do tipo sonda incluem:
 

Cavitação ultra-sônica poderosa em Hielscher Cascatrode

Cavitação ultra-sônica poderosa em Hielscher Ultrasonic Cascatrode

  1. Homogeneização: Sondas ultra-sônicas podem gerar cavitação intensa, que é caracterizada como um campo de vibração e forças de cisalhamento densas em energia. Estas forças proporcionam excelente mistura, mistura e redução do tamanho das partículas. A homogeneização ultra-sônica produz suspensões uniformemente misturadas. Portanto, a sonicação é usada para produzir suspensão coloidal homogênea com curvas de distribuição estreitas.
  2. Dispersão de Nanopartículas: Ultrasonicators são empregados para a dispersão, desaglomeração e moagem úmida de nanopartículas. Ondas de ultrassom de baixa frequência podem gerar cavitação impactante, que quebra aglomerados e reduz o tamanho das partículas. Em particular, o alto cisalhamento dos jatos líquidos acelera as partículas no líquido, que colidem entre si (colisão interparticulada) de modo que as partículas consequentemente se rompem e erodem. Isso resulta em uma distribuição uniforme e estável das partículas, impedindo a sedimentação. Isso é crucial em vários campos, incluindo nanotecnologia, ciência dos materiais e produtos farmacêuticos.
  3. Emulsificação e Mistura: Ultrasonicators do tipo sonda são usados para criar emulsões e misturar líquidos. A energia ultra-sônica causa cavitação, formação e colapso de bolhas microscópicas, o que gera intensas forças de cisalhamento local. Este processo auxilia na emulsificação de líquidos imiscíveis, produzindo emulsões estáveis e finamente dispersas.
  4. Extração: Devido às forças de cisalhamento cavitacionais, os ultrasonicators são altamente eficientes na ruptura de estruturas celulares e para melhorar a transferência de massa entre sólido e líquido. Portanto, a extração ultra-sônica é amplamente utilizada para liberar material intracelular, como compostos bioativos para a produção de extratos botânicos de alta qualidade.
  5. Desgaseificação e desaeração: Ultrasonicators do tipo sonda são empregados para remover bolhas de gás ou gases dissolvidos de líquidos. A aplicação de cavitação ultra-sônica promove a coalescência de bolhas de gás para que elas cresçam e flutuem até o topo do líquido. A cavitação ultra-sônica torna a desgaseificação um procedimento rápido e eficiente. Isso é valioso em várias indústrias, como em tintas, fluidos hidráulicos ou processamento de alimentos e bebidas, onde a presença de gases pode afetar negativamente a qualidade e a estabilidade do produto.
  6. Sonocatálise: Sondas ultra-sônicas podem ser usadas para sonocatálise, um processo que combina cavitação acústica com catalisadores para melhorar as reações químicas. A cavitação gerada por ondas ultra-sônicas melhora a transferência de massa, aumenta as taxas de reação e promove a produção de radicais livres, levando a transformações químicas mais eficientes e seletivas.
  7. Preparo da amostra: Ultrasonicators do tipo sonda são comumente usados em laboratórios para preparação de amostras. Eles são usados para homogeneizar, desagregar e extrair amostras biológicas, como células, tecidos e vírus. A energia ultra-sônica gerada pela sonda rompe as membranas celulares, liberando conteúdo celular e facilitando análises posteriores.
  8. Desintegração e Ruptura Celular: Ultrasonicators do tipo sonda são utilizados para desintegrar e interromper células e tecidos para vários fins, como extração de componentes intracelulares, inativação microbiana ou preparação de amostra para análise. As ondas ultra-sônicas de alta intensidade e a cavitação gerada causam estresse mecânico e forças de cisalhamento, resultando na desintegração das estruturas celulares. Em pesquisas biológicas e diagnósticos médicos, ultrasonicators do tipo sonda são usados para lise celular, o processo de quebrar células abertas para liberar seus componentes intracelulares. A energia ultra-sônica interrompe as paredes celulares, membranas e organelas, permitindo a extração de proteínas, DNA, RNA e outros constituintes celulares.

 
Essas são algumas das principais aplicações dos ultrassônicos do tipo sonda, mas a tecnologia tem uma gama ainda maior de outros usos, incluindo sonoquímica, redução do tamanho das partículas (moagem úmida), síntese de partículas de baixo para cima e síntese de sonossíntese de substâncias químicas e materiais em várias indústrias, como farmacêutica, processamento de alimentos, biotecnologia e ciências ambientais.

 

Esfoliação ultrassônica de grafeno na água

Uma sequência de alta velocidade (de a a f) de quadros ilustrando a esfoliação sono-mecânica de um floco de grafite na água usando o UP200S, um ultrasonicator de 200W com sonotrodo de 3 mm. As setas mostram o local da divisão das partículas com bolhas de cavitação penetrando na divisão.
© Tyurnina et al. 2020

A cavitação acústica como mostrado aqui no Hielscher ultrasonicator UIP1500hdT é usado para iniciar e promover reações químicas. Cavitação ultra-sônica em Hielscher UIP1500hdT (1500W) ultrasonicator para reações sonoquímicas.

Cavitação ultrassônica na sonda cascata do ultrassônico UIP1000hdT (1000 watts, 20kHz) em um reator de vidro.

Vídeo de Cavitação Acústica em Líquido

O vídeo a seguir demonstra cavitação acústica na cascata do ultrasonicator UIP1000hdT em uma coluna de vidro cheia de água. A coluna de vidro é iluminada a partir do fundo por luz vermelha, a fim de melhorar a visualização das bolhas de cavitação.

Este vídeo mostra cavitação ultra-sônica / acústica em água - gerada pelo Hielscher UIP1000. A cavitação ultra-sônica é usada para muitas aplicações líquidas, como homogeneização, dispersão, emulsificação, extração, desgaseificação e reações sonoquímicas.

Cavitação Ultrassônica em Líquidos usando o UIP1000

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A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Volume batch Quociente de vazão Dispositivos Recomendados
1 a 500mL 10 a 200 mL / min UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL / min UP200Ht, UP400St
0.1 a 20L 00,2 a 4 L / min UIP2000hdT
10 a 100L 2 de 10L / min UIP4000hdT
n / D. 10 a 100L / min UIP16000
n / D. maior aglomerado de UIP16000
Homogeneizadores ultrassônicos de alta cisalhamento são usados em laboratório, bancada, piloto e processamento industrial.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratoria, piloto e industrial.



Literatura / Referências


Ultrassônicos de alto desempenho! A gama de produtos da Hielscher abrange todo o espectro desde o ultrassônico de laboratório compacto sobre unidades de bancada até sistemas ultrassônicos industriais completos.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de Laboratório para tamanho industrial.


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