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Cavitação ultrassônica em líquidos

Ondas ultrassônicas de ultrassom de alta intensidade geram cavitação acústica em líquidos. A cavitação causa efeitos extremos localmente, como jatos de líquido de até 1000 km/h, pressões de até 2000 atm e temperaturas de até 5000 Kelvin. Essas forças geradas por ultrassom 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 ultrassônica

Ao sonicar líquidos em altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam para o meio líquido resultam em ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com taxas dependendo da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultrassônicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume no qual não podem mais absorver energia, elas colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Esse fenômeno é denominado cavitação. Durante a implosão, temperaturas muito altas (aprox. 5.000K) e pressões (aprox. 2.000atm) são atingidas localmente. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jatos de líquido de até 280m/s de velocidade.

Pedido de Informação







As sondas ultrassônicas usam as forças da cavitação acústica para fornecer mistura e homogeneização intensas. Os homognaizadores ultrassônicos são amplamente utilizados para mistura, dispersão, emulsificação, extração, desgaseificação e sonoquímica eficientes.

Ultrassonicadores do tipo sonda, como o UP400St Use o princípio de funcionamento da cavitação acústica.

Cavitação acústica ou ultrassônica: crescimento e implosão de bolhas

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

 
 
 

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

Cavitação ultrassônica em água usando o UP400S

Miniatura do vídeo

 

Principais aplicações de ultrassonicadores usando cavitação acústica

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

Cavitação ultrassônica poderosa em Hielscher Cascatrode

Cavitação ultrassônica poderosa no Cascatrode ultrassônico de Hielscher

  1. Homogeneização: As sondas ultrassônicas podem gerar cavitação intensa, que é caracterizada como um campo denso de energia de vibração e forças de cisalhamento. Essas forças fornecem excelente mistura, mistura e redução do tamanho das partículas. A homogeneização ultrassônica produz suspensões uniformemente misturadas. Portanto, a sonicação é usada para produzir suspensão coloidal homogênea com curvas de distribuição estreitas.
  2. Dispersão de nanopartículas: Os ultrassônicos são empregados para a dispersão, desaglomeração e moagem úmida de nanopartículas. As ondas de ultrassom de baixa frequência podem gerar cavitação impactante, que quebra os aglomerados e reduz o tamanho das partículas. Em particular, o alto cisalhamento dos jatos de líquido acelera as partículas no líquido, que colidem umas com as outras (colisão interparticulada), de modo que as partículas consequentemente se quebram e sofrem erosão. Isso resulta em uma distribuição uniforme e estável de partículas, evitando a sedimentação. Isso é crucial em vários campos, incluindo nanotecnologia, ciência dos materiais e produtos farmacêuticos.
  3. Emulsificação e mistura: Os ultrassônicos do tipo sonda são usados para criar emulsões e misturar líquidos. A energia ultrassônica causa cavitação, formação e colapso de bolhas microscópicas, o que gera intensas forças de cisalhamento locais. Este processo auxilia na emulsificação de líquidos imiscíveis, produzindo emulsões estáveis e finamente dispersas.
  4. Extração: Devido às forças de cisalhamento cavitacional, os ultrassônicos são altamente eficientes na interrupção de estruturas celulares e para melhorar a transferência de massa entre sólido e líquido. Portanto, a extração ultrassônica é amplamente utilizada para liberar material intracelular, como compostos bioativos para a produção de extratos botânicos de alta qualidade.
  5. Desgaseificação e desaeração: Os ultrassônicos do tipo sonda são empregados para remover bolhas de gás ou gases dissolvidos de líquidos. A aplicação da cavitação ultrassônica promove a coalescência das bolhas de gás para que cresçam e flutuem até o topo do líquido. A cavitação ultrassônica torna a desgaseificação um procedimento rápido e eficiente. Isso é valioso em vários setores, como 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: As sondas ultrassônicas podem ser usadas para sonocatálise, um processo que combina cavitação acústica com catalisadores para melhorar as reações químicas. A cavitação gerada pelas ondas ultrassônicas 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. Preparação da amostra: Os ultrassônicos 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 ultrassônica gerada pela sonda rompe as membranas celulares, liberando conteúdo celular e facilitando análises posteriores.
  8. Desintegração e ruptura celular: Os ultrassônicos 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 amostras para análise. As ondas ultrassônicas de alta intensidade e a cavitação assim gerada causam estresse mecânico e forças de cisalhamento, resultando na desintegração das estruturas celulares. Em pesquisas biológicas e diagnósticos médicos, os ultrassônicos do tipo sonda são usados para lise celular, o processo de quebrar células abertas para liberar seus componentes intracelulares. A energia ultrassônica rompe as paredes celulares, membranas e organelas, permitindo a extração de proteínas, DNA, RNA e outros constituintes celulares.

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

 

Esfoliação ultrassônica de grafeno em água

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

A cavitação acústica como mostrada aqui no ultrassônico Hielscher UIP1500hdT é usada para iniciar e promover reações químicas. Cavitação ultrassônica no ultrassom Hielscher UIP1500hdT (1500W) para reações sonoquímicas.

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

Vídeo de Cavitação Acústica em Líquido

O vídeo a seguir demonstra a cavitação acústica no cascatrodo do ultrasonicator UIP1000hdT em uma coluna de vidro cheia de água. A coluna de vidro é iluminada por baixo por luz vermelha para melhorar a visualização das bolhas de cavitação.

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

Cavitação ultrassônica em líquidos usando o UIP1000

Miniatura do vídeo

 

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A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:

Volume do lote Vazão 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.a. 10 a 100L/min UIP16000
n.a. maior cluster de UIP16000
Os homogeneizadores ultrassônicos de alto 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 laboratorial, piloto e industrial.



Literatura / Referências


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de labrador Para tamanho industrial.

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