Aplicarea ultrasunetelor de putere cu ajutorul sonotrodelor ultrasonice

Sonotrodele sau sondele ultrasonice sunt utilizate pe scară largă pentru numeroase aplicații de procesare a lichidelor, inclusiv omogenizare, dispersare, măcinare umedă, emulsionare, extracție, dezintegrare, dizolvare și dezaerare. Aflați noțiunile de bază despre concentratoarele ultrasonice, sondele ultrasonice și aplicațiile acestora.

Concentrator ultrasonic vs. sondă ultrasonică

Adesea, termenii concentrator ultrasonic (în engleză „ultrasonic horn”) și sondă sunt folosiți interschimbabil și se referă la tija ultrasonică ce transmite undele ultrasonice în lichid. Alți termeni folosiți pentru sonda ultrasonică sunt „acoustic horn” (concentrator acustic), sonotrodă, ghid de undă acustic sau deget ultrasonic. Totuși, din punct de vedere tehnic, există o diferență între un concentrator ultrasonic și o sondă ultrasonică.
Ambele, concentratorul și sonda, se referă la părți ale așa-numitului sonicator cu sondă. Concentratorul ultrasonic este partea metalică a traductorului ultrasonic, care este excitată prin vibrații generate piezoelectric. Concentratorul ultrasonic vibrează la o anumită frecvență, de ex. 20kHz, ceea ce înseamnă 20.000 de vibrații pe secundă. Titanul este materialul preferat pentru fabricarea concentratoarelor ultrasonice datorită proprietăților sale excelente de transmisie acustică, rezistenței sale robuste la oboseală și durității superficiale.

Sonda ultrasonică se mai numește sonotrodă sau deget ultrasonic. Este o tijă metalică, cel mai adesea din titan, înfiletată pe concentratorul ultrasonic. Sonda ultrasonică este o parte esențială a procesorului ultrasonic, care transmite undele ultrasonice în mediul sonicat. Sondele ultrasonice / sonotrodele sunt disponibile în diverse forme (de ex. conice, cu vârf, cu secțiune descrescătoare sau sub formă de Cascatrode). Deși titanul este materialul cel mai frecvent utilizat pentru sondele ultrasonice, sunt disponibile și sonotrode din oțel inoxidabil, ceramică, sticlă și alte materiale.

Deoarece concentratorul și sonda ultrasonică sunt supuse unei compresiuni sau tracțiuni constante în timpul sonicării, selecția materialului pentru concentrator și sondă este crucială. Aliajul de titan de înaltă calitate (grad 5) este considerat cel mai fiabil, durabil și eficient metal pentru a rezista la solicitări, pentru a susține amplitudini mari pe perioade lungi de timp și pentru a transmite proprietățile acustice și mecanice.

Dizolvarea este o aplicație frecventă a sonicării. Videoclipul demonstrează dizolvarea rapidă a cristalelor de zahăr în apă cu Hielscher UP200St.

Sonicatoarele de înaltă performanță funcționează în mare parte în domeniul de frecvență de 20–30kHz. La 20 kHz, sonda ultrasonică este de obicei o tijă rezonantă cu lungimea de o jumătate de lungime de undă, care se dilată și se contractă constant de 20.000 de ori pe secundă. Mișcările de dilatare și contractare sunt transmise sub formă de ultrasunete de mare putere în mediul de proces, adică fluid sau suspensie, pentru a realiza aplicații precum

• amestecare cu forfecare ridicată prin ultrasunete
• măcinare umedă cu ultrasunete
• dispersarea nanoparticulelor cu ultrasunete
• nanoemulsionare cu ultrasunete
• extracție cu ultrasunete
• dezintegrare cu ultrasunete
• dezintegrarea celulelor și liză cu ultrasunete
• degazare și dezaerare cu ultrasunete
• sonochimie (sonosinteză, sonocataliză)

Cum funcționează ultrasunetele de putere? – Principiul de funcționare al cavitației acustice

Pentru aplicații ultrasonice de înaltă performanță, precum omogenizarea, reducerea dimensiunii particulelor, dezintegrarea sau nanodispersiile, ultrasunetele de intensitate ridicată și frecvență joasă sunt generate de un traductor ultrasonic și transmise printr-un concentrator ultrasonic și o sondă (sonotrodă) într-un lichid. Ultrasunetele de mare putere sunt considerate ultrasunetele din domeniul 16–30kHz. Sonda ultrasonică se dilată și se contractă, de ex. la 20kHz, transmițând astfel, respectiv, 20.000 de vibrații pe secundă în mediu. Când undele ultrasonice traversează lichidul, ciclurile alternante de presiune înaltă (compresiune) / presiune joasă (rarefiere / expansiune) creează cavități minuscule (bule de vid), care cresc pe parcursul mai multor cicluri de presiune. În timpul fazei de compresiune a lichidului și a bulelor, presiunea este pozitivă, în timp ce faza de rarefiere produce un vid (presiune negativă). În timpul ciclurilor de compresiune-expansiune, cavitățile din lichid cresc până când ating o dimensiune la care nu mai pot absorbi energie suplimentară. În acest punct, ele implodează violent. Implozia acestor cavități are ca rezultat diverse efecte puternic energetice, cunoscute ca fenomenul de cavitație acustică / ultrasonică. Cavitația acustică se caracterizează prin numeroase efecte puternic energetice, care influențează lichidele, sistemele solid/lichid, precum și sistemele gaz/lichid. Zona cu densitate energetică ridicată sau zona cavitațională este cunoscută ca așa-numita zonă hot-spot, a cărei densitate energetică este maximă în imediata vecinătate a sondei ultrasonice și scade odată cu creșterea distanței față de sonotrodă. Principalele caracteristici ale cavitației ultrasonice includ temperaturi și presiuni foarte ridicate care apar local și diferențele corespunzătoare ale acestora, turbulențe și curgeri de lichid. În timpul imploziei cavităților ultrasonice în hot-spot-urile ultrasonice, pot fi măsurate temperaturi de până la 5000 Kelvin, presiuni de până la 200 de atmosfere și jeturi de lichid cu viteze de până la 1000km/h. Aceste condiții remarcabile, intens energetice, contribuie la efecte sonomecanice și sonochimice care intensifică procesele și reacțiile chimice în diverse moduri.
Principalele efecte ale ultrasonicării asupra lichidelor și suspensiilor sunt următoarele:

• Forfecare ridicată: Forțele de forfecare ridicată generate de ultrasunete perturbă lichidele și sistemele lichid-solid, provocând agitare intensă, omogenizare și transfer de masă.
• Impact: Jeturile de lichid și curgerile generate de cavitația ultrasonică accelerează particulele solide din lichide, ceea ce duce ulterior la coliziuni între particule. Când particulele se ciocnesc la viteze foarte mari, ele se erodează, se sparg și sunt măcinate și dispersate fin, adesea până la dimensiuni nanometrice. În cazul materiei biologice, precum materialele vegetale, jeturile de lichid de mare viteză și ciclurile alternante de presiune distrug pereții celulari și eliberează materialul intracelular. Acest lucru are ca rezultat o extracție foarte eficientă a compușilor bioactivi și amestecarea omogenă a materiei biologice.
• Agitare: Ultrasonicarea provoacă turbulențe intense, forțe de forfecare și micromișcări în lichid sau suspensie. Prin aceasta, sonicarea intensifică întotdeauna transferul de masă și accelerează astfel reacțiile și procesele.

Omogenizatoarele cu ultrasunete și mixerele cu forfecare ridicată sunt utilizate în aproape orice industrie de procesare care lucrează cu lichide sau suspensii. Forțele cavitaționale ultrasonice intense creează agitare intensă, forfecare, fragmentarea particulelor și transfer de masă. Astfel, lichidele sunt omogenizate, dispersate, emulsionate, extrase, dizolvate și/sau sunt inițiate reacții chimice. În ansamblu, ultrasonicarea este o metodă de intensificare a proceselor care crește randamentul, îmbunătățește ratele de conversie și face procesele mai eficiente.
Aplicațiile ultrasonice uzuale din industrie sunt răspândite în numeroase ramuri ale industriei alimentare și farmaceutice, chimiei fine, energiei și petrochimiei, reciclării, biorafinăriilor etc. și includ următoarele:

• sinteza biodieselului cu ultrasunete
• omogenizarea sucurilor de fructe cu ultrasunete
• producția de vaccinuri cu ultrasunete
• reciclarea bateriilor Li-ion cu ultrasunete
• sinteza nanomaterialelor cu ultrasunete
• formularea produselor farmaceutice cu ultrasunete
• nanoemulsionarea CBD cu ultrasunete
• extracția produselor botanice cu ultrasunete
• prepararea probelor în laboratoare cu ultrasunete
• degazarea lichidelor cu ultrasunete
• desulfurarea țițeiului cu ultrasunete
• și multe altele …

Concentratoare și sonde ultrasonice pentru aplicații de înaltă performanță

Hielscher Ultrasonics este un producător și distribuitor cu experiență îndelungată de sonicatoare de mare putere, utilizate la nivel mondial pentru aplicații solicitante în numeroase industrii.
Cu procesoare ultrasonice de toate dimensiunile, de la 50 de wați la 16kW per dispozitiv, sonde de diverse dimensiuni și forme și reactoare ultrasonice cu volume și geometrii diferite, Hielscher Ultrasonics dispune de echipamentul potrivit pentru a configura instalația ultrasonică ideală pentru aplicația dumneavoastră.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a sonicatoarelor noastre: