Attrezzatura sperimentale ultrasonica convenzionale acusto-chimica

Introduzione alla chimica acustica ultrasonica

Dal 8 al 11 aprile 1986, il primo Simposio Internazionale di Chimica si è tenuto all’Università di Warwick nel Regno Unito, segnando la nascita di un nuovo campo interdisciplinare noto come sonochimica: una branca della chimica che studia le reazioni chimiche o le modifiche nei processi reattivi indotte da onde meccaniche, denominata anche chimica delle onde meccaniche. La lunghezza d’onda delle onde meccaniche utilizzate nelle reazioni chimiche varia tipicamente da 6,9 a 17 millimetri; i dispositivi che generano tali onde sono chiamati generatori di onde meccaniche, i cui componenti principali includono cristalli piezoelettrici o elementi magnetostrittivi. La sonochimica è essenzialmente una disciplina interdisciplinare emergente focalizzata sull’utilizzo delle onde meccaniche per accelerare le reazioni chimiche e migliorarne i rendimenti. Queste reazioni non derivano da interazioni dirette tra le onde meccaniche e le sostanze molecolari, poiché le lunghezze d’onda comunemente impiegate nei liquidi (da 10 cm a 0,015 cm) sono significativamente più grandi rispetto alla scala molecolare. Al contrario, le reazioni sonoochimiche originano principalmente dalla cavitazione indotta dalle onde meccaniche: la formazione, la crescita, la contrazione e il successivo collasso di bolle all’interno dei liquidi, che innescano trasformazioni fisiche e chimiche distinte.

Principi Chimici della Sonica

Effetto di cavitazione – Quando le onde meccaniche si propagano attraverso un liquido, il moto intenso delle particelle liquide genera piccole cavità all’interno del liquido. Queste cavità si espandono e collassano rapidamente, causando collisioni violente tra le particelle che producono pressioni comprese tra diverse migliaia e decine di migliaia di atmosfere. Tali intense interazioni tra le particelle provocano un repentino aumento della temperatura del liquido, generando un’agitazione efficace che consente l’emulsificazione tra due liquidi immiscibili (ad esempio acqua e olio), accelera la dissoluzione del soluto e favorisce le reazioni chimiche. Questi diversi effetti indotti dalle onde meccaniche in un liquido sono complessivamente indicati come effetto di cavitazione delle onde meccaniche.

Effetto delle onde meccaniche – Durante la propagazione, le onde meccaniche interagiscono con il mezzo, provocando variazioni di fase e di ampiezza che possono modificare lo stato, la composizione, la struttura, la funzione e le proprietà del mezzo. Tali modifiche sono denominate effetto delle onde meccaniche. L’interazione tra onde meccaniche e mezzo può essere classificata in meccanismi meccanici e meccanismi di cavitazione. In un sistema di reazione chimica facilitato da onde meccaniche, questi meccanismi agiscono singolarmente o sinergicamente per catalizzare la reazione. L’applicazione delle onde meccaniche nelle reazioni chimiche aumenta la velocità di reazione, riduce il tempo di reazione, migliora la selettività e consente l’avvio di reazioni che non avverrebbero in assenza di onde meccaniche. Grazie alle loro caratteristiche reattive uniche, la chimica basata sulle onde meccaniche ha suscitato notevole interesse ed è considerata uno degli ambiti di ricerca più importanti e dinamici nella chimica sintetica.

Introduzione all'Emulsificazione

I processi di produzione delle emulsioni variano notevolmente tra settori diversi, a seconda dei componenti utilizzati (miscugli costituiti da diverse sostanze in soluzione), dei metodi di emulsificazione e delle ulteriori condizioni di processo. Un’emulsione è una dispersione di due o più liquidi immiscibili; le apparecchiature per l’emulsificazione ultrasonica forniscono energia ultrasonica ad alta intensità per disperdere la fase liquida (fase dispersa) in piccole gocce all’interno della seconda fase (fase continua).

Due liquidi possono formare vari tipi di emulsioni; ad esempio, emulsioni olio-in-acqua ed emulsioni acqua-in-olio. In un’emulsione olio-in-acqua, l’olio funge da fase dispersa, mentre l’acqua agisce da mezzo dispersivo. Viceversa, possono formarsi emulsioni acqua-in-olio, nelle quali l’acqua è la fase dispersa e l’olio costituisce la fase continua. Inoltre, possono sorgere configurazioni di emulsioni multiple, tra cui le emulsioni "acqua-in-olio-in-acqua" e "olio-in-acqua-in-olio".

Introduzione all’emulsificazione ultrasonica

L'emulsificazione ad ultrasuoni si riferisce al processo di miscelazione uniforme di due (o più) liquidi immiscibili mediante energia ultrasonica, al fine di formare un sistema disperdente, nel quale un liquido è distribuito in modo omogeneo nell'altro per creare un'emulsione. La tecnologia di emulsificazione ad ultrasuoni è stata ampiamente applicata in vari settori industriali, tra cui la lavorazione degli alimenti, la produzione della carta, le vernici, l'industria chimica, quella farmaceutica, quella tessile, il settore petrolifero e la metallurgia.

Processo di emulsificazione

L'emulsificazione ultrasonica è indotta dagli effetti di cavitazione. Le onde ultrasoniche che si propagano attraverso un liquido provocano una compressione ed espansione continua del liquido. Gli ultrasuoni ad alta intensità forniscono l'energia necessaria per la dispersione della fase. Raggiunta la pressione massima, si verifica la rottura del liquido nelle regioni caratterizzate da forze coesive più deboli. In seguito a tale rottura, si sviluppa una sovrapressione nel punto di frattura, con conseguente formazione di cavità. All'interno di queste cavità, i gas disciolti nel liquido fuoriescono sotto forma di bolle in un breve lasso di tempo.

L'instabilità dell'emulsione porta alla coalescenza

Per stabilizzare le nuove gocce della fase dispersa e prevenire la coalescenza, all'emulsione vengono aggiunti un emulsionante (un tensioattivo) e uno stabilizzante. La distribuzione finale delle dimensioni delle gocce viene mantenuta allo stesso livello osservato subito dopo la rottura delle gocce nella zona di dispersione ultrasonica.

Il processo di cavitazione è influenzato dalla frequenza e dall’intensità ultrasonica. La formazione di cavità in un mezzo dipende in larga misura dalla presenza di gas non disciolti sospesi nel liquido, i quali agiscono da catalizzatori. In determinate condizioni di pressione, la formazione delle cavità è influenzata, in una certa misura, dal tempo di sviluppo e dalla frequenza ultrasonica. L’emulsificazione ultrasonica rappresenta una competizione tra processi opposti; pertanto, è necessario selezionare opportune condizioni operative e frequenze per garantire che l’effetto di rottura prevalga.

L'intensità sonora finale richiesta per preparare un'emulsione olio-in-acqua è significativamente inferiore rispetto a quella necessaria per un'emulsione acqua-in-olio. Il tipo di campo acustico—in particolare l'applicazione di onde progressive—influenza il processo di emulsificazione, determinando un'efficienza superiore rispetto all'uso di onde stazionarie. Ciò può essere spiegato dal fatto che, in un campo di onde stazionarie, prevale il processo opposto alla dispersione, ossia la coalescenza.

Esperimento sull'emulsificazione ultrasonica della paraffina

Panoramica del dispositivo

Il sistema è composto da uno o più processori a ultrasuoni con capacità di potenza che vanno da diversi chilowatt, collegando efficacemente la ricerca in laboratorio con la produzione industriale. Fornisce risultati paragonabili a quelli degli omogeneizzatori ad alta pressione di fascia alta attualmente disponibili sul mercato, consentendo la produzione di emulsioni finemente disperse sia in modalità a flusso continuo che in modalità batch. L’attrezzatura richiede una manutenzione minima ed è estremamente intuitiva sia nell’uso che nella pulizia. La sua potenza regolabile permette una personalizzazione precisa per soddisfare specifiche esigenze di emulsificazione.

Visto da diverse angolazioni

Vantaggi delle attrezzature convenzionali con testina applicativa:

1. Capacità di controllare il tipo di emulsione.

2. Il consumo energetico richiesto per la produzione dell’emulsione è basso.

3. L’emulsione ottenuta presenta una stabilità migliorata: alcune formulazioni rimangono stabili per diversi mesi, fino a oltre sei mesi.

4. Alta concentrazione: la concentrazione dell’emulsione pura può superare il 30%; aggiungendo un emulsionante, può raggiungere fino al 70%.

5. Basso costo: Una caratteristica fondamentale dell’emulsificazione a ultrasuoni è la sua capacità di produrre emulsioni altamente stabili con un uso minimo o nullo di emulsionanti.

6. Rispetto ai processi e alle attrezzature convenzionali per l’emulsificazione (ad esempio agitatori a elica, mulini colloidali e omogeneizzatori), l’emulsificazione a ultrasuoni offre numerosi vantaggi.

Visualizzazione del test

Durante il trattamento a ultrasuoni dei liquidi, le onde sonore che si propagano nel mezzo liquido generano cicli alternati di alta pressione (compressione) e bassa pressione (depressione). Durante questi cicli di pressione, si formano all’interno del liquido piccole bolle di vuoto o cavità; quando queste bolle raggiungono un volume tale da non poter più assorbire energia, collassano violentemente — un fenomeno noto come cavitazione. Durante l’implosione si raggiungono temperature e pressioni estremamente elevate localmente, e l’implosione delle bolle di cavitazione genera getti di liquido con velocità fino a 280 m/s.

Parametro dell'impianto

Applicazioni delle attrezzature sonochimiche

Le attrezzature per l'emulsificazione ultrasonica sono ampiamente utilizzate in settori industriali quali alimentare, cartario, vernici e rivestimenti, chimico, farmaceutico, tessile, petrolifero e metallurgico. Possono essere facilmente integrate nelle linee di produzione esistenti, consentendo ai produttori di aggiornare le proprie attrezzature a basso costo. L’emulsificazione ultrasonica consente inoltre la preparazione di emulsioni non ottenibili con metodi convenzionali. Mentre le tecniche convenzionali di miscelazione permettono di produrre soltanto emulsioni acquose al 5% di cera, è notevole il fatto che, mediante potenza ultrasonica, sia possibile realizzare emulsioni al 20% di cera.

Guida alle domande più frequenti

1. Cosa fare se la temperatura risulta eccessivamente elevata durante la lavorazione del liquido?

① Utilizzare la modalità ad impulsi. ② Utilizzare il raffreddamento a ghiaccio abbinato alla modalità ad impulsi. ③ Il refrigeratore fornisce ulteriore capacità di raffreddamento. ④ Utilizzare una testina resistente alle alte temperature durante la lavorazione.

2. Come raffreddare il trasduttore?

Un trattamento ultrasonico prolungato può causare il trasferimento di calore dalla testa della sonda al trasduttore. Il surriscaldamento potrebbe danneggiare gravemente il trasduttore e l'intero sistema ultrasonico. Per campioni di grandi dimensioni che richiedono un trattamento continuo superiore a 30 minuti, si raccomanda di installare un dispositivo di raffreddamento ad aria per il trasduttore.

3. Come selezionare il contenitore appropriato?

Forma e dimensioni del contenitore: i contenitori stretti sono preferibili rispetto a quelli larghi, poiché l'energia ultrasonica viene generata sulla superficie terminale e trasmessa verso il basso. Durante l'elaborazione del campione, il liquido viene spinto verso il basso e disperso in tutte le direzioni. Se il contenitore è troppo largo, non è possibile ottenere un mescolamento efficace e alcuni campioni potrebbero rimanere non trattati lungo i bordi. Per un dato volume, il tempo di elaborazione è più breve nei contenitori larghi rispetto a quelli stretti (circa il doppio). Inoltre, la sonda non deve entrare in contatto con i lati né con il fondo del contenitore. Diametro della superficie terminale: -1/4 pollice (6 mm): intervallo di elaborazione: 10 mL – 50 mL; -1/2 pollice (12 mm): intervallo di elaborazione: 20 mL – 250 mL; -3/4 pollice (19 mm): intervallo di elaborazione: 50 mL – 500 mL; -1 pollice (25 mm): intervallo di elaborazione: 100 mL – 1000 mL. Ogni testina ha un intervallo raccomandato di volume del campione; l'utilizzo della dimensione corretta della testina è fondamentale non solo per ridurre il tempo di elaborazione, ma anche per prolungarne la durata operativa. L'uso di una bacchetta agitatrice può ulteriormente aumentare la capacità massima di elaborazione della sonda.

4. Qual è la dimensione minima delle goccioline ottenibile con il trattamento ultrasonico?

I processori ultrasonici possono essere utilizzati per produrre nanoemulsioni stabili e di alta qualità, comprese nanoemulsioni semitrasparenti con dimensioni delle goccioline inferiori a 100 nm.

5. È appropriato utilizzare una potenza costante del 70% per il trattamento del campione?

È necessario testare altri livelli di potenza e valutarne l’impatto sui risultati. Se si ottengono risultati identici al 50%, non è necessario utilizzare il 70%. Tuttavia, si raccomanda di mantenere la potenza al di sotto dell’80% per prolungare la durata della sonda.

6. Profondità di immersione del componente vibrante e problemi di formazione di bolle.

La punta dello strumento deve essere immersa correttamente; se la punta non è completamente immersa, il campione può schiumare o sviluppare bolle. Se la punta è immersa eccessivamente, non si ottiene una circolazione efficace del campione. Entrambe le situazioni porteranno a risultati scadenti. La schiumatura si verifica frequentemente quando il volume del campione è inferiore a 1 mL e può essere indotta anche da un’ampiezza impostata eccessivamente elevata.

7. Come risolvere il problema della cavitazione sulla superficie esterna delle punte degli strumenti per la manipolazione di liquidi?

L’apparecchiatura è dotata di punte sostituibili (cappucci di ricambio), che presentano filettature rigide alle estremità per il collegamento alla testa dello strumento. Quando il cappuccio di ricambio si usura a causa della cavitazione, può essere rimosso e sostituito.

8. Gli ultrasuoni sono dannosi per l’uomo? Quali sono le precauzioni di sicurezza?

Il rumore è l’unico rischio noto. Per ridurre il livello di rumore di un omogeneizzatore a ultrasuoni a un valore accettabile, esso deve essere limitato a circa 25 BA. La soluzione più semplice consiste nell’indossare tappi auricolari professionali antirumore; questi sono economici e ampiamente disponibili, anche se il loro utilizzo potrebbe risultare scomodo in molti ambienti pubblici. Un’altra opzione è installare l’omogeneizzatore a ultrasuoni all’interno di un’apposita involucro fonoassorbente (muffola o housing insonorizzato). Per apparecchiature di livello laboratoristico, tali involucri sono facilmente reperibili, ma devono garantire prestazioni adeguate di riduzione del rumore.