Sonochimica e cavitazione
La sonochimica consiste nella catalisi di reazioni chimiche generata da ultrasuoni ed è basata sul fenomeno della cavitazione.
La cavitazione in un liquido si verifica a causa delle sollecitazioni indotte nel liquido dal passaggio di un'onda ultrasonora; infatti le onde ultrasonore sono costituite da compressione e decompressione: se la pressione durante il ciclo di decompressione è sufficientemente bassa, le molecole di liquido possono essere rotte per dare origine a piccole bolle di vapore. Queste bolle, soggette alle sollecitazioni indotte dalle onde sonore, crescono durante una fase di decompressione e si contraggono o addirittura implodono durante una fase di compressione: ognuna di queste bolle implose può essere vista come un micro-reattore, con temperature effettive stimate di 5000°C e pressioni di diverse centinaia di atmosfere.
In applicazioni industriali come deagglomerazione, dispersione, omogeneizzazione, emulsione, la forza della miscelazione ad ultrasuoni può essere spiegata come un fenomeno speciale di turbolenza, a causa delle onde d'urto generate dall'implosione delle bolle di cavitazione, che può portare a grandi aumenti del coefficiente di trasferimento di massa rispetto ai sistemi di miscelazione tradizionali.
Inoltre la cavitazione genera un aumento locale di temperatura, quindi della cinetica di reazione secondo l’equazione di Arrhenius.
Altri effetti di tale fenomeno sono: produzione di radicali, sonoluminescenza, onde d’urto di pressione.
In generale quindi la sonicazione di un reagente ad alti livelli di potenza specifica corrisponde ad un processo di catalisi controllata (mediante tempo di esposizione e potenza ultrasonica) di reazioni chimiche altrimenti impossibili da osservare.
La sperimentazione di vari progetti di sonochimica può essere condotta su scala di laboratorio con i sistemi compatti prodotti da Everywave e poi sviluppata con sistemi industriali.
Trattamento a ultrasuoni dei fanghi termali
Fango termale bio-attivato e texturizzato
La sonicazione può avere vari effetti altamente desiderati sul fango termale e sulle sue proprietà. Sono stati condotti esperimenti di sonicazione per evidenziare alcuni di questi effetti.
La sonicazione del fango opera come segue :
- permette l’estrazione dei principi attivi senza bisogno di solventi, quindi è completamente ecosostenibile.
- produce delle piccole bolle di aria nel fango termale che implodendo portano alla rottura delle cellule di cianobatteri, es. il Phormidium sp. e le microalghe che popolano il fango stesso.
Liberazione dei composti bio-attivi
- Le cellule delle microalghe e dei cianobatteri contengono al loro interno composti bio-attivi, principalmente: antiossidanti ed anti-infiammatori, che grazie alla sonicazione vengono liberati nel fango termale trasmettendogli tutto il loro potere terapeutico.
- Le foto sono state scattate al microscopio con un ingrandimento di 400x. La foto in alto ci fa apprezzare il Phormidium prima della sonicazione, mentre nella seconda si evince il risultato dell’effetto ottenuto dopo 10 secondi di sonicazione, dove sono state rotte le cellule e rilasciati nell’ambiente tutti nutrienti contenuti al loro interno.
Effetto di omogeneizzazione
- La sonicazione, inoltre, permette un’emulsione di tutte le particelle contenute nel fango, rendendo la texture più vellutata e migliorando l’adesività.
- Nella due foto (microscopio a 400x e vetrino) superiori si vede il fango non trattato con delle formazioni cristalline ed una distribuzione sul vetrino da microscopio diffusa su tutta la superficie.
- Nella due foto inferiori, invece, si può osservare una texture più omogenea, dopo pochi secondi di sonicazione. Sul vetrino si vede il campione di fango che rimane molto coeso, dimostrando quindi una maggiore adesività
Analisi CNR CHIMICA PADOVA
E' stata eseguita una analisi mediante DHR , che è una sonda che emette fluorescenza in presenza di radicali dell’ossigeno (ROS), generati dall’irradiazione con luce UV.
Campioni 1, 2 e 5 hanno mostrato effetto antiossidante, i valori di abbattimento dei ROS sono riportati in percentuale nella tabella e nell’istogramma sottostanti.
Conclusioni
È possibile concludere che gli ultrasuoni abbiano sicuramente effetto sui fanghi termali e principalmente:
1) rompono le cellule dei microrganismi permettendo la liberazione di composti, che rimarrebbero altrimenti inattivi perchè imprigionati all’interno delle cellule;
2) La texture del fango viene variata facendola risultare più vellutata e adesiva.
Sistemi da laboratorio
Everywave produce sistemi a ultrasuoni compatti GET:WAVE, che permettono di sonicare preparati liquidi in recipienti di vario tipo variando con facilità la potenza specifica di sonicazione (Watt/litro), in base alle esigenze dell’utilizzatore.
Sistemi industriali speciali
Per applicazioni sonochimiche su scala industriale, con potenza elevata in flusso continuo, Everywave ha progettato sistemi speciali a cella di flusso e a reattore tubolare, quali STEP:WAVE e FLOW:WAVE
Questi sistemi sono utilizzabili in sonochimica industriale specializzata grazie a:
Potenze elevate, possono arrivare fino a 1000W/L;
Lavoro in sovrapressione;
Temperature elevate, fino a 150°C.
