التشتيت وتفكيك التكتلات بالموجات فوق الصوتية

يُعد تشتيت المواد الصلبة في السوائل وتفكيك تكتلاتها من التطبيقات المهمة للموجات فوق الصوتية عالية القدرة وأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار. يولّد التجويف بالموجات فوق الصوتية قصًا بالغ الشدة يفكك تكتلات الجسيمات إلى جسيمات منفردة مشتتة. وبفضل قوى القص العالية المركّزة موضعيًا، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية مثالية لإنتاج مشتتات ذات أحجام ميكرونية ونانوية لأغراض التجارب والبحث والتطوير، وبالطبع للإنتاج الصناعي.

يُعد خلط المساحيق في السوائل خطوة شائعة في تحضير تركيبات منتجات متنوعة، مثل الطلاء والحبر ومستحضرات التجميل والمشروبات والهلاميات المائية ووسائط التلميع. وترتبط الجسيمات المنفردة معًا بفعل قوى تجاذب ذات طبيعة فيزيائية وكيميائية متنوعة، بما فيها قوى فان دير فالس والتوتر السطحي للسائل. ويكون هذا التأثير أقوى في السوائل الأعلى لزوجة، مثل البوليمرات أو الراتنجات. ويجب التغلب على قوى التجاذب لتفكيك تكتلات الجسيمات وتشتيتها في الأوساط السائلة. اقرأ أدناه لمعرفة سبب تفوق المجانسات بالموجات فوق الصوتية بوصفها معدات لتشتيت الجسيمات ذات الأحجام دون الميكرونية والنانوية في المختبر والصناعة.

تشتيت المواد الصلبة في السوائل بالموجات فوق الصوتية

يعتمد مبدأ عمل المجانسات بالموجات فوق الصوتية على ظاهرة التجويف الصوتي. ومن المعروف أن التجويف الصوتي يولّد قوى فيزيائية شديدة، بما فيها قوى قص شديدة جدًا. ويؤدي تطبيق الإجهاد الميكانيكي إلى تفكيك تكتلات الجسيمات. كما يُدفع السائل بالضغط إلى ما بين الجسيمات.
تتوفر تجاريًا تقنيات متنوعة لتشتيت المساحيق في السوائل، مثل مجانسات الضغط العالي ومطاحن الخرز المزودة بمقلب ومطاحن النفاثات المتصادمة وخلاطات الدوّار والعضو الثابت. ومع ذلك، تتمتع أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية بمزايا كبيرة. اقرأ أدناه لمعرفة كيفية عمل التشتيت بالموجات فوق الصوتية ومزاياه.

 

يعرض الفيديو تشتيت الملوّن الأحمر بالموجات فوق الصوتية باستخدام UP400St المزود بمسبار S24d 22mm.

 

مبدأ عمل التجويف والتشتيت بالموجات فوق الصوتية

أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية، تُنشئ الموجات الصوتية عالية التردد مناطق متناوبة من الانضغاط والتخلخل في الوسط السائل. وعندما تمر الموجات الصوتية عبر الوسط، فإنها تُنشئ فقاعات تتمدد بسرعة ثم تنهار بعنف. وتُسمى هذه العملية التجويف الصوتي. ويولّد انهيار الفقاعات موجات صدمية عالية الضغط ونفاثات دقيقة وقوى قص يمكنها تفتيت الجسيمات والتكتلات الأكبر إلى جسيمات أصغر. وفي عمليات التشتيت بالموجات فوق الصوتية، تعمل الجسيمات الموجودة في المشتت نفسها بوصفها وسيط طحن. وتتسارع الجسيمات بفعل قوى القص الناتجة عن التجويف بالموجات فوق الصوتية، فتتصادم مع بعضها وتتحطم إلى شظايا دقيقة. ولأن المشتت المعالَج بالموجات فوق الصوتية لا تُضاف إليه أي خرزات أو كريات، يجري تجنب فصل وسائط الطحن وتنظيفها، اللذين يستغرقان وقتًا طويلًا ويتطلبان عملًا مكثفًا، وكذلك التلوث، تجنبًا كاملًا.
وهذا ما يجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية فعالة جدًا في تشتيت الجسيمات وتفكيك تكتلاتها، حتى تلك التي يصعب تفتيتها بطرق أخرى. وينتج عن ذلك توزيع أكثر تجانسًا للجسيمات، مما يحسّن جودة المنتج وأداءه.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية التعامل بسهولة مع المواد النانوية وتشتيتها وتخليقها، مثل الكرات النانوية والبلورات النانوية والصفائح النانوية والألياف النانوية والأسلاك النانوية والجسيمات ذات اللب والغلاف وغيرها من البنى المعقدة.
وعلاوة على ذلك، يمكن إجراء المعالجة بالموجات فوق الصوتية خلال فترة زمنية قصيرة نسبيًا، وهي ميزة رئيسية مقارنة بتقنيات التشتيت الأخرى.

مزايا أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية مقارنة بتقنيات الخلط البديلة

توفر أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية مزايا عديدة مقارنة بتقنيات الخلط البديلة، مثل مجانسات الضغط العالي أو الطحن بالخرز أو الخلط باستخدام الدوّار والعضو الثابت. ومن أبرز هذه المزايا:

• تحسين تصغير حجم الجسيمات: تستطيع أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية تصغير أحجام الجسيمات بفعالية إلى نطاق النانومتر، وهو ما لا تستطيع العديد من تقنيات الخلط الأخرى تحقيقه. وهذا يجعلها مثالية للتطبيقات التي يكون فيها صغر حجم الجسيمات أمرًا بالغ الأهمية.
• خلط أسرع: تستطيع أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية خلط المواد وتشتيتها بسرعة أكبر من العديد من التقنيات الأخرى، مما يوفر الوقت ويزيد الإنتاجية.
• دون تلوث: لا تتطلب أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية استخدام وسائط طحن، مثل الخرزات أو الكريات، التي تلوث المشتت بفعل التآكل الاحتكاكي.
• جودة أفضل للمنتج: تستطيع أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية إنتاج مخاليط ومعلقات أكثر تجانسًا، مما يحسّن جودة المنتج وثبات خصائصه. وخصوصًا في وضع التدفق المستمر، يمر المعلق المشتت عبر منطقة التجويف بالموجات فوق الصوتية بطريقة محكمة التحكم، مما يضمن معالجة شديدة التجانس.
• استهلاك أقل للطاقة: تتطلب أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية عادةً طاقة أقل من التقنيات الأخرى، مما يقلل تكاليف التشغيل.
• تعدد الاستخدامات: يمكن استخدام أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما فيها التجنيس والاستحلاب والتشتيت وتفكيك التكتلات. كما يمكنها التعامل مع مواد متنوعة، بما فيها المواد الكاشطة والألياف والسوائل المسببة للتآكل وحتى الغازات.

بفضل هذه المزايا في العملية، إلى جانب الموثوقية وسهولة التشغيل، تتفوق أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية على تقنيات الخلط البديلة، مما يجعلها خيارًا شائعًا للعديد من التطبيقات الصناعية.

التشتيت وتفكيك التكتلات بالموجات فوق الصوتية على أي نطاق

توفر Hielscher أجهزة بالموجات فوق الصوتية لتشتيت أي حجم وتفكيك تكتلاته، سواء للمعالجة على دفعات أو ضمن خط الإنتاج. وتُستخدم أجهزة الموجات فوق الصوتية المختبرية لأحجام تتراوح من 1.5mL إلى نحو 2L. وتُستخدم أجهزة الموجات فوق الصوتية الصناعية في تطوير العمليات والإنتاج لدفعات تتراوح من 0.5 إلى نحو 2000L، أو لمعدلات تدفق تتراوح من 0.1L إلى 20m³ في الساعة.

تستطيع معالجات الموجات فوق الصوتية الصناعية من Hielscher Ultrasonics توفير سعات اهتزاز عالية جدًا، مما يتيح تشتيت الجسيمات وطحنها بصورة موثوقة إلى المقياس النانوي. ويمكن التشغيل المستمر بسهولة بسعات اهتزاز تصل إلى 200µm على مدار 24/7. وللحصول على سعات اهتزاز أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية.

يعطيك الجدول أدناه فكرة عن القدرة التقريبية للمعالجة التي توفرها أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:

تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية بالموجات فوق الصوتية – يشتّت جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400S من Hielscher بقدرة 400W الأنابيب النانوية الكربونية CNTs ويفك تشابكها بسرعة وكفاءة إلى أنابيب نانوية منفردة.

مزايا التشتيت بالموجات فوق الصوتية: سهولة التوسع إلى نطاق أكبر

بخلاف تقنيات التشتيت الأخرى، يمكن توسيع نطاق المعالجة بالموجات فوق الصوتية بسهولة من النطاق المختبري إلى نطاق الإنتاج. وتتيح الاختبارات المختبرية اختيار حجم المعدات المطلوب بدقة. وعند استخدامها على النطاق النهائي، تكون نتائج العملية مطابقة لنتائج المختبر.

أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية: متينة وسهلة التنظيف

تُنقل القدرة فوق الصوتية إلى السائل عبر سونوترود. وهو جزء يتميز عادةً بتناظر دوراني، ويُشكّل بالتشغيل الميكانيكي من كتلة مصمتة من التيتانيوم بدرجة جودة مخصصة للطائرات. وهو أيضًا الجزء الوحيد الملامس للسائل الذي يتحرك / يهتز. وهو الجزء الوحيد المعرض للاهتراء، ويمكن استبداله بسهولة في غضون دقائق. وتتيح الحواف الفلنجية العازلة للاهتزاز تثبيت السونوترود بأي اتجاه داخل حاويات مفتوحة أو مغلقة قابلة للضغط، أو داخل خلايا التدفق. ولا حاجة إلى محامل. وتُصنع جميع الأجزاء الأخرى الملامسة للسائل عمومًا من الفولاذ المقاوم للصدأ. وتتميز مفاعلات خلايا التدفق بأشكال هندسية بسيطة، ويمكن تفكيكها وتنظيفها بسهولة، مثلًا بتمرير سائل التنظيف ومسحها من الداخل. ولا توجد فتحات صغيرة أو زوايا مخفية.

التنظيف في الموقع بالموجات فوق الصوتية

تُعرف الموجات فوق الصوتية جيدًا بتطبيقاتها في التنظيف، مثل تنظيف الأسطح والأجزاء. وتكون شدة الموجات فوق الصوتية المستخدمة في تطبيقات التشتيت أعلى بكثير من تلك المستخدمة في التنظيف المعتاد بالموجات فوق الصوتية. وعند تنظيف الأجزاء الملامسة للسائل في جهاز الموجات فوق الصوتية، يمكن استخدام القدرة فوق الصوتية للمساعدة في التنظيف أثناء تمرير سائل التنظيف والشطف، إذ يزيل التجويف فوق الصوتي / الصوتي الجسيمات وبقايا السوائل من السونوترود ومن جدران خلية التدفق.

---

---

الأدبيات / المراجع

• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Poinern G.E., Brundavanam R., Thi-Le X., Djordjevic S., Prokic M., Fawcett D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. Int J Nanomedicine. 2011; 6: 2083–2095.
• László Vanyorek, Dávid Kiss, Ádám Prekob, Béla Fiser, Attila Potyka, Géza Németh, László Kuzsela, Dirk Drees, Attila Trohák, Béla Viskolcz (2019): Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants. Journal of Materials Research and Technology, Volume 8, Issue 3, 2019. 3244-3250.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.