الموجات فوق الصوتية: التطبيقات والعمليات
Ultrasonication هي طريقة معالجة ميكانيكية تخلق التجويف الصوتي والقوى البدنية الشديدة للغاية. لذلك ، يتم استخدام الموجات فوق الصوتية للعديد من التطبيقات مثل الخلط ، التجانس ، الطحن ، التشتت ، الاستحلاب ، الاستخراج ، التفريغ ، والتفاعلات الكيميائية الصوتية.
أدناه ، سوف تتعلم كل شيء عن التطبيقات والعمليات بالموجات فوق الصوتية النموذجية.
التجانس بالموجات فوق الصوتية
تعمل المجانسات بالموجات فوق الصوتية على تقليل الجسيمات الصغيرة في السائل لتحسين استقرار التوحيد والتشتت. يمكن أن تكون الجسيمات (مرحلة التشتت) مواد صلبة أو قطرات سائلة معلقة في طور سائل. التجانس بالموجات فوق الصوتية فعال للغاية للحد من الجسيمات اللينة والصلبة. Hielscher بتصنيع الموجات فوق الصوتية لتجانس أي حجم السائل ولمعالجة دفعة أو مضمنة. يمكن استخدام أجهزة الموجات فوق الصوتية المختبرية لأحجام تتراوح من 1.5 مل إلى 4 لتر تقريبا. يمكن للأجهزة الصناعية بالموجات فوق الصوتية معالجة الدفعات من 0.5 إلى حوالي 2000 لتر أو معدلات التدفق من 0.1 لتر إلى 20 متر مكعب في الساعة في تطوير العمليات وفي الإنتاج التجاري.
انقر هنا لقراءة المزيد عن التجانس بالموجات فوق الصوتية!
تشتيت بالموجات فوق الصوتية وإزالة التكتل
يعد تشتت وتكتل المواد الصلبة في السوائل تطبيقا مهما للموجات فوق الصوتية من نوع المسبار. يولد التجويف بالموجات فوق الصوتية / الصوتية قوى قص عالية تكسر تكتلات الجسيمات إلى جزيئات فردية مشتتة مفردة. يعد خلط المساحيق في السوائل خطوة شائعة في صياغة المنتجات المختلفة ، مثل الطلاء أو الورنيش أو مستحضرات التجميل أو الأطعمة والمشروبات أو وسائط التلميع. يتم تجميع الجسيمات الفردية معا بواسطة قوى جذب ذات طبيعة فيزيائية وكيميائية مختلفة ، بما في ذلك قوى فان دير فال والتوتر السطحي السائل. يتغلب الموجات فوق الصوتية على قوى الجذب هذه من أجل إزالة التكتل وتفريق الجسيمات في الوسائط السائلة. لتشتيت وتكتل المساحيق في السوائل ، يعد الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة بديلا مثيرا للاهتمام للخالطات عالية الضغط أو خلاطات القص العالي أو مطاحن الخرز أو خلاطات الجزء الثابت الدوار.
انقر هنا لقراءة المزيد عن تشتيت بالموجات فوق الصوتية وإزالة التكتل!
الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية
تعتمد مجموعة واسعة من المنتجات الوسيطة والاستهلاكية ، مثل مستحضرات التجميل ومستحضرات البشرة والمراهم الصيدلانية والورنيش والدهانات ومواد التشحيم والوقود كليا أو جزئيا على المستحلبات. المستحلبات هي تشتت مرحلتين أو أكثر من المراحل السائلة غير القابلة للامتزاج. توفر الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة قصا مكثفا كافيا لتفريق الطور السائل (الطور المشتت) في قطرات صغيرة في المرحلة الثانية (المرحلة المستمرة). في منطقة التشتت ، تتسبب فقاعات التجويف المتفجرة في موجات صدمة مكثفة في السائل المحيط وتؤدي إلى تكوين نفاثات سائلة ذات سرعة سائلة عالية (قص عالي). Ultrasonication يمكن تكييفها بدقة لحجم مستحلب الهدف مما يسمح بذلك لإنتاج موثوق من المستحلبات الدقيقة والمستحلبات النانوية.
انقر هنا لقراءة المزيد عن الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية!
The UIP1000hdT هو 1000 واط الموجات فوق الصوتية قوية لتطبيقات التجانس والطحن والاستخراج.
الطحن الرطب والطحن بالموجات فوق الصوتية
Ultrasonication هو وسيلة فعالة للطحن الرطب والطحن الجزئي للجزيئات. على وجه الخصوص لتصنيع الملاط فائق النعومة ، تتمتع الموجات فوق الصوتية بالعديد من المزايا. إنها متفوقة على معدات تقليل الحجم التقليدية ، مثل: المطاحن الغروانية (مثل المطاحن الكروية ، مطاحن الخرز) ، مطاحن الأقراص أو المطاحن النفاثة. الموجات فوق الصوتية يمكن معالجة الملاط عالية التركيز واللزوجة العالية – وبالتالي تقليل حجم ليتم معالجتها. بالطبع ، الطحن بالموجات فوق الصوتية مناسب لمعالجة المواد بحجم ميكرون وحجم النانو ، مثل السيراميك أو الأصباغ أو كبريتات الباريوم أو كربونات الكالسيوم أو أكاسيد المعادن. خاصة عندما يتعلق الأمر بالمواد النانوية ، تتفوق الموجات فوق الصوتية في الأداء حيث أن قوى القص شديدة التأثير تخلق جسيمات نانوية صغيرة بشكل موحد.
انقر هنا لقراءة المزيد عن الطحن الرطب بالموجات فوق الصوتية والطحن الدقيق!
رذاذ المجففة TiO2 قبل وبعد الطحن بالموجات فوق الصوتية
تفكك الخلايا بالموجات فوق الصوتية والتحلل
يمكن للعلاج بالموجات فوق الصوتية أن يفكك المواد الليفية السليلوزية إلى جزيئات دقيقة ويكسر جدران بنية الخلية. هذا يطلق المزيد من المواد داخل الخلايا ، مثل النشا أو السكر في السائل. يمكن استخدام هذا التأثير للتخمير والهضم وعمليات التحويل الأخرى للمواد العضوية. بعد الطحن والطحن، ultrasonication يجعل أكثر من المواد داخل الخلايا مثل النشا وكذلك حطام جدار الخلية المتاحة للإنزيمات التي تحول النشا إلى السكريات. كما أنه يزيد من مساحة السطح المعرضة للإنزيمات أثناء التسييل أو التسكر. هذا عادة ما يزيد من سرعة وإنتاجية تخمير الخميرة وعمليات التحويل الأخرى ، على سبيل المثال لزيادة إنتاج الإيثانول من الكتلة الحيوية.
انقر هنا لقراءة المزيد عن تفكك هياكل الخلايا بالموجات فوق الصوتية!
استخراج بالموجات فوق الصوتية من النباتات
استخراج المركبات النشطة بيولوجيا المخزنة في الخلايا والجزيئات تحت الخلوية هو تطبيق يستخدم على نطاق واسع للموجات فوق الصوتية عالية الكثافة. يستخدم الاستخراج بالموجات فوق الصوتية لعزل المستقلبات الثانوية (مثل البوليفينول) والسكريات والبروتينات والزيوت الأساسية والمكونات النشطة الأخرى من المصفوفة الخلوية للنباتات والفطريات. مناسبة لاستخراج الماء والمذيبات من المركبات العضوية ، صوتنة يحسن غلة النباتات الموجودة في النباتات أو البذور بشكل كبير. يستخدم استخراج بالموجات فوق الصوتية لإنتاج الأدوية والمغذيات / المكملات الغذائية والعطور والمواد المضافة البيولوجية. الموجات فوق الصوتية هي تقنية استخراج خضراء تستخدم أيضا لاستخراج المكونات النشطة بيولوجيا في المصافي الحيوية ، على سبيل المثال إطلاق مركبات قيمة من تيارات المنتجات الثانوية غير المستخدمة التي تشكلت في العمليات الصناعية. Ultrasonication هي تقنية فعالة للغاية لاستخراج النباتات في المختبر وعلى نطاق الإنتاج.
انقر هنا لمزيد من المعلومات حول استخراج بالموجات فوق الصوتية!
مفاعل بالموجات فوق الصوتية مع 16000 واط لمعالجة السوائل المحسنة بالموجات فوق الصوتية.
تطبيق سونوكيميائي للموجات فوق الصوتية
Sonochemistry هو تطبيق الموجات فوق الصوتية على التفاعلات والعمليات الكيميائية. الآلية التي تسبب تأثيرات سونوكيميائية في السوائل هي ظاهرة التجويف الصوتي. تشمل التأثيرات الكيميائية للتفاعلات والعمليات الكيميائية زيادة في سرعة التفاعل أو الإخراج ، واستخدام أكثر كفاءة للطاقة ، وتحسين أداء محفزات نقل الطور ، وتنشيط المعادن والمواد الصلبة أو زيادة تفاعل الكواشف أو المحفزات.
انقر هنا لقراءة المزيد عن الآثار الصوتية الكيميائية للموجات فوق الصوتية!
الأسترة الترانستونية بالموجات فوق الصوتية من النفط إلى وقود الديزل الحيوي
الموجات فوق الصوتية يزيد من سرعة التفاعل الكيميائي والعائد من transesterification من الزيوت النباتية والدهون الحيوانية في وقود الديزل الحيوي. وهذا يسمح بتغيير الإنتاج من معالجة الدفعات إلى معالجة التدفق المستمر ويقلل من تكاليف الاستثمار والتشغيل. واحدة من المزايا الرئيسية لتصنيع وقود الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية هو استخدام زيوت النفايات مثل زيوت الطهي المستهلكة وغيرها من مصادر النفط ذات النوعية الرديئة. يمكن للأسترة بالموجات فوق الصوتية تحويل حتى المواد الخام منخفضة الجودة إلى وقود الديزل الحيوي عالي الجودة (الأحماض الدهنية ميثيل استر / FAME). ينطوي تصنيع وقود الديزل الحيوي من الزيوت النباتية أو الدهون الحيوانية على الأسترة المحفزة بالقاعدة للأحماض الدهنية مع الميثانول أو الإيثانول لإعطاء استرات الميثيل المقابلة أو استرات الإيثيل. الموجات فوق الصوتية يمكن أن تحقق عائد وقود الديزل الحيوي يزيد عن 99 ٪. الموجات فوق الصوتية تقلل من وقت المعالجة ووقت الفصل بشكل كبير.
انقر هنا لقراءة المزيد عن الأسترة بمساعدة الموجات فوق الصوتية للنفط إلى وقود الديزل الحيوي!
التفريغ بالموجات فوق الصوتية وإزالة تهوية السوائل
يعد تفريغ السوائل تطبيقا مهما آخر لأجهزة الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار. تتسبب الاهتزازات فوق الصوتية والتجويف في اندماج الغازات الذائبة في السائل. عندما تتجمع فقاعات الغاز الدقيقة ، فإنها تشكل بالتالي فقاعات أكبر تطفو بسرعة على السطح العلوي للسائل من هناك يمكن إزالتها. وبالتالي ، فإن التفريغ بالموجات فوق الصوتية وإزالة التهوية يمكن أن يقلل من مستوى الغاز المذاب إلى ما دون مستوى التوازن الطبيعي.
انقر هنا لقراءة المزيد عن التفريغ بالموجات فوق الصوتية للسوائل!
تنظيف الأسلاك والكابلات والشريط بالموجات فوق الصوتية
التنظيف بالموجات فوق الصوتية هو بديل صديق للبيئة لتنظيف المواد المستمرة ، مثل الأسلاك والكابلات أو الشريط أو الأنابيب. يزيل تأثير التجويف القوي بالموجات فوق الصوتية بقايا التشحيم مثل الزيت أو الشحوم أو الصابون أو الإستارات أو الغبار من سطح المادة. Hielscher الفوق صوتيات يقدم مختلف أنظمة الموجات فوق الصوتية لتنظيف مضمنة من ملامح مستمرة.
انقر هنا لمزيد من المعلومات حول التنظيف بالموجات فوق الصوتية للملامح المستمرة!
اتصل بنا! / اسألنا!
ما الذي يجعل Sonication طريقة معالجة متفوقة؟
Sonication ، أو استخدام الموجات الصوتية عالية التردد لتحريك السوائل ، هي طريقة معالجة فعالة لمجموعة متنوعة من الأسباب. فيما يلي بعض الأسباب التي تجعل الصوتنة عالية الكثافة والتردد المنخفض لحوالي 20 كيلو هرتز مؤثرة ومفيدة بشكل خاص لمعالجة السوائل والطين:
- التجويف: واحدة من الآليات الرئيسية للصوتنة هي إنشاء وانهيار فقاعات صغيرة ، وهي ظاهرة تسمى التجويف. عند 20 كيلو هرتز ، تكون الموجات الصوتية بالتردد المناسب تماما لإنشاء الفقاعات وطيها بكفاءة. ينتج عن انهيار هذه الفقاعات موجات صدمة عالية الطاقة ، والتي يمكن أن تحطم الجسيمات وتعطل الخلايا في السائل الذي يتم صوتيته.
- التذبذب والاهتزاز: إلى جانب التجويف الصوتي المتولد ، فإن تذبذب المسبار بالموجات فوق الصوتية يخلق إثارة إضافية وخلط في السائل ، وبالتالي تعزيز نقل الكتلة و / أو إزالة الغازات.
- الاختراق: الموجات الصوتية عند 20 كيلو هرتز لها طول موجي طويل نسبيا ، مما يسمح لها بالتغلغل بعمق في السوائل. التجويف بالموجات فوق الصوتية هو ظاهرة موضعية تظهر في محيط مسبار الموجات فوق الصوتية. مع زيادة المسافة إلى المسبار ، تتناقص شدة التجويف. ومع ذلك ، يمكن للصوتنة عند 20 كيلو هرتز معالجة كميات أكبر من السائل بكفاءة ، مقارنة بصوتنة التردد العالي التي لها أطوال موجية أقصر وقد تكون أكثر محدودية في عمق اختراقها.
- انخفاض استهلاك الطاقة: يمكن تحقيق Sonication باستهلاك منخفض نسبيا للطاقة مقارنة بطرق المعالجة الأخرى مثل التجانس عالي الضغط أو التحريك الميكانيكي. هذا يجعلها طريقة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وفعالية من حيث التكلفة لمعالجة السوائل.
- قابلية التوسع الخطي: يمكن تحجيم عمليات الموجات فوق الصوتية بشكل خطي تماما إلى أحجام أكبر أو أصغر. هذا يجعل تعديلات العملية في الإنتاج موثوقة حيث يمكن الحفاظ على جودة المنتج مستقرة بشكل مستمر.
- تدفق الدفعات والتدفق المضمن: يمكن إجراء الموجات فوق الصوتية كدفعة أو كعمليات مضمنة مستمرة. لصوتنة الدفعات ، يتم إدخال مسبار الموجات فوق الصوتية في الوعاء المفتوح أو مفاعل الدفعات المغلق. لصوتنة تيار التدفق المستمر ، يتم تثبيت خلية تدفق بالموجات فوق الصوتية. يمر الوسط السائل سونوترودي (قضيب اهتزاز بالموجات فوق الصوتية) في مسار واحد أو إعادة تدوير وهو موحد للغاية وفعال يتعرض لموجات الموجات فوق الصوتية.
بشكل عام ، فإن قوى التجويف الشديدة ، وانخفاض استهلاك الطاقة ، وقابلية تطوير العملية تجعل صوتنة منخفضة التردد وعالية الطاقة طريقة فعالة لمعالجة السوائل.
مبدأ العمل واستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية
Ultrasonication هي تقنية معالجة تجارية ، والتي تم اعتمادها من قبل العديد من الصناعات للإنتاج على نطاق واسع. الموثوقية العالية وقابلية التوسع بالإضافة إلى تكاليف الصيانة المنخفضة وكفاءة الطاقة العالية تجعل المعالجات بالموجات فوق الصوتية بديلا جيدا لمعدات معالجة السوائل التقليدية. توفر الموجات فوق الصوتية فرصا إضافية مثيرة: التجويف - التأثير الأساسي بالموجات فوق الصوتية - ينتج نتائج فريدة في العمليات البيولوجية والكيميائية والفيزيائية. على سبيل المثال ، ينتج التشتت بالموجات فوق الصوتية والاستحلاب بسهولة تركيبات مستقرة بحجم النانو. أيضا في مجال الاستخراج النباتي ، الموجات فوق الصوتية هي تقنية غير حرارية لعزل المركبات النشطة بيولوجيا.
بينما تستخدم الموجات فوق الصوتية منخفضة الكثافة أو عالية التردد بشكل أساسي للتحليل والاختبار غير المدمر والتصوير ، يتم استخدام الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة لمعالجة السوائل والمعاجين ، حيث يتم استخدام الموجات فوق الصوتية المكثفة للخلط والاستحلاب والتشتيت وإزالة التكتل وتفكك الخلايا أو تعطيل الإنزيم. عند صوتنة السوائل بكثافة عالية ، تنتشر الموجات الصوتية عبر الوسائط السائلة. ينتج عن هذا تناوب دورات الضغط العالي (الضغط) والضغط المنخفض (التخلخل) ، مع معدلات تعتمد على التردد. خلال دورة الضغط المنخفض ، تخلق الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة فقاعات فراغ صغيرة أو فراغات في السائل. عندما تصل الفقاعات إلى حجم لم تعد قادرة على امتصاص الطاقة عنده ، فإنها تنهار بعنف خلال دورة الضغط العالي. وتسمى هذه الظاهرة التجويف. أثناء الانفجار الداخلي ، يتم الوصول إلى درجات حرارة عالية جدا (حوالي 5000 كلفن) وضغوط (حوالي 2000 ضغط جوي) محليا. ينتج عن انفجار فقاعة التجويف أيضا نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280 مترا في الثانية.
التجويف بالموجات فوق الصوتية في السوائل يمكن أن يسبب تفريغ سريع وكامل. بدء تفاعلات كيميائية مختلفة عن طريق توليد أيونات كيميائية حرة (جذور) ؛ تسريع التفاعلات الكيميائية عن طريق تسهيل خلط المواد المتفاعلة ؛ تعزيز تفاعلات البلمرة وإزالة البلمرة عن طريق تشتيت الركام أو عن طريق كسر الروابط الكيميائية بشكل دائم في السلاسل البوليمرية ؛ زيادة معدلات الاستحلاب. تحسين معدلات الانتشار ؛ إنتاج مستحلبات عالية التركيز أو تشتت موحد لمواد بحجم ميكرون أو نانو ؛ المساعدة في استخراج مواد مثل الإنزيمات من الخلايا الحيوانية أو النباتية أو الخميرة أو البكتيرية ؛ إزالة الفيروسات من الأنسجة المصابة ؛ وأخيرا ، تآكل وتكسير الجسيمات الحساسة ، بما في ذلك الكائنات الحية الدقيقة. (راجع كولديلوك 2002)
تنتج الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة تحريضا عنيفا في السوائل منخفضة اللزوجة ، والتي يمكن استخدامها لتفريق المواد في السوائل. (راجع إنسمينجر ، 1988) في الواجهات السائلة / الصلبة أو الغازية / الصلبة ، يمكن أن يتسبب الانفجار الداخلي غير المتماثل لفقاعات التجويف في حدوث اضطرابات شديدة تقلل من طبقة حدود الانتشار ، وتزيد من نقل كتلة الحمل الحراري ، وتسرع الانتشار بشكل كبير في الأنظمة التي لا يمكن فيها الخلط العادي. (راجع نيبورغ ، 1965)
تجويف قوي بالموجات فوق الصوتية في Hielscher Cascatrode
أدب
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
- Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
- Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).
مفاعل بالموجات فوق الصوتية مع مجسات 4x 2000 واط (8kW) لعمليات سونوكيميائية.
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.