التجويف بالموجات فوق الصوتية في السوائل
الموجات فوق الصوتية من الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة تولد التجويف الصوتي في السوائل. يسبب التجويف تأثيرات شديدة محليا ، مثل النفاثات السائلة التي تصل إلى 1000 كم / ساعة ، وضغوط تصل إلى 2000 ضغط جوي ودرجات حرارة تصل إلى 5000 كلفن. تستخدم هذه القوى المولدة بالموجات فوق الصوتية في العديد من تطبيقات معالجة السوائل مثل التجانس ، والتشتيت ، والاستحلاب ، والاستخراج ، وتعطيل الخلايا ، وكذلك تكثيف التفاعلات الكيميائية.
مبدأ عمل التجويف بالموجات فوق الصوتية
عند صوتنة السوائل بكثافة عالية ، تؤدي الموجات الصوتية التي تنتشر في الوسائط السائلة إلى 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 م / ث.
مسبار نوع الموجات فوق الصوتية مثل UP400St استخدم مبدأ عمل التجويف الصوتي.
يخلق التجويف الصوتي (الناتج عن الموجات فوق الصوتية للطاقة) ظروفا قاسية محليا ، ما يسمى بالتأثيرات الميكانيكية والكيميائية الصوتية. بسبب هذه التأثيرات ، يعزز صوتنة التفاعلات الكيميائية مما يؤدي إلى غلة أعلى ، وسرعة تفاعل أسرع ، ومسارات جديدة ، وتحسين الكفاءة الكلية.
التطبيقات الرئيسية للموجات فوق الصوتية باستخدام التجويف الصوتي
تعمل الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار ، والمعروفة أيضا باسم المجسات فوق الصوتية ، على توليد تجويف صوتي مكثف في السوائل بكفاءة. لذلك ، يتم استخدامها على نطاق واسع في تطبيقات مختلفة عبر الصناعات المختلفة. تتضمن بعض أهم تطبيقات التجويف الصوتي الناتج عن الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار ما يلي:
التجويف بالموجات فوق الصوتية قوية في Hielscher كاسكاترود بالموجات فوق الصوتية
- التجانس: يمكن أن تولد المجسات فوق الصوتية تجويفا شديدا ، والذي يتميز بأنه مجال كثيف الطاقة من قوى الاهتزاز والقص. توفر هذه القوى خلطا ممتازا وخلطا وتقليل حجم الجسيمات. ينتج التجانس بالموجات فوق الصوتية معلقات مختلطة بشكل موحد. لذلك ، يتم استخدام صوتنة لإنتاج تعليق الغروية متجانسة مع منحنيات توزيع ضيقة.
- تشتت الجسيمات النانوية: يتم استخدام الموجات فوق الصوتية للتشتت ، deagglomeration والطحن الرطب للجسيمات النانوية. يمكن أن تولد الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد تجويفا مؤثرا ، مما يؤدي إلى تكسير التكتلات وتقليل حجم الجسيمات. على وجه الخصوص ، يؤدي القص العالي للنفاثات السائلة إلى تسريع الجسيمات الموجودة في السائل ، والتي تصطدم ببعضها البعض (الاصطدام بين الأجزاء) بحيث تنكسر الجسيمات وتتآكل. ينتج عن هذا توزيع موحد ومستقر للجزيئات يمنع الترسيب. هذا أمر بالغ الأهمية في مختلف المجالات ، بما في ذلك تكنولوجيا النانو وعلوم المواد والمستحضرات الصيدلانية.
- الاستحلاب والخلط: تستخدم الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لإنشاء المستحلبات وخلط السوائل. تسبب الطاقة فوق الصوتية التجويف ، وتشكيل وانهيار الفقاعات المجهرية ، والتي تولد قوى قص محلية مكثفة. تساعد هذه العملية في استحلاب السوائل غير القابلة للامتزاج ، وإنتاج مستحلبات مستقرة ومشتتة بدقة.
- إستخلاص: بسبب قوى القص التجويف ، فإن الموجات فوق الصوتية ذات كفاءة عالية في تعطيل الهياكل الخلوية وتحسين نقل الكتلة بين المواد الصلبة والسائلة. لذلك ، يستخدم الاستخراج بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع لإطلاق المواد داخل الخلايا مثل المركبات النشطة بيولوجيا لإنتاج مستخلصات نباتية عالية الجودة.
- التفريغ والتهوية: يتم استخدام الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لإزالة فقاعات الغاز أو الغازات الذائبة من السوائل. تطبيق التجويف بالموجات فوق الصوتية يعزز اندماج فقاعات الغاز بحيث تنمو وتطفو إلى أعلى السائل. التجويف بالموجات فوق الصوتية يجعل إزالة الغاز إجراء سريعا وفعالا. هذا أمر ذو قيمة في مختلف الصناعات ، مثل الدهانات أو السوائل الهيدروليكية أو معالجة الأغذية والمشروبات ، حيث يمكن أن يؤثر وجود الغازات سلبا على جودة المنتج واستقراره.
- سونوكاتاليس: يمكن استخدام مجسات الموجات فوق الصوتية لتحليل الموجات فوق الصوتية ، وهي عملية تجمع بين التجويف الصوتي والمحفزات لتعزيز التفاعلات الكيميائية. يعمل التجويف الناتج عن الموجات فوق الصوتية على تحسين نقل الكتلة ، ويزيد من معدلات التفاعل ، ويعزز إنتاج الجذور الحرة ، مما يؤدي إلى تحولات كيميائية أكثر كفاءة وانتقائية.
- تحضير العينة: تستخدم الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار بشكل شائع في المختبرات لإعداد العينات. يتم استخدامها لتجانس وتصنيف واستخراج العينات البيولوجية ، مثل الخلايا والأنسجة والفيروسات. تعمل الطاقة فوق الصوتية الناتجة عن المسبار على تعطيل أغشية الخلايا ، وإطلاق المحتويات الخلوية وتسهيل المزيد من التحليل.
- التفكك واضطراب الخلايا: تستخدم الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لتفكيك وتعطيل الخلايا والأنسجة لأغراض مختلفة ، مثل استخراج المكونات داخل الخلايا ، أو تعطيل الميكروبات ، أو تحضير العينات للتحليل. تسبب الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة والتجويف الناتج عنها إجهادا ميكانيكيا وقوى قص ، مما يؤدي إلى تفكك هياكل الخلايا. في البحوث البيولوجية والتشخيص الطبي ، يتم استخدام الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لتحلل الخلايا ، وهي عملية تكسير الخلايا المفتوحة لإطلاق مكوناتها داخل الخلايا. تعمل الطاقة فوق الصوتية على تعطيل جدران الخلايا والأغشية والعضيات ، مما يتيح استخراج البروتينات والحمض النووي والحمض النووي الريبي والمكونات الخلوية الأخرى.
هذه هي بعض التطبيقات الرئيسية للموجات فوق الصوتية من نوع المسبار ، ولكن التكنولوجيا لديها مجموعة أوسع من الاستخدامات الأخرى ، بما في ذلك سونوكيمياء ، والحد من حجم الجسيمات (الطحن الرطب) ، وتوليف الجسيمات من أسفل إلى أعلى ، وتوليف سونو للمواد والمواد الكيميائية في مختلف الصناعات مثل الأدوية ، وتجهيز الأغذية ، والتكنولوجيا الحيوية ، والعلوم البيئية.
تسلسل عالي السرعة (من a إلى f) من الإطارات يوضح التقشير الميكانيكي لرقائق الجرافيت في الماء باستخدام UP200S ، الموجات فوق الصوتية 200W مع سونوترودي 3 ملم. تظهر الأسهم مكان تقسيم الجسيمات مع فقاعات التجويف التي تخترق الانقسام.
© تيورنينا وآخرون 2020
التجويف بالموجات فوق الصوتية في مسبار كاسكاترود من الموجات فوق الصوتية UIP1000hdT (1000 واط ، 20 كيلو هرتز) في مفاعل زجاجي.
فيديو التجويف الصوتي في السائل
يوضح الفيديو التالي التجويف الصوتي في كاسكاترود جهاز الموجات فوق الصوتية UIP1000hdT في عمود زجاجي مملوء بالماء. يضيء العمود الزجاجي من الأسفل بالضوء الأحمر من أجل تحسين تصور فقاعات التجويف.
اتصل بنا! / اسألنا!
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل / دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
الأدب / المراجع
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- 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.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.