التجويف بالموجات فوق الصوتية في السوائل
التجويف بالموجات فوق الصوتية هو القوة الدافعة وراء معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية عالية الكثافة. عندما يتم توصيل الموجات فوق الصوتية القوية بالسائل، تتشكل فقاعات بخار مجهرية، وتنمو ثم تنهار بعنف. يخلق هذا التجويف الصوتي قوى قص محلية مكثفة، ونفاثات دقيقة، وموجات صدمية، وتغيرات في الضغط، وتأثيرات خلط دقيقة يمكنها تسريع عمليات التجانس، والتشتت، والاستحلاب، والاستخلاص، وإزالة الغازات، وتفكيك الخلايا، والتفاعلات الكيميائية الصوتية.
تستخدم أجهزة الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار من Hielscher التكهف الصوتي المتحكم فيه لنقل الطاقة فوق الصوتية مباشرةً إلى السوائل والمعلقات والملاط. بدءًا من العينات المختبرية الصغيرة وصولاً إلى الإنتاج الصناعي المستمر بنظام التدفق المباشر، تتيح لك أنظمة Hielscher ضبط السعة وهندسة السونوترويد والضغط ودرجة الحرارة ومعدل التدفق ووقت البقاء للحصول على نتائج تكهف قابلة للتكرار.
- للمختبرات: تطوير معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتحسينها في أحجام صغيرة.
- بالنسبة للمصانع التجريبية: التحقق من صحة العمليات التي تعتمد على التكهف في ظل ظروف معالجة واقعية.
- للإنتاج: تطبيق التكهف بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في العمليات الدفعية أو عمليات إعادة التدوير أو العمليات المستمرة المدمجة في خط الإنتاج.
أخبرنا عن السائل الذي تستخدمه، وحجم الدفعة أو معدل التدفق، واللزوجة، ومحتوى المواد الصلبة، وحدود درجة الحرارة، والنتيجة المستهدفة للعملية. وسنقوم بتقديم توصيات بشأن أفضل جهاز صوتي، وسونوترويد، وتكوين خلية التدفق لتطبيق التكهف الخاص بك.
أجهزة الموجات فوق الصوتية ذات الرأس الاستكشافي مثل UP400St استخدم مبدأ عمل التجويف الصوتي.
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.
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.
جهاز الموجات فوق الصوتية أو حوض الموجات فوق الصوتية: أي طريقتين للتجويف هي الأنسب؟
تُحدث أجهزة الموجات فوق الصوتية ذات المسبار والحمامات فوق الصوتية كلاهما تجويفًا صوتيًا، لكنهما يختلفان اختلافًا كبيرًا من حيث الشدة والتحكم وموثوقية العملية. في حين أن أحواض الموجات فوق الصوتية مفيدة للتنظيف، فإن أجهزة الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار تربط الطاقة فوق الصوتية مباشرة بالسائل وتخلق منطقة تجويف أقوى بكثير ومركزة. وهذا يجعل أجهزة الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار الخيار المفضل لتطبيقات معالجة السوائل القابلة للتكرار مثل التجانس، والاستحلاب، والاستخلاص، وتفتيت الخلايا، وتشتت الجسيمات النانوية، والتفاعلات الكيميائية الصوتية.
| معايير المقارنة | دقق صوتي | حمام بالموجات فوق الصوتية |
|---|---|---|
| كثافة التجويف | يُحدث تجويفًا صوتيًا عالي الكثافة مباشرةً عند طرف السونوترويد. | ينتج تجويفًا أضعف موزعًا على كامل حجم الحوض. |
| نقل الطاقة | ينقل الطاقة فوق الصوتية مباشرة إلى السائل أو المعلق أو الملاط. | ينقل الطاقة بشكل غير مباشر عبر سائل الحمام وجدار الوعاء. |
| التحكم في العملية | يتيح ضبط دقيق للسعة، والطاقة المدخلة، ووضع النبضات، ودرجة الحرارة، ومدة المعالجة. | لا يتيح سوى تحكم محدود في كمية الطاقة فوق الصوتية الفعلية التي تصل إلى العينة. |
| التكاثر | يوفر نتائج معالجة بالموجات فوق الصوتية قابلة للتكرار عند تحديد معلمات العملية ومراقبتها. | قد تختلف النتائج بسبب التوزيع غير المتساوي للتجويف، وموضع الوعاء، ومادة الوعاء، ومستوى الملء، وحمولة الحوض. |
| كفاءة المعالجة | فعال للغاية في عمليات التجانس والتشتت والتحليب والاستخلاص وتفتيت الخلايا والكيمياء الصوتية. | مناسب بشكل أساسي للتنظيف. |
| حجم العينة | متوفر للعينات المختبرية الصغيرة وكذلك للكميات التجريبية والصناعية. | يُستخدم عادةً مع الأوعية الصغيرة أو الحاويات المتعددة الموضوعة داخل حوض الاستحمام. |
| توسيع النطاق | يمكن توسيع نطاقها من الاختبارات المعملية إلى التجارب التجريبية والمعالجة الصناعية المستمرة على خط الإنتاج. | يصعب توسيع نطاقها بشكل موثوق لأن توزيع الطاقة وشدة التكهف لا يمكن نقلهما بسهولة. |
| الوسائط المناسبة | فعال مع السوائل والمستحلبات والمعلقات والملاط والتركيبات عالية المحتوى من المواد الصلبة. | مناسبة بشكل خاص للسوائل منخفضة اللزوجة ومهام التنظيف أو إزالة الغازات البسيطة. |
| التطبيقات النموذجية | تشتت الجسيمات النانوية، والمستحلبات النانوية، والاستخلاص، وتحلل الخلايا، والتجانس، وتفكيك التكتلات، والطحن الرطب، والتفاعلات الكيميائية الصوتية. | تنظيف الأواني الزجاجية، وإزالة الغازات من السوائل، وحل المساحيق، والتحريك الخفيف للعينات. |
| الخيار الأفضل لـ | معالجة سوائل بالموجات فوق الصوتية تتميز بالدقة والقوة وقابلية التكرار. | تنظيف بسيط أو معالجة بالموجات فوق الصوتية منخفضة الشدة. |
التطبيقات الرئيسية لأجهزة الموجات فوق الصوتية والتجويف 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:
- 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
استفد من مزايا التجويف بالموجات فوق الصوتية!
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 |
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.
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
أسئلة مكررة
ما هو التجويف بالموجات فوق الصوتية؟
التجويف بالموجات فوق الصوتية هو عملية تشكل الفقاعات المجهرية ونموها وانهيارها العنيف في سائل يتعرض لموجات فوق صوتية عالية الكثافة. ويؤدي انهيار هذه الفقاعات إلى حدوث قص محلي شديد، ونفثات سائلة دقيقة، وموجات صدمية، وتدرجات ضغط عالية، وتأثيرات خلط دقيقة قوية.
ما الفرق بين التكهف بالموجات فوق الصوتية والتكهف الصوتي؟
التجويف الصوتي هو المصطلح العام الذي يشير إلى التجويف الناتج عن الموجات الصوتية. أما التجويف بالموجات فوق الصوتية فهو تجويف صوتي تنشئه الترددات فوق الصوتية، التي عادةً ما تكون أعلى من النطاق المسموع. وفي مجال معالجة السوائل الصناعية، غالبًا ما يُستخدم كلا المصطلحين للإشارة إلى التجويف الناتج عن أجهزة الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة.
كيف يُحسّن التكهف بالموجات فوق الصوتية معالجة السوائل؟
يعمل التكهف بالموجات فوق الصوتية على تحسين معالجة السوائل من خلال إحداث تأثيرات ميكانيكية وكيميائية مكثفة داخل السائل. وتساعد التأثيرات الميكانيكية في عمليات الخلط، والتجانس، والتستبيان، وتفكيك تكتلات الجسيمات، والطحن الرطب، والاستخلاص، وتفتيت الخلايا. وفي الأنظمة التفاعلية، يمكن للتكهف أيضًا أن يعزز التأثيرات الكيميائية الصوتية ويحسن انتقال الكتلة.
ما هي التطبيقات التي تستخدم التكهف بالموجات فوق الصوتية؟
يُستخدم التكهف بالموجات فوق الصوتية في عمليات التجانس والتشتت والتحليب والتحليب النانوي والاستخلاص وإزالة الغازات وتفكيك التكتلات وتقليل حجم الجسيمات وتحلل الخلايا وتفتيت الكائنات الحية الدقيقة والكيمياء الصوتية والتحفيز الصوتي والتفاعلات المتقدمة في الطور السائل.
لماذا تُعد أجهزة الموجات فوق الصوتية من النوع الاستكشافي فعالة في إحداث التكهف؟
تقوم أجهزة الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار بنقل الطاقة فوق الصوتية مباشرة إلى السائل عبر سونوترويد. ويؤدي هذا التوصيل المباشر للطاقة إلى تكوين منطقة تجويف شديدة بالقرب من سطح المسبار، كما يتيح ضبطًا دقيقًا لمعلمات العملية المهمة مثل السعة، والطاقة المدخلة، ودرجة الحرارة، والضغط، ومدة المعالجة.
هل الحمام بالموجات فوق الصوتية مناسب للتجويف القوي؟
تنتج أحواض الموجات فوق الصوتية ظاهرة التجويف، لكن كثافة الطاقة فيها عادةً ما تكون أقل بكثير وأقل تركيزًا مقارنةً بأجهزة الموجات فوق الصوتية ذات المسبار. وتُعد الأحواض مفيدة في التنظيف والمعالجة الخفيفة، في حين تُفضل أجهزة الموجات فوق الصوتية ذات المسبار في عمليات التجانس القابلة للتكرار، والاستخلاص، والتستبيان، والتشتت، وتفتيت الخلايا، ومعالجة السوائل الصناعية.
اقرأ وشاهد الفرق بين أجهزة الموجات فوق الصوتية ذات الرأس والحمامات فوق الصوتية!
ما هي العوامل التي تؤثر على شدة التكهف بالموجات فوق الصوتية؟
تشمل المعلمات المهمة السعة، وطاقة الموجات فوق الصوتية، ومساحة سطح السونوترويد، وحجم السائل، واللزوجة، ومحتوى المواد الصلبة، والضغط، ودرجة الحرارة، وشكل الوعاء، وشكل خلية التدفق، ومعدل التدفق، ووقت البقاء. ويتيح تعديل هذه المعلمات تكييف شدة التكهف مع الهدف المطلوب من العملية.
هل يمكن توسيع نطاق تطبيق التكهف بالموجات فوق الصوتية من المختبر إلى مرحلة الإنتاج؟
نعم. يمكن تطوير عمليات التجويف بالموجات فوق الصوتية على نطاق مختبري ونقلها إلى نطاق تجريبي أو صناعي من خلال التحكم في السعة، ومدخلات الطاقة، وهندسة السونوترويد، ومعدل التدفق، ووقت البقاء. تقدم شركة Hielscher أجهزة الموجات فوق الصوتية والمفاعلات اللازمة للاختبارات المختبرية، والتجارب التجريبية، والإنتاج الصناعي المستمر.
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.