Mayelərdə ultrasəs kavitasiyası
Ultrasonic cavitation is the driving force behind high-intensity ultrasonic liquid processing. When powerful ultrasound is coupled into a liquid, microscopic vapor bubbles form, grow and collapse violently. This acoustic cavitation creates intense local shear forces, microjets, shock waves, pressure changes and micro-mixing effects that can accelerate homogenization, dispersing, emulsification, extraction, degassing, cell disruption and sonochemical reactions.
Hielscher probe-tip ultrasonik cihazları mayelərə, süspansiyalara və çamurlara ultrasəs enerjisini birbaşa ötürmək üçün idarə olunan akustik kavitasiya istifadə edir. Kiçik laboratoriya nümunələrindən daim sənaye axın istehsalına qədər Hielscher sistemləri amplituda, sonotrod geometrisi, təzyiq, temperatur, axım sürəti və qalma müddətini təkrarlanan kavitasiya nəticələri üçün tənzimləməyə imkan verir.
- Laboratoriyalar üçün: kiçik həcmdə sonikasiya parametrlərini inkişaf etdirin və optimallaşdırın.
- Pilot zavodlar üçün: real emal şəraitində kavitasiya əsaslı prosesləri təsdiq edin.
- İstehsal üçün: ultrasəs kavitasiya prosesini partiya, dövri və ya davamlı xətti proseslərdə miqyaslandırın.
Bizə mayenizi, partiya həcminizi və ya axın sürətinizi, viskozitenizi, bərk maddə tərkibini, temperatur limitlərinizi və hədəf proses nəticənizi deyin. Biz sizə kavitasiyon tətbiqiniz üçün optimal sonikator, sonotrod və axın hüceyrəsi konfiqurasiyasını tövsiyə edəcəyik.
UP400St kimi probe tipli sonikatorlar akustik kavitasiyanın iş prinsipindən istifadə edin.
Ultrasəs kavitasiyasının iş prinsipi
Mayeləri yüksək intensivlikdə səsləyərkən, maye mühitə yayılan səs dalğaları, tezlikdən asılı olaraq, yüksək təzyiq (sıxılma) və aşağı təzyiq (nadir olma) dövrlərinin dəyişməsi ilə nəticələnir. Aşağı təzyiq dövrü zamanı yüksək intensivlikli ultrasəs dalğaları mayedə kiçik vakuum qabarcıqları və ya boşluqlar yaradır. Baloncuklar artıq enerji qəbul edə bilməyəcək bir həcmə çatdıqda, yüksək təzyiq dövrü zamanı şiddətlə çökürlər. Bu fenomen kavitasiya adlanır. Partlayış zamanı yerli olaraq çox yüksək temperaturlara (təxminən 5000K) və təzyiqlərə (təxminən 2000atm) çatılır. Kavitasiya qabarcığının partlaması da 280 m/s sürətə çatan maye axını ilə nəticələnir.
Akustik kavitasiya (güclü ultrasəs tərəfindən yaradılan) yerli olaraq ekstremal şərait yaradır, sözdə sonomexaniki və sonokimyəvi təsirlər. Bu təsirlərə görə sonikasiya yüksək məhsuldarlığa, daha sürətli reaksiya sürətinə, yeni yollara və ümumi səmərəliliyin artmasına səbəb olan kimyəvi reaksiyaları təşviq edir.
Probe Sonikator və ya Ultrasonik Vanna: Hansı Kavitasiyon Metodu Uyğundur?
Prob sonikatorları və ultrasəs vannaları hər ikisi akustik kavitasiya yaradır, lakin intensivlik, idarəetmə və proses etibarlılığı baxımından əhəmiyyətli fərqlər göstərirlər. Ultrasəs vannaları təmizləmə üçün faydalı olsa da, prob tipli sonikatorlar ultrasəs enerjisini birbaşa mayeyə qoşur və daha güclü, fokuslanmış kavitasiya zonası yaradır. Bu, prob sonikatorlarını homogenizasiya, emulsifikasiya, ekstraksiya, hüceyrə pozulması, nanopartikul dispersiyası və sonokimyəvi reaksiyalar kimi təkrarlana bilən maye emalı tətbiqləri üçün üstünlük verilən seçim edir.
| Müqayisə Kriteriyaları | sonikator | ultrasəs vannası |
|---|---|---|
| kavitasiya intensivliyi | Sonotrodun ucunda birbaşa yüksək intensivlikli akustik kavitasiya yaradır. | Hamam həcmi boyunca paylanmış zəif kavitasiya yaradır. |
| Enerji Transferi | Ultrasəs enerjisini birbaşa mayeyə, suspenziyaya və ya slurriyə ötürür. | Enerjini dolayı yolla vanna mayesi və qab divarı vasitəsilə ötürür. |
| prosesə nəzarət | Amplitudanın, enerji girişinin, impuls rejiminin, temperaturun və emal vaxtının dəqiq tənzimlənməsinə imkan verir. | Nümunəyə çatan faktiki ultrasəs enerjisinə məhdud nəzarət imkanı verir. |
| reproduktivlik | Proses parametrləri müəyyən ediləndə və izlənildikdə təkrarlana bilən sonikasiya nəticələri təmin edir. | Nəticələr qeyri-bərabər kavitasiya paylanması, qab mövqeyi, qab materialı səbəbindən dəyişə bilər, doldurma səviyyəsi və vanna doldurulması. |
| Emal səmərəliliyi | Homogenləşdirmə, dispersiya, emulsifikasiya, çıxarma, hüceyrə pozulması və sonokimya üçün yüksək səmərəlidir. | Əsasən təmizləmə üçün uyğundur. |
| Nümunə Həcmi | Kiçik laboratoriya nümunələri, eləcə də pilot və sənaye həcmləri üçün mövcuddur. | Adətən kiçik qablar və ya vanna içində çoxlu konteynerlər üçün istifadə olunur. |
| miqyasını böyütmək | Laboratoriya testlərindən pilot sınaqlara və davamlı sənaye xətti emalına qədər miqyaslana bilər. | Enerji paylanması və kavitasiyanın intensivliyi asanlıqla köçürülə bilmədiyi üçün etibarlı şəkildə miqyaslandırmaq çətindir. |
| Uyğun mühit | Mayelər, emülsiyalar, suspenziyalar, sürpursiyalar və yüksək-əhvallı formulalar üçün effektivdir. | Aşağı viskozlu mayelər və sadə təmizlik və ya qazdan təmizləmə işləri üçün ən uyğundur. |
| Tipik Tətbiqlər | Nanohissəcik dispersiyası, nanoemülsiyalar, ekstraksiya, hüceyrə lizisi, homogenləşdirmə, qruplaşmanın pozulması, yaş üyütmə və sonokimyəvi reaksiyalar. | Şüşə qabların təmizlənməsi, mayelərin qazdan təmizlənməsi, tozların həll edilməsi və yumşaq nümunə qarışdırılması. |
| Ən yaxşı seçim | Nəzarət edilən, güclü və təkrarlanabilən ultrasəs maye emalı. | Sadə təmizlik və ya aşağı intensivlik ultrasəs müalicəsi. |
Sonikatorlar və Akustik Kavitasiyanın Əsas Tətbiqləri
Ultrasəs zondları kimi tanınan zond tipli ultrasəs cihazları mayelərdə effektiv şəkildə intensiv akustik kavitasiya yaradır. Buna görə də, onlar müxtəlif sənaye sahələrində müxtəlif tətbiqlərdə geniş istifadə olunur. Zond tipli ultrasəs cihazları tərəfindən yaradılan akustik kavitasiyanın ən vacib tətbiqlərindən bəziləri bunlardır:
- Homogenləşmə: Ultrasonik zondlar enerji ilə sıx vibrasiya və kəsmə qüvvələri sahəsi kimi xarakterizə olunan sıx kavitasiya yarada bilər. Bu qüvvələr əla qarışdırma, qarışdırma və hissəcik ölçüsünün azaldılmasını təmin edir. Ultrasonik homojenləşdirmə vahid qarışıq süspansiyonlar istehsal edir. Buna görə də, sonikasiya dar paylama əyriləri ilə homojen kolloid süspansiyon istehsal etmək üçün istifadə olunur.
- Nanohissəciklərin dispersiyası: Ultrasonikatorlar nanohissəciklərin dispersiyası, deaglomerasiyası və yaş frezelenmesi üçün istifadə olunur. Aşağı tezlikli ultrasəs dalğaları aglomeratları parçalayan və hissəcik ölçüsünü azaldan təsirli kavitasiya yarada bilər. Xüsusilə maye reaktivlərinin yüksək kəsilməsi mayenin içindəki hissəcikləri sürətləndirir, onlar bir-biri ilə toqquşur (hissələrarası toqquşma), nəticədə hissəciklər qırılır və aşınır. Bu, çökmənin qarşısını alan hissəciklərin vahid və sabit paylanması ilə nəticələnir. Bu, nanotexnologiya, materialşünaslıq və əczaçılıq da daxil olmaqla müxtəlif sahələrdə çox vacibdir.
- Emulsiya və qarışdırma: Zond tipli ultrasəs cihazları emulsiyalar yaratmaq və mayeləri qarışdırmaq üçün istifadə olunur. Ultrasəs enerjisi kavitasiyaya, mikroskopik qabarcıqların əmələ gəlməsinə və dağılmasına səbəb olur ki, bu da intensiv yerli kəsmə qüvvələri yaradır. Bu proses qarışmayan mayelərin emulsiyalaşdırılmasına, sabit və incə dispers emulsiyaların yaranmasına kömək edir.
- Çıxarış: Kavitasiya kəsmə qüvvələrinə görə ultrasəs cihazları hüceyrə strukturlarını pozmaqda və bərk və maye arasında kütlə transferini yaxşılaşdırmaqda yüksək effektivliyə malikdir. Buna görə də, ultrasəs ekstraksiya yüksək keyfiyyətli botanika ekstraktlarının istehsalı üçün bioaktiv birləşmələr kimi hüceyrədaxili materialın sərbəst buraxılması üçün geniş istifadə olunur.
- Deqazasiya və deaerasiya: Prob tipli ultrasəs cihazları mayelərdən qaz baloncuklarını və ya həll olunmuş qazları çıxarmaq üçün istifadə olunur. Ultrasəs kavitasiyasının tətbiqi qaz baloncuklarının birləşməsini təşviq edir ki, onlar böyüyərək mayenin üstünə süzülür. Ultrasonik kavitasiya qazsızlaşdırmanı tez və effektiv prosedura çevirir. Bu, müxtəlif sənaye sahələrində, məsələn, boyalar, hidravlik mayelər və ya qazların mövcudluğunun məhsulun keyfiyyətinə və sabitliyinə mənfi təsir göstərə biləcəyi qida və içki emalı üçün dəyərlidir.
- Sonokataliz: Kimyəvi reaksiyaları gücləndirmək üçün akustik kavitasiyanı katalizatorlarla birləşdirən bir proses olan sonokataliz üçün ultrasəs zondları istifadə edilə bilər. Ultrasəs dalğalarının yaratdığı kavitasiya kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırır, reaksiya sürətlərini artırır və sərbəst radikalların istehsalını təşviq edir, daha səmərəli və seçici kimyəvi çevrilmələrə səbəb olur.
- Nümunənin hazırlanması: Prob tipli ultrasəs aparatları adətən nümunə hazırlamaq üçün laboratoriyalarda istifadə olunur. Onlar hüceyrələr, toxumalar və viruslar kimi bioloji nümunələri homogenləşdirmək, parçalamaq və çıxarmaq üçün istifadə olunur. Prob tərəfindən yaradılan ultrasəs enerjisi hüceyrə membranlarını pozur, hüceyrə məzmununu buraxır və sonrakı təhlili asanlaşdırır.
- Hüceyrələrin parçalanması və pozulması: Zond tipli ultrasəs cihazları hüceyrədaxili komponentlərin çıxarılması, mikrob inaktivasiyası və ya analiz üçün nümunənin hazırlanması kimi müxtəlif məqsədlər üçün hüceyrə və toxumaları parçalamaq və pozmaq üçün istifadə olunur. Yüksək intensivlikli ultrasəs dalğaları və bununla da yaranan kavitasiya mexaniki gərginliyə və kəsmə qüvvələrinə səbəb olur və nəticədə hüceyrə strukturlarının parçalanmasına səbəb olur. Bioloji tədqiqatlarda və tibbi diaqnostikada zond tipli ultrasəs cihazları hüceyrə lizisi, hüceyrədaxili komponentlərini sərbəst buraxmaq üçün açıq hüceyrələrin qırılması prosesi üçün istifadə olunur. Ultrasəs enerjisi hüceyrə divarlarını, membranları və orqanelləri pozaraq zülalların, DNT, RNT və digər hüceyrə komponentlərinin çıxarılmasına imkan verir.
Bunlar zond tipli ultrasəs aparatlarının əsas tətbiqlərindən bəziləridir, lakin texnologiya sonokimya, hissəcik ölçüsünün azaldılması (yaş frezeleme), aşağıdan yuxarı hissəciklərin sintezi və kimyəvi maddələrin sono-sintezi də daxil olmaqla daha geniş istifadə sahələrinə malikdir. və əczaçılıq, qida emalı, biotexnologiya və ətraf mühit elmləri kimi müxtəlif sənayelərdə materiallar.
Suda qrafit ləpəsinin sono-mexaniki aşınmasını göstərən kadrların yüksək sürətli ardıcıllığı (a-dan f-ə qədər) UP200S istifadə edərək, 3 mm sonotrode ilə 200W ultrasəs cihazı. Oklar, parçalanmaya nüfuz edən kavitasiya qabarcıqları olan hissəciklərin parçalanma yerini göstərir.
© Tyurnina və başqaları. 2020
Ultrasonik Kavitasiya ilə Faydalanın!
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal qabiliyyətinin göstəricisini verir:
| Partiya Həcmi | Axın | Tövsiyə olunan Cihazlar |
|---|---|---|
| 1 ilə 500 ml | 10-200 ml/dəq | UP100H |
| 10 ilə 2000 ml | 20 - 400 ml/dəq | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2 ilə 4L/dəq | UIP2000hdT |
| 10-100 l | 2 ilə 10 L / dəq | UIP4000hdT |
| na | 10-100 l/dəq | UIP16000 |
| na | daha böyük | klaster UIP16000 |
Mayedə Akustik Kavitasiya Videosu
Aşağıdakı video su ilə doldurulmuş şüşə sütunda UIP1000hdT ultrasəs cihazının kaskatrodunda akustik kavitasiyanı nümayiş etdirir. Şüşə sütun kavitasiya qabarcıqlarının vizuallaşdırılmasını yaxşılaşdırmaq üçün aşağıdan qırmızı işıqla işıqlandırılır.
Hielscher Ultrasonics, laboratoriya, pilot və sənaye miqyasında qarışdırma tətbiqləri, dispersiya, emulsiya və ekstraksiya üçün yüksək performanslı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir.
Tez-tez soruşulan suallar
Ultrasonik Kavitasiya nədir?
Ultrasonik kavitasiya yüksək intensivlikli ultrasəsə məruz qalan mayedə mikroskopik köpüklərin əmələ gəlməsi, böyüməsi və qəfil çökməsi prosesidir. Bu köpüklərin çökməsi güclü lokal kəsilmələr, maye mikrocıvatalar, şok dalğaları, yüksək təzyiq gradientləri və güclü mikroqarışdırma effektləri yaradır.
Ultrasonik kavitasiya ilə akustik kavitasiya arasındakı fərq nədir?
Akustik kavitasiya səs dalğaları tərəfindən yaranan kavitasiya üçün ümumi termindir. Ultrasonik kavitasiya isə adətən eşidilən diapazonun üzərində olan ultrasonik tezliklərlə yaranan akustik kavitasiya növüdür. Sənaye maye emalı sahəsində, hər iki termin tez-tez yüksək güclü ultrasonikatorlar tərəfindən yaranan kavitasiya üçün istifadə olunur.
Ultrasonik kavitasiya maye emalını necə yaxşılaşdırır?
Ultrasonik kavitasiya maye daxilində intensiv mexaniki və kimyəvi təsirlər yaradaraq maye emalını yaxşılaşdırır. Mexaniki təsirlər qarışdırma, homogenləşdirmə, emulqasiya, hissəciklərin ayrılması, nəmləndirici dəyirmi işləmə, ekstraksiya və hüceyrələrin parçalanmasını dəstəkləyir. Reaktiv sistemlərdə kavitasiya həmçinin sonokimyəvi təsirləri təşviq edə və kütlə ötürülməsini yaxşılaşdıra bilər.
Hansı tətbiqlər ultrasonik kavitasiya istifadə edir?
Ultrasəs kavitasiyası homogenləşdirmə, dispersiya, emulsifikasiya, nanoemulsifikasiya, çıxarma, qaz çıxarma, deaqlomerasiya, hissəcik ölçüsünün azaldılması, hüceyrə lizisi, mikrob pozulması, sonokimya, sonokataliz və qabaqcıl maye faza reaksiyaları üçün istifadə olunur.
Niyə prob tipli ultrasəs cihazları kavitasiya üçün effektivdir?
Prob tipli ultrasəs cihazları ultrasəs enerjisini birbaşa sonotrod vasitəsilə mayeyə ötürür. Bu birbaşa enerji birləşməsi zondun səthinə yaxın intensiv kavitasiya zonası yaradır və amplituda, güc girişi, temperatur, təzyiq və emal vaxtı kimi vacib proses parametrlərinin dəqiq tənzimlənməsinə imkan verir.
Ultrasəs vannası güclü kavitasiya üçün uyğundurmu?
Ultrasəs vannaları kavitasiya yaradır, lakin enerji sıxlığı adətən prob tipli sonikatorla müqayisədə xeyli aşağı və daha az fokuslanmış olur. Hamamlar təmizləmə və yüngül müalicə üçün faydalıdır, prob tipli ultrasəs cihazları isə təkrarlanan homogenizasiya, ekstraksiya, emulsifikasiya, dispersiya, hüceyrə pozulması və sənaye maye emalı üçün üstünlük təşkil edir.
Prob tipli sonikatorlar və ultrasəs vannalarının necə fərqləndiyini oxuyun və izləyin!
Hansı parametrlər ultrasəs kavitasiya intensivliyinə təsir edir?
Vacib parametrlərə amplituda, ultrasəs gücü, sonotrod səth sahəsi, maye həcmi, viskozluq, bərk maddələrin tərkibi, təzyiq daxildir, temperatur, qab geometriyası, axın-hüceyrə həndəsəsi, axın sürəti və qalma vaxtı. Bu parametrlərin tənzimlənməsi kavitasiya intensivliyinin proses hədəfinə uyğunlaşdırılmasına imkan verir.
Can ultrasonic cavitation be scaled from lab to production?
Yes. Ultrasonic cavitation processes can be developed in laboratory volumes and transferred to pilot or industrial scale by controlling amplitude, energy input, sonotrode geometry, flow rate and residence time. Hielscher offers ultrasonicators and reactors for laboratory testing, pilot trials and continuous industrial production.
Ədəbiyyat / İstinadlar
- 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 Ultrasonics yüksək performanslı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir laboratoriya üçün sənaye ölçüsü.