Ултразвук: приложения и процеси

Ултразвукът е механичен метод на обработка, който създава акустична кавитация и силно интензивни физически сили. Следователно ултразвукът се използва за многобройни приложения като смесване, хомогенизация, смилане, дисперсия, емулгиране, екстракция, дегазация и сонохимични реакции.
По-долу ще научите всичко за типичните ултразвукови приложения и процеси.

ултразвуково хомогенизиране

Ултразвуковите хомогенизатори намаляват малките частици в течността, за да подобрят равномерността и стабилността на дисперсия. Частиците (дисперсна фаза) могат да бъдат твърди вещества или течни капчици, суспендирани в течна фаза. Ултразвуковото хомогенизиране е много ефективно за намаляване на меки и твърди частици. Hielscher произвежда ултразвукови апарати за хомогенизиране на всеки течен обем и за партидна или поточна обработка. Лабораторни ултразвукови устройства могат да се използват за обеми от 1,5 ml до приблизително 4 L. Ултразвуковите промишлени устройства могат да обработват партиди от 0,5 до приблизително 2000 литра или дебити от 0,1 л до 20 кубически метра на час при разработване на процеси и в търговско производство.
Щракнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковото хомогенизиране!

Ултразвуково диспергиране и деагломерация

Диспергирането и деагломерацията на твърди вещества в течности е важно приложение на ултразвуковите апарати тип сонда. Ултразвуковата/акустичната кавитация генерира високи сили на срязване, които разбиват агломератите на частици на отделни, единични дисперсни частици. Смесването на прахове в течности е често срещана стъпка във формулирането на различни продукти, като бои, лакове, козметични продукти, храни и напитки или полиращи среди. Отделните частици се държат заедно от сили на привличане от различно физическо и химично естество, включително сили на Ван-дер-Ваалс и повърхностно напрежение на течността. Ултразвукът преодолява тези сили на привличане, за да деагломерира и разпръсне частиците в течна среда. За диспергиране и деагломерация на прахове в течности, ултразвукът с висока интензивност е интересна алтернатива на хомогенизаторите с високо налягане, смесителите с високо срязване, мелниците за перли или ротор-статор-смесителите.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковото диспергиране и деагломерацията!

Ултразвукова емулгиране

Широка гама от междинни и потребителски продукти, като козметика и лосиони за кожа, фармацевтични мехлеми, лакове, бои и смазочни материали и горива, се основават изцяло или частично на емулсии. Емулсиите са дисперсии на две или повече несмесващи се течни фази. Високоинтензивният ултразвук осигурява достатъчно интензивно срязване, за да разпръсне течна фаза (диспергирана фаза) на малки капчици във втора фаза (непрекъсната фаза). В зоната на диспергиране имплодиращите кавитационни мехурчета причиняват интензивни ударни вълни в околната течност и водят до образуването на течни струи с висока скорост на течността (високо срязване). Ултразвукът може да бъде прецизно адаптиран към целевия размер на емулсията, което позволява по този начин надеждно производство на микроемулсии и нано-емулсии.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковата емулгация!

Ултразвуково мокро фрезоване и шлайфане

Ултразвукът е ефективно средство за мокро смилане и микросмилане на частици. По-специално за производството на суспензии със свръхфин размер, ултразвукът има много предимства. Той превъзхожда традиционното оборудване за намаляване на размера, като: колоидни мелници (напр. топкови мелници, мелници за мъниста), дискови фрези или струйни мелници. Ултразвукът може да обработва суспензии с висока концентрация и висок вискозитет – като по този начин намалява обема, който трябва да се обработва. Разбира се, ултразвуковото фрезоване е подходящо за обработка на материали с микрон и наноразмер, като керамика, пигменти, бариев сулфат, калциев карбонат или метални оксиди. Особено когато става въпрос за наноматериали, ултразвукът се отличава с производителност, тъй като силно въздействащите сили на срязване създават равномерно малки наночастици.
Щракнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковото мокро фрезоване и микрошлайфането!

Изсушен чрез пулверизиране TiO2 преди и след ултразвуково фрезоване

Ултразвукова клетъчна дезинтеграция и лизис

Ултразвуковата обработка може да разгради влакнестия, целулозен материал на фини частици и да разруши стените на клетъчната структура. Това освобождава повече от вътреклетъчния материал, като нишесте или захар в течността. Този ефект може да се използва за ферментация, храносмилане и други процеси на преобразуване на органични вещества. След смилане и смилане, ултразвукът прави повече от вътреклетъчния материал, например нишесте, както и остатъците от клетъчната стена, достъпни за ензимите, които превръщат нишестето в захари. Той също така увеличава повърхността, изложена на ензимите по време на втечняване или захарификация. Това обикновено увеличава скоростта и добива на ферментация на дрожди и други процеси на преобразуване, например за увеличаване на производството на етанол от биомаса.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковото разпадане на клетъчните структури!

ултразвукова екстракция на растения

Извличането на биоактивни съединения, съхранявани в клетките и субклетъчните частици, е широко използвано приложение на ултразвук с висока интензивност. Ултразвуковата екстракция се използва за изолиране на вторични метаболити (напр. полифеноли), полизахариди, протеини, етерични масла и други активни съставки от клетъчния матрикс на растенията и гъбичките. Подходящ за екстракция на органични съединения с вода и разтворител, ултразвукът значително подобрява добива на растения, съдържащи се в растенията или семената. Ултразвуковата екстракция се използва за производството на фармацевтични продукти, хранителни добавки / хранителни добавки, аромати и биологични добавки. Ултразвукът е техника за зелена екстракция, използвана и за извличане на биоактивни компоненти в биорафинерии, например освобождаване на ценни съединения от неизползвани потоци странични продукти, образувани в промишлени процеси. Ултразвукът е високоефективна технология за ботаническа екстракция в лабораторен и производствен мащаб.
Кликнете тук за повече информация относно ултразвуковата екстракция!

Сонохимично приложение на ултразвука

Сонохимията е прилагането на ултразвук към химични реакции и процеси. Механизмът, причиняващ сонохимични ефекти в течностите, е феноменът акустична кавитация. Сонохимичните ефекти върху химичните реакции и процеси включват увеличаване на скоростта или производителността на реакцията, по-ефективно използване на енергията, подобряване на производителността на катализаторите за фазов трансфер, активиране на метали и твърди вещества или увеличаване на реактивността на реагенти или катализатори.
Кликнете тук, за да прочетете повече за сонохимичните ефекти на ултразвука!

Ултразвукова трансестерификация на масло в биодизел

Ултразвукът увеличава скоростта на химическата реакция и добива на преестерификацията на растителни масла и животински мазнини в биодизел. Това позволява промяна на производството от партидна обработка към непрекъсната поточна обработка и намалява инвестиционните и оперативните разходи. Едно от основните предимства на производството на ултразвуков биодизел е използването на отработени масла като отработени масла за готвене и други некачествени източници на масло. Ултразвуковата трансестерификация може да превърне дори нискокачествена суровина във висококачествен биодизел (метилов естер на мастни киселини / FAME). Производството на биодизел от растителни масла или животински мазнини включва катализирана от основата трансестерификация на мастни киселини с метанол или етанол за получаване на съответните метилови естери или етилови естери. Ултразвукът може да постигне добив на биодизел над 99%. Ултразвукът значително намалява времето за обработка и времето за разделяне.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковата трансестерификация на маслото в биодизел!

Ултразвукова дегазация и деаерация на течности

Дегазирането на течности е друго важно приложение на ултразвуковите апарати тип сонда. Ултразвуковите вибрации и кавитацията причиняват слепване на разтворени газове в течност. Тъй като малките газови мехурчета се слеят, те образуват по-големи мехурчета, които бързо плуват към горната повърхност на течността, оттам могат да бъдат отстранени. По този начин ултразвуковата дегазация и деаерация могат да намалят нивото на разтворения газ под нивото на естественото равновесие.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковата дегазация на течности!

Ултразвуково почистване на проводници, кабели и ленти

Ултразвуковото почистване е екологична алтернатива за почистване на непрекъснати материали, като тел и кабел, лента или тръби. Ефектът на мощната ултразвукова кавитация премахва остатъците от смазване като масло или грес, сапуни, стеарати или прах от повърхността на материала. Hielscher Ultrasonics предлага различни ултразвукови системи за вградено почистване на непрекъснати профили.
Кликнете тук за повече информация относно ултразвуковото почистване на непрекъснати профили!

Какво прави уникирането превъзходен метод за обработка?

Уникирането или използването на високочестотни звукови вълни за разбъркване на течности е ефективен метод за обработка по различни причини. Ето някои причини, поради които ултразвукът при висока интензивност и ниска честота от около 20kHz е особено въздействащ и изгоден за обработката на течности и суспензии:

1. Кавитация: Един от основните механизми на ултразвука е създаването и срутването на малки мехурчета, явление, наречено кавитация. При 20kHz звуковите вълни са на точната честота, за да създават и свиват ефективно мехурчета. Колапсът на тези мехурчета произвежда високоенергийни ударни вълни, които могат да разградят частиците и да разрушат клетките в течността, която се очуква.
2. Трептене и вибрации: Освен генерираната акустична кавитация, трептенето на ултразвуковата сонда създава допълнително разбъркване и смесване в течността, като по този начин насърчава преноса на маса и/или дегазирането.
3. Проникване: Звуковите вълни при 20kHz имат относително голяма дължина на вълната, което им позволява да проникнат дълбоко в течности. Ултразвуковата кавитация е локализирано явление, което се появява в околната среда на ултразвуковата сонда. С увеличаване на разстоянието до сондата интензитетът на кавитацията намалява. Въпреки това, ултразвукът при 20kHz може ефективно да обработва по-големи обеми течност, в сравнение с по-високочестотната ултразвук, която има по-къси дължини на вълната и може да бъде по-ограничена в дълбочината на проникване.
4. Ниска консумация на енергия: Соникацията може да се постигне с относително ниска консумация на енергия в сравнение с други методи на обработка като хомогенизация под високо налягане или механично разбъркване. Това го прави по-енергийно ефективен и рентабилен метод за обработка на течности.
5. Линейна мащабируемост: Ултразвуковите процеси могат да бъдат мащабирани напълно линейно до по-големи или по-малки обеми. Това прави адаптацията на процеса в производството надеждна, тъй като качеството на продукта може да се поддържа постоянно стабилно.
6. Партиден и вграден поток: Ултразвукът може да се извърши като партиден или като непрекъснат вграден процес. За ултразвук на партиди, ултразвуковата сонда се вкарва в отворения съд или затворения реактор. За ултразвук на непрекъснат поток от поток е инсталирана ултразвукова проточна клетка. Течната среда преминава през сонотрода (ултразвуково вибрираща пръчка) при еднократно преминаване или рециркулация и е много равномерна и ефективна, изложена на ултразвукови вълни.

Като цяло интензивните сили на кавитацията, ниската консумация на енергия и мащабируемостта на процеса правят нискочестотната ултразвук с висока мощност ефективен метод за обработка на течности.

Принцип на работа и използване на ултразвукова обработка

Ултразвукът е търговска технология за обработка, която е възприета от много индустрии за широкомащабно производство. Високата надеждност и мащабируемост, както и ниските разходи за поддръжка и високата енергийна ефективност правят ултразвуковите процесори добра алтернатива на традиционното оборудване за обработка на течности. Ултразвукът предлага допълнителни вълнуващи възможности: кавитацията – основният ултразвуков ефект – дава уникални резултати в биологичните, химичните и физичните процеси. Например, ултразвуковата дисперсия и емулгиране лесно произвеждат стабилни наноразмерни формулировки. Също така в областта на ботаническата екстракция ултразвукът е нетермична техника за изолиране на биоактивни съединения.

Докато нискоинтензивният или високочестотен ултразвук се използва главно за анализ, безразрушително изпитване и изобразяване, ултразвукът с висока интензивност се използва за обработка на течности и пасти, където интензивните ултразвукови вълни се използват за смесване, емулгиране, диспергиране и деагломерация, разпадане на клетки или деактивиране на ензими. При ултразвук на течности с висок интензитет, звуковите вълни се разпространяват през течната среда. Това води до редуващи се цикли с високо налягане (компресия) и ниско налягане (разреждане), като скоростите зависят от честотата. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висока интензивност създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да абсорбират енергия, те се срутват силно по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича кавитация. По време на имплозията се достигат много високи температури (около 5000 К) и налягания (около 2000 атм). Имплозията на кавитационния мехур също води до течни струи със скорост до 280 метра в секунда.

Ултразвуковата кавитация в течности може да причини бърза и пълна дегазация; иницииране на различни химични реакции чрез генериране на свободни химични йони (радикали); ускоряват химичните реакции чрез улесняване на смесването на реагенти; подобряване на реакциите на полимеризация и деполимеризация чрез диспергиране на агрегати или чрез трайно разрушаване на химични връзки в полимерни вериги; увеличаване на скоростта на емулгиране; подобряване на скоростта на дифузия; произвеждат силно концентрирани емулсии или равномерни дисперсии от материали с микронни или наноразмери; подпомагат извличането на вещества като ензими от животински, растителни, дрожди или бактериални клетки; премахване на вируси от заразена тъкан; и накрая, ерозия и разграждане на чувствителни частици, включително микроорганизми. (срв. Kuldiloke 2002)

Ултразвукът с висока интензивност предизвиква силно разбъркване в течности с нисък вискозитет, които могат да се използват за разпръскване на материали в течности. (срв. Ensminger, 1988) На границите течност/твърдо вещество или газ/твърдо вещество асиметричната имплозия на кавитационните мехурчета може да причини екстремни турбуленции, които намаляват граничния слой на дифузията, увеличават конвекционния пренос на маса и значително ускоряват дифузията в системи, където обикновеното смесване не е възможно. (срв. Ниборг, 1965)

Литература