Ultrasonication е механичен метод за обработка, който създава акустична кавитация и силно интензивни физически сили. Следователно, ултразвук се използва за множество приложения като смесване, хомогенизиране, фрезоване, дисперсия, емулгиране, екстракция, дегазация и соно-химични реакции.
По-долу ще научите всичко за типичните ултразвукови приложения и процеси.

Ултразвукова хомогенизиране

Ултразвуковите хомогенизатори намаляват малките частици в течност за подобряване на еднаквостта и стабилността на дисперсията. Частиците (дисперсна фаза) могат да бъдат твърди вещества или течни капчици, окачени в течна фаза. Ултразвуковото хомогенизиране е много ефективно за намаляване на меките и твърди частици. Hielscher произвежда ултразвукови средства за хомогенизация на всеки течен обем и за партидна или инлайн обработка. Лабораторни ултразвукови устройства могат да се използват за обеми от 1.5mL до приблизително 4L. Ултразвуковите промишлени устройства могат да обработват партиди от 0.5 до приблизително 2000L или дебити от 0.1L до 20 кубически метра в час в развитието на процеса и в търговското производство.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвукова хомогенизиране!

Ултразвукова разпръскване и агломерати

Дисперсията и деагломерацията на твърди вещества в течности е важно приложение на ultrasonicators тип сонда. Ултразвукова / акустична кавитация генерира високи сили на срязване, които разбиват агломератите на частиците на индивидуални, единични диспергирани частици. Смесването на прахове в течности е често срещана стъпка във формулирането на различни продукти, като боя, лак, козметични продукти, храни и напитки, или полиране на медии. Отделните частици се държат заедно чрез атракционни сили с различен физически и химичен характер, включително ван-дер-Waals-сили и течно повърхностно напрежение. Ultrasonication преодолява тези атракционни сили, за да деагломерира и разпръсне частиците в течни носители. За разпръскването и деагломерацията на праховете в течности ултразвукът с висок интензитет е интересна алтернатива на хомогенизаторите с високо налягане, смесителите с високо срязване, мелниците за топчета или ротор-статор-миксери.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвукова разпръскване и агломерати!

Ултразвукова емулгиране

Широка гама от междинни и потребителски продукти, като козметика и кожни лосиони, фармацевтични мехлеми, лакове, бои и смазочни материали и горива се основават изцяло или частично на емулсии. Емулсиите са дисперсии на две или повече немисивни течни фази. Силно интензивен ултразвук доставя достатъчно интензивно срязване, за да разпръсне течна фаза (дисперсна фаза) в малки капчици във втора фаза (непрекъсната фаза). В разпръскващата се зона, имплодиращите кавитационни мехурчета предизвикват интензивни ударни вълни в околната течност и водят до образуване на течни струи с висока течна скорост (високо срязване). Ултразвукът може да бъде прецизно адаптиран към целевия размер на емулсията, позволяващ по този начин за надеждно производство на микро-емулсии и нано-емулсии.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвукова емулгиране!

Ултразвуков Wet-шлифовъчни

Ultrasonication е ефективно средство за мокро-фрезоване и микро-смилане на частици. По-специално за производството на суперфиненоразмерни шламове, ултразвукът има много предимства. Тя превъзхожда традиционното оборудване за намаляване на размера, като например: колоидни мелници (напр. мелници за топки, мелници за топчета), дискови мелници или струйни мелници. Ultrasonication може да обработва шламове с висока концентрация и висок вискозитет – следователно намаляване на обема, който трябва да се обработва. Разбира се, ултразвуковото фрезоване е подходящо за обработка на микроразмерни и наноразмерни материали, като керамика, пигменти, бариев сулфат, калциев карбонат или метални оксиди. Особено когато става въпрос за нано-материали, ultrasonication превъзхожда в производителността, тъй като силно въздействащите му сили на срязване създават равномерно малки наночастици.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвукова мокро смилане и микро-смилане!

Изсушен на спрей TiO2 преди и след ултразвуково фрезоване

Ултразвукова клетъчна деинтеграция и лизис

Ултразвукова обработка може да разпадне влакнести, целулозни материали в фини частици и да се счупят стените на клетъчната структура. Това освобождава повече от вътрешноклетъчния материал, като нишесте или захар в течността. Този ефект може да се използва за ферментация, храносмилане и други процеси на преобразуване на органична материя. След фрезоване и смилане, ultrasonication прави повече от вътрешноклетъчния материал, например нишесте, както и остатъците от клетъчната стена, налични 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 дрожди ферментация и други процеси на преобразуване, например за увеличаване на производството на етанол от биомаса.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвукова разпадане на клетъчните структури!

ултразвукова екстракция на растителни продукти

Извличането на биоактивни съединения, съхранявани в клетки и субклетъчни частици, е широко използвано приложение на ултразвук с висока интензивност. Ултразвукова екстракция се използва за изолиране на вторични метаболити (например, полифеноли), полизахариди, протеини, етерични масла и други активни съставки от клетъчната матрица на растения и гъбички. Подходящ за екстракция с вода и разтворител на органични съединения, ултразвук подобрява добива на растителни продукти, съдържащи се в растенията или семената значително. Ултразвукова екстракция се използва за производството на фармацевтични продукти, хранителни добавки / хранителни добавки, аромати и биологични добавки. Ултразвукът е зелена техника за екстракция, използвана и за извличане на биоактивни компоненти в биорафинерии, например освобождаване на ценни съединения от неизползвани потоци от странични продукти, образувани в промишлени процеси. Ultrasonication е високоефективна технология за ботаническа екстракция в лаборатория и производствен мащаб.
Кликнете тук за повече информация за ултразвукова екстракция!

Sonochemical Прилагане на Ultrasonics

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

Ултразвукова трансестерификация масло за биодизел

Ultrasonication увеличава скоростта на химическа реакция и добива на трансестерификацията на растителни масла и животински мазнини в биодизел. Това позволява промяна на производството от партидна обработка към непрекъсната обработка на потока и тя намалява инвестиционните и оперативните разходи. Едно от основните предимства на ултразвуковото производство на биодизел е използването на отработени масла като отработени масла за готвене и други некачествени нефтени източници. Ултразвуковата трансестерификация може да преобразува дори нискокачествения фуражен сток в висококачествен биодизел (метилов естер на мастни киселини / СЛАВА). Производството на биодизел от растителни масла или животински мазнини, включва катализираната в основата трансестерификация на мастни киселини с метанол или етанол, за да се придадат съответните метилови естери или етилови естери. Ultrasonication може да постигне добив на биодизел, надвишаващ 99%. Ултразвукът намалява значително времето за обработка и времето за разделяне.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвука подпомага трансестерификация на масло в биодизел!

Ултразвуково обезгазяване и де-аериране на течности

Обезгазяването на течности е друго важно приложение на ултразвукови апарати тип сонда. Ултразвуковите вибрации и кавитация причиняват коалесценцията на разтворените газове в течност. Като минута газови мехурчета coalesce, те образуват по този начин по-големи мехурчета, които плават бързо към горната повърхност на течността от там те могат да бъдат отстранени. По този начин ултразвуковото обезгазяване и деаерацията могат да намалят нивото на разтворения газ под естественото ниво на равновесие.
Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвукова дегазация на течности!

Ултразвукова Жици, кабели и Газа Почистване

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 материалната повърхност. Hielscher Ultrasonics предлага различни ултразвукови системи за инлайн почистване на непрекъснати профили.
Кликнете тук за повече информация за ултразвуково почистване на непрекъснати профили!

Какво прави Sonication превъзходен метод за обработка?

Sonication, или използването на високочестотни звукови вълни за разбъркване на течности, е ефективен метод за обработка по различни причини. Ето някои причини, поради които ултразвук при висока интензивност и ниска честота на прибл. 20kHz е особено въздействащо и изгодно за обработката на течности и суспензии:

1. Кавитация: Един от основните механизми на ултразвук е създаването и колапса на малки мехурчета, явление, наречено кавитация. При 20kHz звуковите вълни са на правилната честота, за да създават и свиват мехурчета ефективно. Колапсът на тези мехурчета произвежда високоенергийни ударни вълни, които могат да разрушат частиците и да разрушат клетките в течността, която се обработва с ултразвук.
2. Трептене и вибрации: Освен генерираната акустична кавитация, трептенето на ултразвуковата сонда създава допълнително разбъркване и смесване в течността, като по този начин насърчава масовия трансфер и / или дегазацията.
3. Проникване: Звуковите вълни при 20kHz имат сравнително дълга дължина на вълната, което им позволява да проникнат дълбоко в течности. Ултразвукова кавитация е локализира явление, което се появява в обкръжението на ултразвуковата сонда. С увеличаване на разстоянието до сондата, интензивността на кавитация намалява. Въпреки това, ултразвук при 20kHz може ефективно да третира по-големи обеми течност, в сравнение с по-висока честота ултразвук, който има по-къси дължини на вълните и може да бъде по-ограничен в дълбочината на проникване.
4. Ниска консумация на енергия: Sonication може да се осъществи с относително ниска консумация на енергия в сравнение с други методи за 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 линейни до по-големи или по-малки обеми. Това прави адаптациите на процесите в производството надеждни, тъй като качеството на продукта може да се поддържа непрекъснато стабилно.
6. Партиден и вграден поток: Ultrasonication може да се извърши като партида или като непрекъснати вградени процеси. За ултразвук на партиди, ултразвуковата сонда се вкарва в отворения съд или затворен партиден реактор. За ултразвук на непрекъснат поток поток, ултразвуков поток клетка е инсталиран. Течната среда преминава издатината (ултразвуково вибрираща пръчка) в еднократно преминаване или рециркулация и е силно равномерна и ефективна изложена на ултразвукови вълни.

Като цяло, интензивните сили на кавитация, ниска консумация на енергия и мащабируемост на процеса правят нискочестотната обработка с ултразвук с висока мощност ефективен метод за обработка на течности.

Работен принцип и използване на ултразвукова обработка

Ultrasonication е търговска технология за обработка, която е приета от множество индустрии за производство в голям мащаб. Висока надеждност и люспестост, както и ниски разходи за поддръжка и висока енергийна ефективност правят ултразвуковите процесори добра алтернатива за традиционно оборудване за обработка на течности. Ултразвукът предлага допълнителни вълнуващи възможности: Кавитация – основният ултразвуков ефект – дава уникални резултати в биологични, химични и физически процеси. Например ултразвуковата дисперсия и емулгификация лесно произвежда стабилни наноразмерни формулировки. Също така в областта на ботаническата екстракция ултразвукът е нетермална техника за изолиране на биоактивни съединения.

Докато нискоинтензивният или високочестотният ултразвук се използва главно за анализ, За обработка на течности и пасти се използва неразрушително тестване и образно изобразяване, ултразвук с висок интензитет, където се използват интензивни ултразвукови вълни за смесване, емулгиране, диспергиране и деагломерация, разпадане на клетките или дезактивиране на ензими. При ултразвукови течности с високи интензитети звуковите вълни се разпространяват през течния носител. Това води до редуващи се цикли с високо налягане (компресия) и ниско налягане (рядкост), като процентите 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 получат обем, при който вече не могат да абсорбират енергия, те се срутват бурно по време на цикъл с високо налягане. Това явление се нарича кавитация. По време на имплозията много високи температури (прибл. 5000K) и наляганията (прибл. 2000atm) се достигат локално. Имплозията на кавитационния балон води и до течни струи до 280 метра в секунда скорост.

Ултразвукова кавитация в течности може да предизвика бързо и пълно обезгазяване; инициират различни химични реакции чрез генериране на свободни химически йони (радикали); ускоряват химичните реакции, като улесняват смесването на реактори; засилват реакциите на полимеризация и деполимеризация чрез разпръскване на агрегати или чрез трайно разбиване на химически връзки в полимерни вериги; увеличаване на процентите на емулгация; подобряване на процентите на дифузия; произвеждат силно концентрирани емулсии или еднакви дисперсии на материали с микрон размер или наноразмер; подпомага извличането на вещества като ензими от животински, растителни, дрожди, или бактериални клетки; премахване на вируси от заразена тъкан; и накрая, ерозиране и разграждане на възприемчиви частици, включително микроорганизми. (срв. Кулдилоке 2002)

Ултразвукът с висока интензивност произвежда буйно възбуда в течности с нисък вискозитет, които могат да се използват за разпръсване на материали в течности. (срв. Енсмингер, 1988 г.) При течни/твърди или газови/твърди интерфейси асиметричната имплозия на кавитационните мехурчета може да предизвика екстремни турбуленции, които намаляват дифузионния метричен слой, увеличават трансфера на конвекция маса и значително ускоряват дифузията в системи, където обикновеното смесване не е възможно. (срв. Ниборг, 1965)

литература