Ултразвукова кавитация в течности
Ултразвуковата кавитация е движещата сила зад високоинтензивната ултразвукова обработка на течности. Когато мощен ултразвук се съчетае с течност, се образуват микроскопични парови мехурчета, които растат и се разпадат бурно. Тази акустична кавитация създава интензивни локални срязващи сили, микроструи, ударни вълни, промени в налягането и ефекти на микросмесване, които могат да ускорят хомогенизирането, диспергирането, емулгирането, екстракцията, дегазирането, разрушаването на клетките и сонохимичните реакции.
Ултразвуковите апарати с сонда на Hielscher използват контролирана акустична кавитация за пренос на ултразвукова енергия директно в течности, суспензии и каши. От малки лабораторни проби до непрекъснато промишлено производство с променлив поток, системите на Hielscher ви позволяват да регулирате амплитудата, геометрията на сонотрода, налягането, температурата, дебита и времето на престой, за да постигнете възпроизводими резултати при кавитацията.
- За лаборатории: да разработват и оптимизират параметрите на ултразвуковата обработка при малки обеми.
- За пилотни инсталации: да се валидират процеси, основани на кавитация, при реалистични производствени условия.
- За производство: прилагане на ултразвукова кавитация в периодични, рециркулационни или непрекъснати инлайн процеси.
Посочете ни вида на течността, обема на партидата или дебита, вискозитета, съдържанието на твърди частици, температурните граници и желания резултат от процеса. Ние ще Ви препоръчаме оптималната конфигурация на ултразвуков апарат, сонотрод и проточна клетка за Вашето приложение с кавитация.
Ултразвукови апарати със сонда, като например UP400St използвайте принципа на работа на акустичната кавитация.
Принципът на работа на ултразвуковата кавитация
При ултразвук на течности с висок интензитет, звуковите вълни, които се разпространяват в течната среда, водят до редуващи се цикли на високо налягане (компресия) и ниско налягане (разреждане), със скорости, зависещи 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 m/s.
Акустичната кавитация (генерирана от мощен ултразвук) създава локално екстремни условия, така наречените сономеханични и сонохимични ефекти. Поради тези ефекти ултразвукът насърчава химичните реакции, водещи до по-високи добиви, по-бърза скорост на реакцията, нови пътища и подобрена обща ефективност.
Ултразвуков соник или ултразвукова вана: кой метод на кавитация е по-подходящ?
Както сондите за ултразвукова обработка, така и ултразвуковите вани предизвикват акустична кавитация, но се различават значително по интензивност, контрол и надеждност на процеса. Докато ултразвуковите вани са полезни за почистване, соникаторите със сонди вкарват ултразвуковата енергия директно в течността и създават много по-силна, фокусирана зона на кавитация. Това прави соникаторите със сонди предпочитания избор за приложения за обработка на течности, изискващи възпроизводимост, като хомогенизация, емулгиране, екстракция, разрушаване на клетки, дисперсия на наночастици и сонохимични реакции.
| Критерии за сравнение | сонда-соникатор | ултразвукова вана |
|---|---|---|
| интензивност на кавитацията | Създава акустична кавитация с висока интензивност директно на върха на сонотрода. | Причинява по-слаба кавитация, разпределена в целия обем на ваната. |
| Пренос на енергия | Предава ултразвукова енергия директно в течността, суспензията или кашата. | Предава енергията косвено чрез течността във ваната и стената на съда. |
| Контрол на процеса | Позволява прецизно регулиране на амплитудата, входната мощност, импулсния режим, температурата и времето за обработка. | Осигурява ограничен контрол върху действителната ултразвукова енергия, достигаща пробата. |
| Възпроизводимост | Осигурява възпроизводими резултати от ултразвуковата обработка, когато параметрите на процеса са определени и се контролират. | Резултатите могат да варират в зависимост от неравномерното разпределение на кавитацията, положението на съда, материала, от който е изработен, нивото на пълнене и натоварването на ваната. |
| Ефективност на обработката | Изключително ефективен за хомогенизиране, диспергиране, емулгиране, екстракция, разрушаване на клетки и сонохимия. | Подходящ предимно за почистване. |
| Обем на пробата | Предлага се както за малки лабораторни проби, така и за пилотни и промишлени обеми. | Обикновено се използва за малки съдове или за няколко контейнера, поставени във ваната. |
| Мащабиране | Може да се приложи както при лабораторни тестове, така и при пилотни изпитания и непрекъсната промишлена линейна обработка. | Трудно е да се постигне надеждно мащабиране, тъй като разпределението на енергията и интензивността на кавитацията не се пренасят лесно. |
| Подходящи носители | Подходящ за течности, емулсии, суспензии, каши и препарати с високо съдържание на твърди вещества. | Най-подходящ за течности с ниска вискозитет и за прости задачи по почистване или обезгазяване. |
| Типични приложения | Дисперсия на наночастици, наноемулсии, екстракция, лизис на клетки, хомогенизация, деагломерация, мокро смилане и сонохимични реакции. | Почистване на стъклени съдове, обезгазяване на течности, разтваряне на прахове и леко разбъркване на проби. |
| Най-добрият избор за | Контролирана, мощна и възпроизводима обработка на течности с ултразвук. | Обикновено почистване или ултразвукова обработка с ниска интензивност. |
Основни приложения на соникаторите и акустичната кавитация
Ултразвукови сонди, известни още като ултразвукови сонди, ефективно генерират интензивна акустична кавитация в течности. Поради това те се използват широко в различни приложения в различни индустрии. Някои от най-важните приложения на акустичната кавитация, генерирана от ултразвукови уреди тип сонда, включват:
- Хомогенизиране: Ултразвуковите сонди могат да генерират интензивна кавитация, която се характеризира като енергийно плътно поле от вибрации и сили на срязване. Тези сили осигуряват отлично смесване, смесване и намаляване на размера на частиците. Ултразвуковата хомогенизация произвежда равномерно смесени суспензии. Следователно ултразвукът се използва за получаване на хомогенна колоидна суспензия с тесни криви на разпределение.
- Дисперсия на наночастици: Ултразвуковите апарати се използват за дисперсия, деагломерация и мокро смилане на наночастици. Нискочестотните ултразвукови вълни могат да генерират въздействаща кавитация, която разгражда агломератите и намалява размера на частиците. По-специално, силното срязване на течните струи ускорява частиците в течността, които се сблъскват помежду си (сблъсък на частици), така че частиците впоследствие се счупват и ерозират. Това води до равномерно и стабилно разпределение на частиците, предотвратявайки утаяването. Това е от решаващо значение в различни области, включително нанотехнологии, материалознание и фармацевтика.
- Емулгиране и смесване: Ултразвуковите апарати тип сонда се използват за създаване на емулсии и смесване на течности. Ултразвуковата енергия причинява кавитация, образуване и колапс на микроскопични мехурчета, което генерира интензивни локални сили на срязване. Този процес подпомага емулгирането на несмесващи се течности, произвеждайки стабилни и фино диспергирани емулсии.
- Екстракция: Поради кавитационните сили на срязване, ултразвуковите апарати са високоефективни при разрушаване на клетъчните структури и за подобряване на преноса на маса между твърдо и течно. Поради това ултразвуковата екстракция се използва широко за освобождаване на вътреклетъчен материал като биоактивни съединения за производството на висококачествени ботанически екстракти.
- Дегазация и деаерация: Ултразвуковите апарати тип сонда се използват за отстраняване на газови мехурчета или разтворени газове от течности. Прилагането на ултразвукова кавитация насърчава сливането на газови мехурчета, така че те да растат и да плуват до върха на течността. Ултразвуковата кавитация прави дегазацията бърза и ефективна процедура. Това е ценно в различни индустрии, като бои, хидравлични течности или преработка на храни и напитки, където наличието на газове може да повлияе негативно на качеството и стабилността на продукта.
- Сонокатализа: Ултразвуковите сонди могат да се използват за сонокатализа, процес, който комбинира акустична кавитация с катализатори за подобряване на химичните реакции. Кавитацията, генерирана от ултразвукови вълни, подобрява преноса на маса, увеличава скоростта на реакцията и насърчава производството на свободни радикали, което води до по-ефективни и селективни химични трансформации.
- Подготовка на пробата: Ултразвуковите ултразвукови апарати тип сонда обикновено се използват в лаборатории за подготовка на проби. Те се използват за хомогенизиране, дезагрегиране и извличане на биологични проби, като клетки, тъкани и вируси. Ултразвуковата енергия, генерирана от сондата, разрушава клетъчните мембрани, освобождавайки клетъчното съдържание и улеснявайки по-нататъшния анализ.
- Дезинтеграция и клетъчно разрушаване: Ултразвуковите апарати тип сонда се използват за разграждане и разрушаване на клетки и тъкани за различни цели, като екстракция на вътреклетъчни компоненти, микробна инактивация или подготовка на проби за анализ. Високоинтензивните ултразвукови вълни и така генерираната кавитация причиняват механично напрежение и сили на срязване, което води до разпадане на клетъчните структури. В биологичните изследвания и медицинската диагностика ултразвуковите апарати от сондов тип се използват за клетъчен лизис, процесът на разбиване на отворените клетки за освобождаване на техните вътреклетъчни компоненти. Ултразвуковата енергия разрушава клетъчните стени, мембраните и органелите, позволявайки извличането на протеини, ДНК, РНК и други клетъчни съставки.
Това са някои от ключовите приложения на ултразвуковите апарати тип сонда, но технологията има още по-широк спектър от други приложения, включително сонохимия, намаляване на размера на частиците (мокро смилане), синтез на частици отдолу нагоре и соносинтез на химични вещества и материали в различни индустрии като фармацевтика, хранително-вкусова промишленост, биотехнологии и науки за околната среда.
Високоскоростна последователност (от a до f) кадри, илюстриращи сономеханично ексфолиране на графитни люспи във вода с помощта на UP200S, 200W ултразвуков уред с 3-милиметров сонотрод. Стрелките показват мястото на разделяне на частици с кавитационни мехурчета, проникващи в цепенето.
© Tyurnina et al. 2020
Възползвайте се от предимствата на ултразвуковата кавитация!
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Видео на акустична кавитация в течност
Следващото видео демонстрира акустична кавитация при каскатрода на ултразвуковия апарат UIP1000hdT в пълна с вода стъклена колона. Стъклената колона се осветява отдолу с червена светлина, за да се подобри визуализацията на кавитационните мехурчета.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за смесване, дисперсия, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и индустриален мащаб.
Често задавани въпроси
Какво е ултразвукова кавитация?
Ултразвуковата кавитация представлява образуването, нарастването и бурното разрушаване на микроскопични мехурчета в течност, подложена на въздействието на ултразвук с висока интензивност. Разрушаването на тези мехурчета води до силно локално срязване, микроструи от течност, ударни вълни, големи градиенти на налягане и силни ефекти на микросмесване.
Каква е разликата между ултразвуковата кавитация и акустичната кавитация?
„Акустична кавитация“ е общ термин за кавитация, предизвикана от звукови вълни. „Ултразвукова кавитация“ е акустична кавитация, генерирана от ултразвукови честоти, обикновено извън обхвата на човешкото ухо. В промишлената обработка на течности и двата термина често се използват за кавитация, предизвикана от мощни ултразвукови устройства.
Как ултразвуковата кавитация подобрява обработката на течности?
Ултразвуковата кавитация подобрява обработката на течности чрез създаване на интензивни механични и химични ефекти във вътрешността на течността. Механичните ефекти подпомагат смесването, хомогенизирането, емулгирането, деагломерацията на частиците, мокрото смилане, екстракцията и разрушаването на клетките. В реактивни системи кавитацията може също да ускори сонохимичните ефекти и да подобри масообмена.
В кои приложения се използва ултразвуковата кавитация?
Ултразвуковата кавитация се използва за хомогенизиране, диспергиране, емулгиране, наноемулгиране, екстракция, дегазиране, деагломерация, намаляване на размера на частиците, лизис на клетки, разрушаване на микроорганизми, сонохимия, сонокатализа и сложни реакции в течна фаза.
Защо ултразвуковите апарати със сонда са ефективни за кавитация?
Ултразвуковите апарати със сонда предават ултразвукова енергия директно в течността чрез сонотрод. Това директно предаване на енергия създава зона на интензивна кавитация в близост до повърхността на сондата и позволява прецизно регулиране на важни технологични параметри като амплитуда, входна мощност, температура, налягане и продължителност на обработката.
Подходяща ли е ултразвуковата вана за силна кавитация?
Ултразвуковите вани предизвикват кавитация, но плътността на енергията обикновено е много по-ниска и по-малко концентрирана, отколкото при ултразвуковите апарати със сонда. Ваните са подходящи за почистване и лека обработка, докато ултразвуковите апарати със сонда се предпочитат за възпроизводима хомогенизация, екстракция, емулгиране, диспергиране, разрушаване на клетки и промишлена обработка на течности.
Прочетете и вижте какви са разликите между соникаторите със сонда и ултразвуковите вани!
Кои параметри оказват влияние върху интензивността на ултразвуковата кавитация?
Сред важните параметри са амплитудата, ултразвуковата мощност, площта на повърхността на сонотрода, обемът на течността, вискозитетът, съдържанието на твърди частици, налягането, температурата, геометрията на съда, геометрията на проточната клетка, дебитът и времето на престой. Регулирането на тези параметри позволява интензивността на кавитацията да се адаптира към целта на процеса.
Може ли ултразвуковата кавитация да се приложи от лабораторни условия към производствени?
Да. Процесите на ултразвукова кавитация могат да бъдат разработени в лабораторни условия и пренесени в пилотен или промишлен мащаб чрез регулиране на амплитудата, вложената енергия, геометрията на сонотрода, дебита и времето на престой. Hielscher предлага ултразвукови апарати и реактори за лабораторни изпитвания, пилотни тестове и непрекъснато промишлено производство.
Литература / Препратки
- 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 произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.