Ултразвукова кавитация в течности
Ултразвуковите вълни на ултразвук с висока интензивност генерират акустична кавитация в течности. Кавитацията причинява екстремни ефекти на местно ниво, като течни струи до 1000 км/ч, налягане до 2000 атм и температури до 5000 Келвина. Тези ултразвуково генерирани сили се използват за множество приложения за обработка на течности като хомогенизация, диспергиране, емулгиране, екстракция, разрушаване на клетките, както и интензификация на химичните реакции.
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.

Ултразвукови апарати тип сонда като UP400St използвайте принципа на работа на акустичната кавитация.

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.
Основни приложения на ултразвуковите апарати, използващи акустична 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
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.
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
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 |
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.