Ултразвукова кавитация в течности
Ултразвуковата кавитация е движещата сила на обработката на течности с ултразвук с висок интензитет. Когато мощен ултразвук се предава в течност, се образуват микроскопични мехурчета от пари, които нарастват и се свиват рязко. Тази акустична кавитация създава интензивни локални сили на срязване, микроструи, ударни вълни, промени в налягането и ефекти на микросмесване, които могат да ускорят хомогенизацията, диспергирането, емулгирането, екстракцията, дегазирането, разрушаването на клетките и сонохимичните реакции.
Ултразвуковите апарати със сонда на Hielscher използват контролирана акустична кавитация, за да предават ултразвукова енергия директно в течности, суспензии и шламове. От малки лабораторни проби до непрекъснато промишлено производство в проточен режим, системите на Hielscher ви позволяват да регулирате амплитудата, геометрията на сонотрода, налягането, температурата, дебита и времето на престой за възпроизводими резултати от кавитацията.
- За лаборатории: разработвайте и оптимизирайте параметрите на ултразвуковата обработка в малки обеми.
- За пилотни инсталации: валидирайте процеси, задвижвани от кавитация, при реалистични условия на обработка.
- За производство: мащабирайте ултразвуковата кавитация за партидни процеси, процеси с рециркулация или непрекъснати процеси в производствената линия.
Посочете ни течността, обема на партидата или дебита, вискозитета, съдържанието на твърди вещества, температурните ограничения и целевия резултат от процеса. Ще препоръчаме оптималната конфигурация на ултразвуков апарат, сонотрод и проточна клетка за вашето приложение с кавитация.
Ултразвуковите апарати със сонда, като UP400St, използват принципа на действие на акустичната кавитация.
Принцип на действие на ултразвуковата кавитация
При ултразвукова обработка на течности с висок интензитет звуковите вълни, които се разпространяват в течната среда, водят до редуващи се цикли на високо налягане (свиване) и ниско налягане (разреждане), като честотата на повторението им зависи от честотата на звука. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висок интензитет създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да поглъщат енергия, те се свиват рязко по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича кавитация. По време на имплозията локално се достигат много високи температури (прибл. 5 000K) и налягания (прибл. 2 000atm). Имплозията на кавитационното мехурче също води до образуване на течни струи със скорост до 280m/s.
Акустичната кавитация (генерирана от мощен ултразвук) създава локално екстремни условия, така наречените сономеханични и сонохимични ефекти. Благодарение на тези ефекти ултразвуковата обработка подпомага химични реакции, водещи до по-високи добиви, по-висока скорост на реакцията, нови реакционни пътища и подобрена обща ефективност.
Ултразвуков апарат със сонда или ултразвукова вана: кой метод на кавитация е подходящ?
Ултразвуковите апарати със сонда и ултразвуковите вани генерират акустична кавитация, но се различават значително по интензитет, контрол и надеждност на процеса. Докато ултразвуковите вани са полезни за почистване, ултразвуковите апарати със сонда предават ултразвукова енергия директно в течността и създават много по-силна, фокусирана кавитационна зона. Това прави ултразвуковите апарати със сонда предпочитания избор за приложения за обработка на течности с възпроизводими резултати, като хомогенизация, емулгиране, екстракция, разрушаване на клетките, диспергиране на наночастици и сонохимични реакции.
| Критерии за сравнение | Ултразвуков апарат със сонда | Ултразвукова вана |
|---|---|---|
| Интензитет на кавитацията | Генерира акустична кавитация с висок интензитет директно на върха на сонотрода. | Генерира по-слаба кавитация, разпределена в обема на ваната. |
| Предаване на енергия | Предава ултразвукова енергия директно в течността, суспензията или шлама. | Предава енергия индиректно през течността във ваната и стената на съда. |
| Контрол на процеса | Позволява прецизно регулиране на амплитудата, подаваната мощност, импулсния режим, температурата и времето на обработка. | Предлага ограничен контрол върху действителната ултразвукова енергия, достигаща до пробата. |
| Възпроизводимост | Осигурява възпроизводими резултати от ултразвуковата обработка, когато параметрите на процеса са определени и се наблюдават. | Резултатите могат да варират поради неравномерно разпределение на кавитацията, позицията на съда, материала на съда, нивото на запълване и натоварването на ваната. |
| Ефективност на обработката | Високоефективен за хомогенизация, диспергиране, емулгиране, екстракция, разрушаване на клетките и сонохимия. | Подходяща главно 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 множество контейнери, поставени във ваната. |
| Мащабиране | Може да се мащабира от лабораторни тестове до пилотни изпитвания и непрекъсната промишлена обработка в производствената линия. | Трудно се мащабира надеждно, тъй като разпределението на енергията и интензитетът на кавитацията не се пренасят лесно към друг мащаб. |
| Подходящи среди | Ефективен за течности, емулсии, суспензии, шламове и състави с високо съдържание на твърди вещества. | Най-подходяща за течности с нисък вискозитет и прости задачи за почистване или дегазиране. |
| Типични приложения | Диспергиране на наночастици, наноемулсии, екстракция, клетъчен лизис, хомогенизация, деагломерация, мокро смилане и сонохимични реакции. | Почистване на стъклени съдове, дегазиране на течности, разтваряне на прахове и леко разбъркване на проби. |
| Най-добър избор за | Контролирана, мощна и възпроизводима ултразвукова обработка на течности. | Просто почистване или ултразвукова обработка с нисък интензитет. |
Основни приложения на ултразвуковите апарати и акустичната кавитация
Ултразвуковите апарати със сонда, известни също като ултразвукови сонди, ефективно генерират интензивна акустична кавитация в течности. Затова те се използват широко в разнообразни приложения в различни индустрии. Някои от най-важните приложения на акустичната кавитация, генерирана от ултразвукови апарати със сонда, включват:
- Хомогенизация: Ултразвуковите сонди могат да генерират интензивна кавитация, която се характеризира като поле с висока енергийна плътност, вибрации и сили на срязване. Тези сили осигуряват отлично смесване, разбъркване и намаляване на размера на частиците. Ултразвуковата хомогенизация произвежда равномерно смесени суспензии. Затова ултразвуковата обработка се използва за получаване на хомогенна колоидна суспензия с тесни криви на разпределение.
- Диспергиране на наночастици: Ултразвуковите апарати се използват за диспергиране, деагломерация и мокро смилане на наночастици. Нискочестотните ултразвукови вълни могат да генерират кавитация със силно въздействие, която разрушава агломератите и намалява размера на частиците. По-специално, силното срязване от течните струи ускорява частиците в течността, които се сблъскват една с друга (междучастични сблъсъци), вследствие на което частиците се раздробяват и ерозират. Това води до равномерно и стабилно разпределение на частиците, което предотвратява утаяването. Това е от решаващо значение в различни области, включително нанотехнологиите, материалознанието и фармацевтиката.
- Емулгиране и смесване: Ултразвуковите апарати със сонда се използват за създаване на емулсии и смесване на течности. Ултразвуковата енергия предизвиква кавитация, образуването и колапса на микроскопични мехурчета, което генерира интензивни локални сили на срязване. Този процес подпомага емулгирането на несмесващи се течности, като произвежда стабилни и фино диспергирани емулсии.
- Екстракция: Благодарение на кавитационните сили на срязване ултразвуковите апарати са високоефективни при разрушаването на клетъчни структури и подобряването на масообмена между твърдата и течната фаза. Затова ултразвуковата екстракция се използва широко за освобождаване на вътреклетъчен материал, като биоактивни съединения, за производството на висококачествени растителни екстракти.
- Дегазиране и деаериране: Ултразвуковите апарати със сонда се използват за отстраняване на газови мехурчета или разтворени газове от течности. Прилагането на ултразвукова кавитация подпомага сливането на газовите мехурчета, така че те нарастват и изплуват на повърхността на течността. Ултразвуковата кавитация прави дегазирането бърза и ефективна процедура. Това е ценно в различни индустрии, например при бои, хидравлични течности или преработка на храни и напитки, където наличието на газове може да повлияе отрицателно върху качеството и стабилността на продукта.
- Сонокатализа: Ултразвуковите сонди могат да се използват за сонокатализа – процес, който съчетава акустична кавитация с катализатори за усилване на химичните реакции. Кавитацията, генерирана от ултразвуковите вълни, подобрява масообмена, увеличава скоростите на реакциите и подпомага образуването на свободни радикали, което води до по-ефективни и селективни химични превръщания.
- Подготовка на проби: Ултразвуковите апарати със сонда се използват често в лаборатории за подготовка на проби. Те се използват за хомогенизация, дезагрегация и екстракция на биологични проби, като клетки, тъкани и вируси. Ултразвуковата енергия, генерирана от сондата, разрушава клетъчните мембрани, освобождава клетъчното съдържание и улеснява последващия анализ.
- Дезинтеграция и разрушаване на клетките: Ултразвуковите апарати със сонда се използват за дезинтеграция и разрушаване на клетки и тъкани за различни цели, като екстракция на вътреклетъчни компоненти, микробна инактивация или подготовка на проби за анализ. Ултразвуковите вълни с висок интензитет и генерираната от тях кавитация предизвикват механично напрежение и сили на срязване, което води до дезинтеграция на клетъчните структури. В биологичните изследвания и медицинската диагностика ултразвуковите апарати със сонда се използват за клетъчен лизис – процес на разрушаване на клетките с цел освобождаване на техните вътреклетъчни компоненти. Ултразвуковата енергия разрушава клетъчните стени, мембраните и органелите, което позволява екстракцията на протеини, ДНК, РНК и други клетъчни съставки.
Това са някои от основните приложения на ултразвуковите апарати със сонда, но технологията има още по-широк спектър от други употреби, включително сонохимия, намаляване на размера на частиците (мокро смилане), синтез на частици по подхода „отдолу нагоре“ и ултразвуков синтез на химични вещества и материали в различни индустрии, като фармацевтика, преработка на храни, биотехнологии и науки за околната среда.
Високоскоростна поредица от кадри (от a до f), илюстрираща сономеханично ексфолиране на графитна люспа във вода с помощта на UP200S, ултразвуков апарат с мощност 200W и 3-mm сонотрод. Стрелките показват мястото на разцепване на частиците, като кавитационни мехурчета проникват в цепнатината.
© Tyurnina et al. 2020
Възползвайте се от ултразвуковата кавитация!
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000 |
Видео на акустична кавитация в течност
Следващото видео демонстрира акустична кавитация при каскатрода Cascatrode на ултразвуковия апарат UIP1000hdT в стъклена колона, напълнена с вода. Стъклената колона е осветена отдолу с червена светлина, за да се подобри визуализацията на кавитационните мехурчета.
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори за приложения за смесване, диспергиране, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.
Често задавани въпроси
Какво представлява ултразвуковата кавитация?
Ултразвуковата кавитация е образуването, нарастването и резкият колапс на микроскопични мехурчета в течност, изложена на ултразвук с висок интензитет. Колапсът на тези мехурчета създава интензивно локално срязване, течни микроструи, ударни вълни, големи градиенти на налягането и силни ефекти на микросмесване.
Каква е разликата между ултразвуковата кавитация и акустичната кавитация?
Акустична кавитация е общият термин за кавитация, причинена от звукови вълни. Ултразвуковата кавитация е акустична кавитация, генерирана при ултразвукови честоти, обикновено над чуваемия диапазон. При промишлената обработка на течности двата термина често се използват за кавитация, генерирана от ултразвукови апарати с висока мощност.
Как ултразвуковата кавитация подобрява обработката на течности?
Ултразвуковата кавитация подобрява обработката на течности, като създава интензивни механични и химични ефекти вътре в течността. Механичните ефекти подпомагат смесването, хомогенизацията, емулгирането, деагломерацията на частици, мокрото смилане, екстракцията и разрушаването на клетките. В реакционни системи кавитацията може също да подпомага сонохимични ефекти и да подобрява масообмена.
Кои приложения използват ултразвукова кавитация?
Ултразвуковата кавитация се използва за хомогенизация, диспергиране, емулгиране, наноемулгиране, екстракция, дегазиране, деагломерация, намаляване на размера на частиците, клетъчен лизис, разрушаване на микроорганизми, сонохимия, сонокатализа и усъвършенствани 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 интензивна кавитационна зона близо до повърхността на сондата и позволява прецизно регулиране на важни параметри на процеса, като амплитуда, подавана мощност, температура, налягане и време на обработка.
Подходяща ли е ултразвуковата вана за силна кавитация?
Ултразвуковите вани генерират кавитация, но енергийната плътност обикновено е много по-ниска и по-слабо фокусирана, отколкото при ултразвуков апарат със сонда. Ваните са полезни за почистване и лека обработка, докато ултразвуковите апарати със сонда са предпочитани за възпроизводима хомогенизация, екстракция, емулгиране, диспергиране, разрушаване на клетките и промишлена обработка на течности.
Прочетете и вижте във видео как се различават ултразвуковите апарати със сонда и ултразвуковите вани!
Кои параметри влияят върху интензитета на ултразвуковата кавитация?
Важните параметри включват амплитуда, ултразвукова мощност, площ на повърхността на сонотрода, обем на течността, вискозитет, съдържание на твърди вещества, налягане, температура, геометрия на съда, геометрия на проточната клетка, дебит и време на престой. Регулирането на тези параметри позволява интензитетът на кавитацията да се адаптира към целта на процеса.
Може ли ултразвуковата кавитация да се мащабира от лабораторията до производството?
Да. Процесите с ултразвукова кавитация могат да се разработват в лабораторни обеми и да се пренасят в пилотен или промишлен мащаб чрез контролиране на амплитудата, подаваната енергия, геометрията на сонотрода, дебита и времето на престой. Hielscher предлага ултразвукови апарати и реактори за лабораторни тестове, пилотни изпитвания и непрекъснато промишлено производство.
Литература / Източници
- 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 високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори с размери от лабораторни до промишлени.