Ultrazvučna kavitacija u tekućinama
Ultrazvučna kavitacija je pokretačka sila ultrazvučne obrade tekućina visokog intenziteta. Kada se snažan ultrazvuk unese u tekućinu, formiraju se mikroskopski mjehurići pare koji rastu i naglo kolabiraju. Ova akustična kavitacija stvara intenzivne lokalne smične sile, mikromlazeve, udarne valove, promjene tlaka i efekte mikromiješanja koji mogu ubrzati homogenizaciju, dispergiranje, emulgiranje, ekstrakciju, odzračivanje, razgradnju ćelija i sonohemijske reakcije.
Hielscher sonikatori sa sondom koriste kontroliranu akustičnu kavitaciju za prijenos ultrazvučne energije direktno u tekućine, suspenzije i guste suspenzije. Od malih laboratorijskih uzoraka do kontinuirane industrijske proizvodnje s protokom, Hielscher sistemi omogućavaju podešavanje amplitude, geometrije sonotrode, tlaka, temperature, protoka i vremena zadržavanja za ponovljive rezultate kavitacije.
- Za laboratorije: razvijajte i optimizirajte parametre ultrazvučne obrade (sonikacije) u malim volumenima.
- Za pilot-postrojenja: validirajte procese pokretane kavitacijom u realističnim uvjetima obrade.
- Za proizvodnju: skalirajte ultrazvučnu kavitaciju na šaržne procese, procese s recirkulacijom ili kontinuirane inline procese.
Recite nam o svojoj tekućini, volumenu šarže ili protoku, viskoznosti, udjelu čvrstih tvari, temperaturnim ograničenjima i ciljnom rezultatu procesa. Preporučit ćemo optimalnu konfiguraciju sonikatora, sonotrode i protočne ćelije za vašu primjenu kavitacije.
Sonikatori sa sondom, poput modela UP400St, koriste princip rada akustične kavitacije.
Princip rada ultrazvučne kavitacije
Pri ultrazvučnoj obradi tekućina visokim intenzitetima, zvučni valovi koji se šire kroz tekući medij uzrokuju naizmjenične cikluse visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđenje), čija brzina ovisi o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka, ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dosegnu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, naglo kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ovaj fenomen naziva se kavitacija. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (oko 5.000K) i tlakovi (oko 2.000atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također rezultira tekućinskim mlazevima brzine do 280m/s.
Akustična kavitacija (nastala djelovanjem snažnog ultrazvuka) lokalno stvara ekstremne uvjete, takozvane sonomehaničke i sonohemijske efekte. Zahvaljujući tim efektima, ultrazvučna obrada potiče kemijske reakcije koje vode do većih prinosa, veće brzine reakcije, novih puteva i poboljšane ukupne učinkovitosti.
Sonikator sa sondom ili ultrazvučna kupka: Koja je metoda kavitacije prava?
Sonikatori sa sondom i ultrazvučne kupke oboje stvaraju akustičnu kavitaciju, ali se značajno razlikuju po intenzitetu, kontroli i pouzdanosti procesa. Dok su ultrazvučne kupke korisne za čišćenje, sonikatori sa sondom unose ultrazvučnu energiju direktno u tekućinu i stvaraju mnogo jaču, fokusiranu zonu kavitacije. Zbog toga su sonikatori sa sondom poželjan izbor za ponovljive primjene obrade tekućina, kao što su homogenizacija, emulgiranje, ekstrakcija, razgradnja ćelija, dispergiranje nanočestica i sonohemijske reakcije.
| Kriteriji usporedbe | Sonikator sa sondom | Ultrazvučna kupka |
|---|---|---|
| Intenzitet kavitacije | Stvara akustičnu kavitaciju visokog intenziteta direktno na vrhu sonotrode. | Stvara slabiju kavitaciju raspoređenu po volumenu kupke. |
| Prijenos energije | Prenosi ultrazvučnu energiju direktno u tekućinu, suspenziju ili gustu suspenziju. | Prenosi energiju indirektno kroz tekućinu u kupki i stijenku posude. |
| Kontrola procesa | Omogućava precizno podešavanje amplitude, unosa snage, pulsnog načina rada, temperature i vremena obrade. | Nudi ograničenu kontrolu nad stvarnom ultrazvučnom energijom koja dospijeva do uzorka. |
| Ponovljivost | Pruža ponovljive rezultate ultrazvučne obrade kada su parametri procesa definirani i nadzirani. | Rezultati mogu varirati zbog neravnomjerne raspodjele kavitacije, položaja posude, materijala posude, razine punjenja i opterećenja kupke. |
| Učinkovitost obrade | Vrlo učinkovit za homogeniziranje, dispergiranje, emulgiranje, ekstrakciju, razgradnju ćelija i sonohemiju. | Pogodna uglavnom za čišćenje. |
| Volumen uzorka | Dostupan za male laboratorijske uzorke, kao i za pilot i industrijske volumene. | Obično se koristi za male posude ili više spremnika smještenih unutar kupke. |
| Skaliranje | Može se skalirati od laboratorijskih testova do pilot-ispitivanja i kontinuirane industrijske inline obrade. | Teško se pouzdano skalira jer raspodjela energije i intenzitet kavitacije nisu lako prenosivi. |
| Pogodni mediji | Učinkovit za tekućine, emulzije, suspenzije, guste suspenzije i formulacije s visokim udjelom čvrstih tvari. | Najprikladnija za tekućine niske viskoznosti i jednostavne zadatke čišćenja ili odzračivanja. |
| Tipične primjene | Dispergiranje nanočestica, nanoemulzije, ekstrakcija, liza ćelija, homogenizacija, deaglomeracija, mokro mljevenje i sonohemijske reakcije. | Čišćenje laboratorijskog stakla, odzračivanje tekućina, otapanje prahova i blago miješanje uzoraka. |
| Najbolji izbor za | Kontroliranu, snažnu i ponovljivu ultrazvučnu obradu tekućina. | Jednostavno čišćenje ili ultrazvučni tretman niskog intenziteta. |
Ključne primjene sonikatora i akustične kavitacije
Ultrazvučni uređaji sa sondom, poznati i kao ultrazvučne sonde, učinkovito stvaraju intenzivnu akustičnu kavitaciju u tekućinama. Stoga se široko koriste u raznim primjenama u različitim industrijama. Neke od najvažnijih primjena akustične kavitacije koju stvaraju ultrazvučni uređaji sa sondom uključuju:
- Homogenizacija: Ultrazvučne sonde mogu stvoriti intenzivnu kavitaciju, koja se opisuje kao polje vibracija i smičnih sila visoke gustoće energije. Te sile osiguravaju izvrsno miješanje, umješavanje i smanjenje veličine čestica. Ultrazvučna homogenizacija daje ravnomjerno pomiješane suspenzije. Stoga se ultrazvučna obrada koristi za proizvodnju homogene koloidne suspenzije s uskim krivuljama raspodjele.
- Dispergiranje nanočestica: Ultrazvučni uređaji koriste se za dispergiranje, deaglomeraciju i mokro mljevenje nanočestica. Ultrazvučni valovi niske frekvencije mogu stvoriti snažnu kavitaciju koja razbija aglomerate i smanjuje veličinu čestica. Posebno visoko smicanje tekućinskih mlazeva ubrzava čestice u tekućini, koje se međusobno sudaraju (međučestični sudar), tako da se čestice posljedično lome i erodiraju. To rezultira jednolikom i stabilnom raspodjelom čestica koja sprječava sedimentaciju. To je presudno u raznim područjima, uključujući nanotehnologiju, znanost o materijalima i farmaciju.
- Emulgiranje i miješanje: Ultrazvučni uređaji sa sondom koriste se za stvaranje emulzija i miješanje tekućina. Ultrazvučna energija uzrokuje kavitaciju, nastanak i kolaps mikroskopskih mjehurića, što stvara intenzivne lokalne smične sile. Taj proces pomaže pri emulgiranju tekućina koje se ne miješaju, pri čemu nastaju stabilne i fino dispergirane emulzije.
- Ekstrakcija: Zahvaljujući kavitacijskim smičnim silama, ultrazvučni uređaji vrlo su učinkoviti u razaranju staničnih struktura i poboljšanju prijenosa mase između čvrste i tekuće faze. Stoga se ultrazvučna ekstrakcija široko koristi za oslobađanje unutarćelijskog materijala, poput bioaktivnih spojeva, za proizvodnju visokokvalitetnih biljnih ekstrakata.
- Odzračivanje i uklanjanje plinova: Ultrazvučni uređaji sa sondom koriste se za uklanjanje mjehurića plina ili otopljenih plinova iz tekućina. Primjena ultrazvučne kavitacije potiče koalescenciju mjehurića plina tako da rastu i isplivaju na površinu tekućine. Ultrazvučna kavitacija čini otplinjavanje brzim i učinkovitim postupkom. To je vrijedno u raznim industrijama, kao što su proizvodnja boja, hidrauličkih tekućina ili prerada hrane i pića, gdje prisutnost plinova može negativno utjecati na kvalitetu i stabilnost proizvoda.
- Sonokataliza: Ultrazvučne sonde mogu se koristiti za sonokatalizu, proces koji kombinira akustičnu kavitaciju s katalizatorima radi poboljšanja kemijskih reakcija. Kavitacija koju stvaraju ultrazvučni valovi poboljšava prijenos mase, povećava brzine reakcija i potiče stvaranje slobodnih radikala, što vodi do učinkovitijih i selektivnijih kemijskih transformacija.
- Priprema uzoraka: Ultrazvučni uređaji sa sondom često se koriste u laboratorijima za pripremu uzoraka. Koriste se za homogeniziranje, dezagregaciju i ekstrakciju bioloških uzoraka, kao što su ćelije, tkiva i virusi. Ultrazvučna energija koju stvara sonda razara ćelijske membrane, oslobađa sadržaj ćelija i olakšava daljnju analizu.
- Dezintegracija i razgradnja ćelija: Ultrazvučni uređaji sa sondom koriste se za dezintegraciju i razgradnju ćelija i tkiva u različite svrhe, kao što su ekstrakcija unutarćelijskih komponenti, mikrobna inaktivacija ili priprema uzoraka za analizu. Ultrazvučni valovi visokog intenziteta i time stvorena kavitacija uzrokuju mehaničko naprezanje i smične sile, što rezultira dezintegracijom ćelijskih struktura. U biološkim istraživanjima i medicinskoj dijagnostici ultrazvučni uređaji sa sondom koriste se za lizu ćelija, proces razbijanja ćelija radi oslobađanja njihovih unutarćelijskih komponenti. Ultrazvučna energija razara ćelijske stijenke, membrane i organele, omogućavajući ekstrakciju proteina, DNK, RNK i drugih ćelijskih sastojaka.
Ovo su neke od ključnih primjena ultrazvučnih uređaja sa sondom, ali ova tehnologija ima još širi raspon drugih primjena, uključujući sonohemiju, smanjenje veličine čestica (mokro mljevenje), sintezu čestica pristupom odozdo prema gore i sonosintezu kemijskih tvari i materijala u raznim industrijama, kao što su farmaceutska industrija, prerada hrane, biotehnologija i znanosti o okolišu.
Brza sekvenca snimaka (od a do f) koja prikazuje sonomehaničku eksfolijaciju grafitne pahuljice u vodi pomoću UP200S, ultrazvučnog uređaja snage 200W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja čestica kavitacijskim mjehurićima koji prodiru u procjep.
© Tyurnina et al. 2020
Iskoristite prednosti ultrazvučne kavitacije!
Tabela ispod daje orijentacijski pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000 |
Video akustične kavitacije u tekućini
Sljedeći video prikazuje akustičnu kavitaciju na kaskatrodi ultrazvučnog uređaja UIP1000hdT u staklenoj koloni napunjenoj vodom. Staklena kolona osvijetljena je odozdo crvenim svjetlom kako bi se poboljšala vizualizacija kavitacijskih mjehurića.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskom, pilot i industrijskom mjerilu.
Često postavljana pitanja
Šta je ultrazvučna kavitacija?
Ultrazvučna kavitacija je nastanak, rast i nagli kolaps mikroskopskih mjehurića u tekućini izloženoj ultrazvuku visokog intenziteta. Kolaps ovih mjehurića stvara intenzivno lokalno smicanje, tekućinske mikromlazeve, udarne valove, visoke gradijente tlaka i snažne efekte mikromiješanja.
Koja je razlika između ultrazvučne kavitacije i akustične kavitacije?
Akustična kavitacija je opći pojam za kavitaciju uzrokovanu zvučnim valovima. Ultrazvučna kavitacija je akustična kavitacija stvorena ultrazvučnim frekvencijama, tipično iznad čujnog područja. U industrijskoj obradi tekućina oba se pojma često koriste za kavitaciju koju proizvode ultrazvučni uređaji velike snage.
Kako ultrazvučna kavitacija poboljšava obradu tekućina?
Ultrazvučna kavitacija poboljšava obradu tekućina stvaranjem intenzivnih mehaničkih i kemijskih efekata unutar tekućine. Mehanički efekti podržavaju miješanje, homogenizaciju, emulgiranje, deaglomeraciju čestica, mokro mljevenje, ekstrakciju i razgradnju ćelija. U reaktivnim sistemima kavitacija također može potaknuti sonohemijske efekte i poboljšati prijenos mase.
Koje primjene koriste ultrazvučnu kavitaciju?
Ultrazvučna kavitacija koristi se za homogeniziranje, dispergiranje, emulgiranje, nanoemulgiranje, ekstrakciju, odzračivanje, deaglomeraciju, smanjenje veličine čestica, lizu ćelija, mikrobni raspad, sonohemiju, sonokatalizu i napredne reakcije u tekućoj fazi.
Zašto su ultrazvučni uređaji sa sondom učinkoviti za kavitaciju?
Ultrazvučni uređaji sa sondom prenose ultrazvučnu energiju direktno u tekućinu preko sonotrode. Ovo direktno sprezanje energije stvara intenzivnu zonu kavitacije u blizini površine sonde i omogućava precizno podešavanje važnih parametara procesa kao što su amplituda, unos snage, temperatura, tlak i vrijeme obrade.
Je li ultrazvučna kupka pogodna za jaku kavitaciju?
Ultrazvučne kupke stvaraju kavitaciju, ali je gustoća energije obično mnogo niža i manje fokusirana nego kod sonikatora sa sondom. Kupke su korisne za čišćenje i blagi tretman, dok se ultrazvučni uređaji sa sondom preferiraju za ponovljivu homogenizaciju, ekstrakciju, emulgiranje, dispergiranje, razgradnju ćelija i industrijsku obradu tekućina.
Pročitajte i pogledajte po čemu se razlikuju sonikatori sa sondom i ultrazvučne kupke!
Koji parametri utječu na intenzitet ultrazvučne kavitacije?
Važni parametri uključuju amplitudu, ultrazvučnu snagu, površinu sonotrode, volumen tekućine, viskoznost, udio čvrstih tvari, tlak, temperaturu, geometriju posude, geometriju protočne ćelije, protok i vrijeme zadržavanja. Podešavanje ovih parametara omogućava prilagodbu intenziteta kavitacije cilju procesa.
Može li se ultrazvučna kavitacija skalirati od laboratorija do proizvodnje?
Da. Procesi ultrazvučne kavitacije mogu se razviti u laboratorijskim volumenima i prenijeti na pilot ili industrijsko mjerilo kontroliranjem amplitude, unosa energije, geometrije sonotrode, protoka i vremena zadržavanja. Hielscher nudi ultrazvučne uređaje i reaktore za laboratorijska ispitivanja, pilot-ispitivanja i kontinuiranu industrijsku proizvodnju.
Literatura / reference
- 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 proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore, od laboratorijske veličine do industrijske veličine.