Ultrazvučna kavitacija u tečnostima
Ultrazvučna kavitacija je pokretačka snaga intenzivne ultrazvučne obrade tečnosti. Kada se snažan ultrazvuk prenese u tečnost, formiraju se mikroskopske mjehuriće pare, koji rastu i nasilno kolabiraju. Ova akustička kavitacija stvara intenzivne lokalne smične sile, mikromlaznice, talase udara, promjene pritiska i efekti mikromiješanja koji mogu ubrzati homogenizaciju, dispergovanje, emulgiranje, ekstrakciju, degaziranje, razaranje ćelija i sonokemijske reakcije.
Hielscher sondni sonikatori koriste kontrolisanu akustičnu kavitaciju za direktno prijenos ultrazvučne energije u tekućine, suspenzije i smjese. Od malih laboratorijskih uzoraka do kontinuirane industrijske proizvodnje, Hielscher sistemi vam omogućavaju podešavanje amplitude, geometrije sonotrode, pritiska, temperature, protoka i vremena zadržavanja za reproducibilne rezultate kavitacije.
- Za laboratorije: razvijajte i optimizujte parametre sonikacije u malim volumenima.
- Za pilot postrojenja: validirajte procese pokretane kavitacijom pod realnim uvjetima obrade.
- Za proizvodnju: provedite ultrazvučnu kavitaciju u serijskim, recirkulacijskim ili kontinuiranim inline procesima.
Recite nam vaš tečni medij, volumen serije ili protok, viskoznost, sadržaj čvrstih čestica, temperaturna ograničenja i željeni rezultat procesa. Preporučićemo optimalni sonikator, sonotrodu i konfiguraciju protoka-celije za vašu kavitacionu primjenu.
Sonikatori tipa sonde poput UP400St koristiti princip rada akustične kavitacije.
Princip rada ultrazvučne kavitacije
Prilikom ultrazvučne obrade tekućina visokog intenziteta, zvučni valovi koji se šire u tekući medij rezultiraju naizmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje), sa brzinama koje zavise od frekvencije. Tokom ciklusa niskog pritiska, ultrazvučni talasi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mehuriće ili praznine u tečnosti. Kada mjehurići dostignu zapreminu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju, oni se snažno kolabiraju tokom ciklusa visokog pritiska. Ovaj fenomen se naziva kavitacija. Tokom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (cca. 5.000 K) i pritisci (cca. 2.000 atm). Implozija kavitacionog mjehura također rezultira mlazovima tekućine brzine do 280 m/s.
Akustična kavitacija (generisana ultrazvukom snage) stvara lokalno ekstremne uslove, takozvane sonomehaničke i sonohemijske efekte. Zbog ovih efekata, sonikacija potiče hemijske reakcije koje vode do većih prinosa, brže reakcije, novih puteva i poboljšane ukupne efikasnosti.
Sonikator sa sondom ili ultrazvučna kupka: Koja metoda kavitacije je prava?
Probe sonatori i ultrazvučne kupke oba generišu akustičnu kavitaciju, ali se značajno razlikuju po intenzitetu, kontroli i pouzdanosti procesa. Iako su ultrazvučne kupke korisne za čišćenje, sonatori tipa sonde direktno usmjeravaju ultrazvučnu energiju u tečnost i stvaraju mnogo jaču, fokusiranu zonu kavitacije. To čini sonične soniatore preferiranim izborom za ponovljive primjene obrade tečnosti kao što su homogenizacija, emulzifikacija, ekstrakcija, poremećaj ćelija, disperzija nanočestica i sonohemijske reakcije.
| Kriteriji poređenja | sonicator sonde | ultrazvučna kupka |
|---|---|---|
| Intenzitet kavitacije | Proizvodi visokointenzivnu akustičnu kavitaciju direktno na vrhu sonotrode. | Proizvodi slabiju kavitaciju raspoređenu kroz zapreminu kupke. |
| Transfer energije | Prenosi ultrazvučnu energiju direktno u tečnost, suspenziju ili kašu. | Prenosi energiju indirektno kroz kupku tečnosti i zid posude. |
| kontrola procesa | Omogućava precizno podešavanje amplitude, ulaza snage, moda pulsa, temperature i vremena obrade. | Nudi ograničenu kontrolu nad stvarnom ultrazvučnom energijom koja stiže do uzorka. |
| reproduktivnost | Pruža reproduktivne rezultate sonikacije kada su procesni parametri definisani i nadgledani. | Rezultati se mogu razlikovati zbog neravnomjerne raspodjele kavitacije, položaja posude, materijala posude, nivoa punjenja i opterećenja kupke. |
| Efikasnost obrade | Veoma efikasan za homogenizaciju, disperziju, emulgiranje, ekstrakciju, razbijanje ćelija i sonokemiju. | Prikladno uglavnom za čišćenje. |
| Sample Volume | Dostupno za male laboratorijske uzorke, kao i za pilot i industrijske zapremine. | Obično se koristi za male posude ili više spremnika postavljenih unutar kupke. |
| scale-up | Može se skalirati od laboratorijskih testova do pilot-projekata i kontinuirane industrijske obrade u liniji. | Teško za pouzdano skaliranje jer distribucija energije i intenzitet kavitacije nisu lako prenosivi. |
| Prikladni mediji | Efikasno za tečnosti, emulzije, suspenzije, kaše i formulacije s visokim sadržajem čvrstih materija. | Najprikladnije za tečnosti niske viskoznosti i jednostavne zadatke čišćenja ili odgazivanja. |
| Tipične primjene | Disperzija nančestica, nanoemulzije, ekstrakcija, liza ćelija, homogenizacija, deaglomeracija, mokro mljevenje i sonokemijske reakcije. | Čišćenje staklenog posuđa, odgazivanje tečnosti, rastvaranje praškova i blago mućkanje uzoraka. |
| Najbolji izbor za | Kontrolisanu, snažnu i reproducibilnu ultrazvučnu obradu tečnosti. | Jednostavno čišćenje ili ultrazvučna obrada niskog intenziteta. |
Ključne primjene sonikatora i akustične kavitacije
Ultrasonikatori tipa sonde, takođe poznati kao ultrazvučne sonde, efikasno generišu intenzivnu akustičnu kavitaciju u tečnostima. Zbog toga se široko koriste u različitim aplikacijama u različitim industrijama. Neke od najvažnijih primjena akustične kavitacije koju generiraju ultrasonikatori tipa sonde uključuju:
- Homogenizacija: Ultrazvučne sonde mogu generirati intenzivnu kavitaciju, koja se karakterizira kao energetski gusto polje vibracija i sila smicanja. Ove sile obezbeđuju odlično mešanje, mešanje i smanjenje veličine čestica. Ultrazvučna homogenizacija proizvodi jednolično izmiješane suspenzije. Stoga se ultrazvuk koristi za proizvodnju homogene koloidne suspenzije sa uskim krivuljama raspodjele.
- Disperzija nanočestica: Ultrasonikatori se koriste za disperziju, deaglomeraciju i mokro mljevenje nanočestica. Ultrazvučni talasi niske frekvencije mogu stvoriti jaku kavitaciju, koja razgrađuje aglomerate i smanjuje veličinu čestica. Posebno veliko smicanje mlaza tekućine ubrzava čestice u tekućini, koje se sudaraju jedna s drugom (interpartikularni sudar) tako da se čestice lome i erodiraju. To rezultira ujednačenom i stabilnom raspodjelom čestica sprečavajući taloženje. Ovo je ključno u različitim oblastima, uključujući nanotehnologiju, nauku o materijalima i farmaciju.
- Emulgiranje i miješanje: Ultrasonikatori tipa sonde koriste se za stvaranje emulzija i miješanje tekućina. Ultrazvučna energija uzrokuje kavitaciju, stvaranje i kolaps mikroskopskih mjehurića, što stvara intenzivne lokalne sile smicanja. Ovaj proces pomaže u emulgiranju tekućina koje se ne miješaju, stvarajući stabilne i fino dispergirane emulzije.
- Ekstrakcija: Zbog kavitacijskih sila smicanja, ultrazvučni aparati su vrlo efikasni u razbijanju ćelijskih struktura i poboljšanju prijenosa mase između krute tvari i tekućine. Stoga se ultrazvučna ekstrakcija široko koristi za oslobađanje unutarćelijskog materijala kao što su bioaktivna jedinjenja za proizvodnju visokokvalitetnih biljnih ekstrakata.
- Otplinjavanje i odzračivanje: Ultrasonikatori tipa sonde se koriste za uklanjanje mjehurića plina ili otopljenih plinova iz tekućina. Primjena ultrazvučne kavitacije pospješuje spajanje mjehurića plina tako da oni rastu i isplivaju na vrh tekućine. Ultrazvučna kavitacija čini degasizaciju brzom i efikasnom procedurom. Ovo je vrijedno u raznim industrijama, kao što su boje, hidraulične tekućine ili prerada hrane i pića, gdje prisustvo plinova može negativno utjecati na kvalitetu i stabilnost proizvoda.
- sonokataliza: Ultrazvučne sonde se mogu koristiti za sonokatalizu, proces koji kombinuje akustičnu kavitaciju sa katalizatorima radi poboljšanja hemijskih reakcija. Kavitacija koju stvaraju ultrazvučni talasi poboljšava prenos mase, povećava brzinu reakcije i potiče proizvodnju slobodnih radikala, što dovodi do efikasnijih i selektivnijih hemijskih transformacija.
- Priprema uzorka: Ultrasonikatori tipa sonde se obično koriste u laboratorijama za pripremu uzoraka. Koriste se za homogenizaciju, dezagregaciju i ekstrakciju bioloških uzoraka, kao što su ćelije, tkiva i virusi. Ultrazvučna energija koju generiše sonda razbija ćelijske membrane, oslobađajući ćelijski sadržaj i olakšavajući dalju analizu.
- Dezintegracija i poremećaj ćelija: Ultrasonikatori tipa sonde se koriste za dezintegraciju i razbijanje ćelija i tkiva u različite svrhe, kao što je ekstrakcija intracelularnih komponenti, mikrobna inaktivacija ili priprema uzorka za analizu. Ultrazvučni talasi visokog intenziteta i time nastala kavitacija uzrokuju mehaničko naprezanje i sile smicanja, što rezultira dezintegracijom ćelijskih struktura. U biološkim istraživanjima i medicinskoj dijagnostici, ultrazvučni aparati tipa sonde koriste se za lizu ćelija, proces razbijanja otvorenih ćelija kako bi se oslobodile njihove intracelularne komponente. Ultrazvučna energija razbija ćelijske zidove, membrane i organele, omogućavajući ekstrakciju proteina, DNK, RNK i drugih ćelijskih sastojaka.
Ovo su neke od ključnih primjena ultrazvučnih aparata tipa sonde, ali tehnologija ima još širi spektar drugih upotreba, uključujući sonohemiju, smanjenje veličine čestica (mokro mljevenje), sintezu čestica odozdo prema gore i sonosintezu hemijskih supstanci. i materijala u raznim industrijama kao što su farmaceutska, prehrambena, biotehnološka i ekološka nauka.
Brzi niz (od a do f) okvira koji ilustrira sono-mehaničko piling grafitne pahuljice u vodi koristeći UP200S, ultrazvučni aparat od 200 W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja čestica sa kavitacijskim mjehurićima koji prodiru u rascjep.
© Tyurnina et al. 2020
Iskoristite prednosti ultrazvučne kavitacije!
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Video akustične kavitacije u tečnosti
Sljedeći video prikazuje akustičnu kavitaciju na kaskatrodi ultrasonikatora UIP1000hdT u staklenoj koloni ispunjenoj vodom. Stakleni stup je odozdo osvijetljen crvenim svjetlom kako bi se poboljšala vizualizacija kavitacijskih mjehurića.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Često Postavljena Pitanja
Šta je ultrazvučna kavitacija?
Ultrazvučna kavitacija je formiranje, rast i nasilni kolaps mikroskopskih mjehurića u tečnosti izloženoj ultrazvuku visoke intenziteta. Kolaps ovih mjehurića stvara intenzivne lokalne smične sile, mikrojete tečnosti, talase udara, visoke pritisne gradijente i jake efekte mikromiješanja.
Koja je razlika između ultrazvučne kavitacije i akustične kavitacije?
Akustička kavitacija je opći izraz za kavitaciju izazvanu zvučnim talasima. Ultrazvučna kavitacija je akustička kavitacija proizvedena ultrazvučnim frekvencijama, obično iznad praga sluha. U industrijskoj obradi tečnosti, oba termina se često koriste za kavitaciju proizvedenu visokosnažnim ultrazvučnim uređajima.
Kako ultrazvučna kavitacija poboljšava obradu tečnosti?
Ultrazvučna kavitacija poboljšava obradu tečnosti stvaranjem intenzivnih mehaničkih i hemijskih efekata unutar tečnosti. Mehanički efekti pomažu u miješanju, homogenizaciji, emulgiranju, razbijanju aglomerata čestica, mokrom mlevenju, ekstrakciji i narušavanju ćelija. U reaktivnim sistemima, kavitacija može takođe poticati sonokemijske efekte i poboljšati transport mase.
Koje primjene koriste ultrazvučnu kavitaciju?
Ultrazvučna kavitacija se koristi za homogenizaciju, dispergiranje, emulgiranje, nanoemulgiranje, ekstrakciju, odgašenje gasova, deaglomeraciju, smanjenje veličine čestica, lizu ćelija, poremećaj mikroba, sonhemiju, sonokatalizu i napredne reakcije u tečnoj fazi.
Zašto su ultrasonicatori sa sondom efikasni za kavitaciju?
Ultrasonicatori sa sondom prenose ultrazvučnu energiju direktno u tečnost kroz sonotrodu. Ovo direktno povezivanje energije stvara intenzivnu zonu kavitacije blizu površine sonotrede i omogućava precizno podešavanje važnih parametara procesa kao što su amplituda, unos snage, temperatura, pritisak i vrijeme obrade.
Da li je ultrazvučna kupka pogodna za snažnu kavitaciju?
Ultrazvučne kupke proizvode kavitaciju, ali gustoća energije je obično mnogo niža i manje fokusirana nego kod sonikatora tipa sonde. Kupke su korisne za čišćenje i blage tretmane, dok se sonikatori tipa sonde preferiraju za ponovljivo homogenizovanje, ekstrakciju, emulgiranje, disperziju, razbijanje ćelija i industrijsku obradu tečnosti.
Pročitajte i pogledajte kako se sonikatori tipa sonde razlikuju od ultrazvučnih kupki!
Koji parametri utiču na intenzitet ultrazvučne kavitacije?
Važni parametri uključuju amplitudu, ultrazvučnu snagu, površinu sonotrode, zapreminu tečnosti, viskoznost, sadržaj čvrstih materija, pritisak, temperaturu, geometriju posude, geometriju ćelije toka, brzinu protoka i vrijeme zadržavanja. Podesavanjem ovih parametara moguće je prilagoditi intenzitet kavitacije cilju procesa.
Može li se ultrazvučna kavitacija skalirati od laboratorije do proizvodnje?
Da. Ultrazvučni procesi kavitacije mogu se razvijati u laboratorijskim količinama i prenositi na pilot ili industrijsku skalu kontrolom 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 ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.