Ultrazvučna kavitacija u tečnostima
Ultrazvučni talasi ultrazvuka visokog intenziteta stvaraju akustičnu kavitaciju u tečnostima. Kavitacija izaziva ekstremne efekte lokalno, kao što su mlaz tekućine do 1000 km/h, pritisci do 2000 atm i temperature do 5000 Kelvina. Ove ultrazvučno generisane sile se koriste za brojne primene u procesu obrade tečnosti kao što su homogenizacija, dispergovanje, emulgovanje, ekstrakcija, razbijanje ćelija, kao i za intenziviranje hemijskih reakcija.
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.
Ultrasonikatori tipa sonde kao što je UP400St koristiti princip rada akustične kavitacije.
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.
Ključne primjene ultrazvučnih aparata koji koriste akustičnu kavitaciju
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:
Snažna ultrazvučna kavitacija u Hielscher Ultrasonic Cascatrode
- 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
Ultrazvučna kavitacija na kaskatrodnoj sondi ultrazvučnog aparata UIP1000hdT (1000 vati, 20 kHz) u staklenom reaktoru.
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.
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
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 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
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.