Ultrazvuková kavitace v kapalinách
Ultrazvuková kavitace je hnací silou vysoce intenzivního ultrazvukového zpracování kapalin. Když je do kapaliny přenesen výkonný ultrazvuk, vznikají mikroskopické bublinky páry, které rostou a prudce kolabují. Tato akustická kavitace vytváří intenzivní lokální smykové síly, mikrotrysky, rázové vlny, tlakové změny a efekty mikromíchání, které mohou urychlit homogenizaci, dispergaci, emulgaci, extrakci, odplynění, dezintegraci buněk a sonochemické reakce.
Sondové sonikátory Hielscher využívají řízenou akustickou kavitaci k přenosu ultrazvukové energie přímo do kapalin, suspenzí a kalů. Od malých laboratorních vzorků až po kontinuální průmyslovou průtokovou výrobu vám systémy Hielscher umožňují nastavit amplitudu, geometrii sonotrody, tlak, teplotu, průtok a dobu zdržení pro reprodukovatelné výsledky kavitace.
- Pro laboratoře: vyvíjejte a optimalizujte parametry sonikace v malých objemech.
- Pro pilotní provozy: ověřujte procesy řízené kavitací za realistických provozních podmínek.
- Pro výrobu: škálujte ultrazvukovou kavitaci do vsádkových, recirkulačních nebo kontinuálních inline procesů.
Sdělte nám údaje o své kapalině, objem vsádky nebo průtok, viskozitu, obsah pevných látek, teplotní limity a cílový výsledek procesu. Doporučíme vám optimální konfiguraci sonikátoru, sonotrody a průtokové cely pro vaši kavitační aplikaci.
Sondové sonikátory, jako je UP400St, využívají princip fungování akustické kavitace.
Princip fungování ultrazvukové kavitace
Při sonikaci kapalin s vysokou intenzitou vedou zvukové vlny šířící se do kapalného prostředí ke střídání cyklů vysokého tlaku (komprese) a nízkého tlaku (zředění), jejichž rychlost závisí na frekvenci. Během cyklu nízkého tlaku vytvářejí vysoce intenzivní ultrazvukové vlny v kapalině malé vakuové bublinky neboli dutiny. Když bublinky dosáhnou objemu, při kterém již nemohou absorbovat energii, během cyklu vysokého tlaku prudce kolabují. Tento jev se nazývá kavitace. Během imploze se lokálně dosahuje velmi vysokých teplot (přibl. 5 000K) a tlaků (přibl. 2 000atm). Imploze kavitační bublinky má rovněž za následek proudy kapaliny o rychlosti až 280m/s.
Akustická kavitace (generovaná výkonovým ultrazvukem) vytváří lokálně extrémní podmínky, tzv. sonomechanické a sonochemické efekty. Díky těmto efektům podporuje sonikace chemické reakce, což vede k vyšším výtěžkům, vyšší rychlosti reakce, novým reakčním cestám a zlepšené celkové účinnosti.
Sondový sonikátor, nebo ultrazvuková lázeň: Která kavitační metoda je ta pravá?
Sondové sonikátory i ultrazvukové lázně generují akustickou kavitaci, výrazně se však liší intenzitou, možnostmi řízení a spolehlivostí procesu. Zatímco ultrazvukové lázně jsou užitečné pro čištění, sondové sonikátory přenášejí ultrazvukovou energii přímo do kapaliny a vytvářejí mnohem silnější, soustředěnou kavitační zónu. Díky tomu jsou sondové sonikátory preferovanou volbou pro reprodukovatelné aplikace zpracování kapalin, jako je homogenizace, emulgace, extrakce, dezintegrace buněk, dispergace nanočástic a sonochemické reakce.
| Kritéria srovnání | Sondový sonikátor | Ultrazvuková lázeň |
|---|---|---|
| Intenzita kavitace | Vytváří vysoce intenzivní akustickou kavitaci přímo na špičce sonotrody. | Vytváří slabší kavitaci rozloženou v celém objemu lázně. |
| Přenos energie | Přenáší ultrazvukovou energii přímo do kapaliny, suspenze nebo kalu. | Přenáší energii nepřímo přes kapalinu lázně a stěnu nádoby. |
| Řízení procesu | Umožňuje přesné nastavení amplitudy, příkonu, pulzního režimu, teploty a doby zpracování. | Nabízí omezenou kontrolu nad skutečnou ultrazvukovou energií, která se dostane ke vzorku. |
| Reprodukovatelnost | Poskytuje reprodukovatelné výsledky sonikace, pokud jsou procesní parametry definovány a monitorovány. | Výsledky se mohou lišit v důsledku nerovnoměrného rozložení kavitace, polohy nádoby, materiálu nádoby, úrovně naplnění a zatížení lázně. |
| Účinnost zpracování | Vysoce účinný pro homogenizaci, dispergaci, emulgaci, extrakci, dezintegraci buněk a sonochemii. | Vhodná především pro čištění. |
| Objem vzorku | K dispozici pro malé laboratorní vzorky i pro pilotní a průmyslové objemy. | Obvykle se používá pro malé nádoby nebo více nádob umístěných v lázni. |
| Zvětšování měřítka | Lze převést z laboratorních testů na pilotní zkoušky a kontinuální průmyslové inline zpracování. | Obtížně spolehlivě škálovatelná, protože rozložení energie a intenzitu kavitace nelze snadno přenést. |
| Vhodná média | Účinný pro kapaliny, emulze, suspenze, kaly a formulace s vysokým obsahem pevných látek. | Nejvhodnější pro kapaliny s nízkou viskozitou a jednoduché úlohy čištění nebo odplyňování. |
| Typické aplikace | Dispergace nanočástic, nanoemulze, extrakce, lyze buněk, homogenizace, deaglomerace, mokré mletí a sonochemické reakce. | Čištění laboratorního skla, odplyňování kapalin, rozpouštění prášků a mírné promíchávání vzorků. |
| Nejlepší volba pro | Řízené, výkonné a reprodukovatelné ultrazvukové zpracování kapalin. | Jednoduché čištění nebo ultrazvukové ošetření nízké intenzity. |
Klíčové aplikace sonikátorů a akustické kavitace
Sondové ultrazvukové přístroje, známé také jako ultrazvukové sondy, účinně generují intenzivní akustickou kavitaci v kapalinách. Proto se široce používají v různých aplikacích napříč různými odvětvími. Mezi nejdůležitější aplikace akustické kavitace generované sondovými ultrazvukovými přístroji patří:
- Homogenizace: Ultrazvukové sondy mohou generovat intenzivní kavitaci, kterou charakterizuje energeticky husté pole vibrací a smykových sil. Tyto síly zajišťují vynikající míchání, mísení a zmenšování velikosti částic. Ultrazvuková homogenizace vytváří rovnoměrně promíchané suspenze. Proto se sonikace používá k výrobě homogenní koloidní suspenze s úzkými distribučními křivkami.
- Dispergace nanočástic: Ultrazvukové přístroje se používají k dispergaci, deaglomeraci a mokrému mletí nanočástic. Nízkofrekvenční ultrazvukové vlny mohou generovat účinnou kavitaci, která rozbíjí aglomeráty a zmenšuje velikost částic. Zejména vysoký smyk proudů kapaliny urychluje částice v kapalině, které se vzájemně srážejí (mezičásticové srážky), takže se částice následně lámou a erodují. Výsledkem je rovnoměrné a stabilní rozložení částic, které zabraňuje sedimentaci. To je zásadní v různých oborech, včetně nanotechnologií, materiálových věd a farmacie.
- Emulgace a míchání: Sondové ultrazvukové přístroje se používají k vytváření emulzí a míchání kapalin. Ultrazvuková energie vyvolává kavitaci, tedy vznik a kolaps mikroskopických bublinek, která generuje intenzivní lokální smykové síly. Tento proces napomáhá emulgaci nemísitelných kapalin a vytváří stabilní a jemně dispergované emulze.
- Extrakce: Díky kavitačním smykovým silám jsou ultrazvukové přístroje vysoce účinné při narušování buněčných struktur a zlepšování přenosu hmoty mezi pevnou a kapalnou fází. Proto se ultrazvuková extrakce široce používá k uvolňování intracelulárního materiálu, jako jsou bioaktivní látky, pro výrobu vysoce kvalitních rostlinných extraktů.
- Odplynění a odvzdušnění: Sondové ultrazvukové přístroje se používají k odstraňování plynových bublin nebo rozpuštěných plynů z kapalin. Působení ultrazvukové kavitace podporuje koalescenci plynových bublin, takže rostou a vyplouvají k hladině kapaliny. Ultrazvuková kavitace činí z odplynění rychlý a účinný postup. To je cenné v různých odvětvích, například u barev, hydraulických kapalin nebo při zpracování potravin a nápojů, kde přítomnost plynů může negativně ovlivnit kvalitu a stabilitu produktu.
- Sonokatalýza: Ultrazvukové sondy lze použít pro sonokatalýzu, proces, který kombinuje akustickou kavitaci s katalyzátory za účelem zesílení chemických reakcí. Kavitace generovaná ultrazvukovými vlnami zlepšuje přenos hmoty, zvyšuje reakční rychlosti a podporuje tvorbu volných radikálů, což vede k účinnějším a selektivnějším chemickým přeměnám.
- Příprava vzorků: Sondové ultrazvukové přístroje se v laboratořích běžně používají k přípravě vzorků. Slouží k homogenizaci, disagregaci a extrakci biologických vzorků, jako jsou buňky, tkáně a viry. Ultrazvuková energie generovaná sondou narušuje buněčné membrány, čímž uvolňuje buněčný obsah a usnadňuje další analýzu.
- Rozrušování a dezintegrace buněk: Sondové ultrazvukové přístroje se používají k rozrušování a dezintegraci buněk a tkání pro různé účely, jako je extrakce intracelulárních složek, mikrobiální inaktivace nebo příprava vzorků pro analýzu. Vysoce intenzivní ultrazvukové vlny a takto generovaná kavitace způsobují mechanické namáhání a smykové síly, které vedou k rozpadu buněčných struktur. V biologickém výzkumu a lékařské diagnostice se sondové ultrazvukové přístroje používají k lyzi buněk, tedy procesu otevírání buněk za účelem uvolnění jejich intracelulárních složek. Ultrazvuková energie narušuje buněčné stěny, membrány a organely, což umožňuje extrakci proteinů, DNA, RNA a dalších buněčných složek.
Toto jsou některé z klíčových aplikací sondových ultrazvukových přístrojů, tato technologie má však ještě širší škálu dalších využití, včetně sonochemie, zmenšování velikosti částic (mokré mletí), syntézy částic metodou bottom-up a sonosyntézy chemických látek a materiálů v různých odvětvích, jako je farmacie, zpracování potravin, biotechnologie a environmentální vědy.
Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) znázorňující sonomechanickou exfoliaci grafitové vločky ve vodě pomocí UP200S, ultrazvukového přístroje o výkonu 200W se 3mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení částic, kde kavitační bublinky pronikají do vzniklé trhliny.
© Tyurnina et al. 2020
Využijte ultrazvukovou kavitaci!
Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:
| Objem vsádky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Video akustické kavitace v kapalině
Následující video ukazuje akustickou kavitaci na kaskatrodě ultrazvukového přístroje UIP1000hdT ve skleněné koloně naplněné vodou. Skleněná kolona je zespodu osvětlena červeným světlem, aby se zlepšila viditelnost kavitačních bublinek.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro aplikace míchání, dispergace, emulgace a extrakce v laboratorním, pilotním i průmyslovém měřítku.
Často kladené otázky
Co je ultrazvuková kavitace?
Ultrazvuková kavitace je vznik, růst a prudký kolaps mikroskopických bublinek v kapalině vystavené vysoce intenzivnímu ultrazvuku. Kolaps těchto bublinek vytváří intenzivní lokální smyk, mikrotrysky kapaliny, rázové vlny, vysoké tlakové gradienty a silné efekty mikromíchání.
Jaký je rozdíl mezi ultrazvukovou a akustickou kavitací?
Akustická kavitace je obecný pojem pro kavitaci způsobenou zvukovými vlnami. Ultrazvuková kavitace je akustická kavitace generovaná ultrazvukovými frekvencemi, typicky nad hranicí slyšitelnosti. V průmyslovém zpracování kapalin se oba pojmy často používají pro kavitaci vytvářenou vysoce výkonnými ultrazvukovými přístroji.
Jak ultrazvuková kavitace zlepšuje zpracování kapalin?
Ultrazvuková kavitace zlepšuje zpracování kapalin tím, že uvnitř kapaliny vytváří intenzivní mechanické a chemické efekty. Mechanické efekty podporují míchání, homogenizaci, emulgaci, deaglomeraci částic, mokré mletí, extrakci a dezintegraci buněk. V reaktivních systémech může kavitace také podporovat sonochemické efekty a zlepšovat přenos hmoty.
Které aplikace využívají ultrazvukovou kavitaci?
Ultrazvuková kavitace se používá pro homogenizaci, dispergaci, emulgaci, nanoemulgaci, extrakci, odplynění, deaglomeraci, zmenšování velikosti částic, lyzi buněk, rozrušování mikroorganismů, sonochemii, sonokatalýzu a pokročilé reakce v kapalné fázi.
Proč jsou sondové ultrazvukové přístroje pro kavitaci účinné?
Sondové ultrazvukové přístroje přenášejí ultrazvukovou energii přímo do kapaliny prostřednictvím sonotrody. Tento přímý přenos energie vytváří v blízkosti povrchu sondy intenzivní kavitační zónu a umožňuje přesné nastavení důležitých procesních parametrů, jako je amplituda, příkon, teplota, tlak a doba zpracování.
Je ultrazvuková lázeň vhodná pro silnou kavitaci?
Ultrazvukové lázně kavitaci vytvářejí, ale hustota energie je obvykle mnohem nižší a méně soustředěná než u sondového sonikátoru. Lázně jsou užitečné pro čištění a šetrné ošetření, zatímco sondové ultrazvukové přístroje jsou preferovány pro reprodukovatelnou homogenizaci, extrakci, emulgaci, dispergaci, dezintegraci buněk a průmyslové zpracování kapalin.
Přečtěte si a podívejte se, jak se sondové sonikátory a ultrazvukové lázně liší!
Které parametry ovlivňují intenzitu ultrazvukové kavitace?
Mezi důležité parametry patří amplituda, ultrazvukový výkon, plocha povrchu sonotrody, objem kapaliny, viskozita, obsah pevných látek, tlak, teplota, geometrie nádoby, geometrie průtokové cely, průtok a doba zdržení. Úpravou těchto parametrů lze intenzitu kavitace přizpůsobit cíli procesu.
Lze ultrazvukovou kavitaci převést z laboratoře do výroby?
Ano. Procesy ultrazvukové kavitace lze vyvinout v laboratorních objemech a převést do pilotního nebo průmyslového měřítka řízením amplitudy, energetického vstupu, geometrie sonotrody, průtoku a doby zdržení. Hielscher nabízí ultrazvukové přístroje a reaktory pro laboratorní testování, pilotní zkoušky a kontinuální průmyslovou výrobu.
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 vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratorního až po průmyslové měřítko.