Ultrazvuková kavitace v kapalinách
Ultrazvukové vlny ultrazvuku s vysokou intenzitou generují akustickou kavitaci v kapalinách. Kavitace způsobuje lokálně extrémní účinky, jako jsou trysky kapaliny o rychlosti až 1000 km/h, tlaky až 2000 atm a teploty až 5000 Kelvinů. Tyto ultrazvukem generované síly se používají pro řadu aplikací zpracování kapalin, jako je homogenizace, dispergace, emulgace, extrakce, narušení buněk a také intenzifikace chemických reakcí.
Princip činnosti ultrazvukové kavitace
Při sonikaci kapalin s vysokou intenzitou mají zvukové vlny, které se šíří do kapalného média, za následek střídání vysokotlakých (kompresních) a nízkotlakých (zředění) cyklů, přičemž rychlosti závisí na frekvenci. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kapalině malé vakuové bubliny nebo dutiny. Když bubliny dosáhnou objemu, ve kterém již nemohou absorbovat energii, během vysokotlakého cyklu se prudce zhroutí. Tento jev se nazývá kavitace. Během imploze jsou lokálně dosahovány velmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 atm). Imploze kavitační bubliny má také za následek trysky kapaliny o rychlosti až 280 m/s.

Ultrazvukové sondy, jako je UP400St Využijte pracovní princip akustické kavitace.

Akustická kavitace (generovaná výkonovým ultrazvukem) vytváří lokálně extrémní podmínky, tzv. sonomechanické a sonochemické účinky. Díky těmto účinkům sonikace podporuje chemické reakce vedoucí k vyšším výtěžkům, rychlejší rychlosti reakce, novým cestám a zlepšené celkové účinnosti.
Klíčové aplikace ultrazvuku pomocí akustické kavitace
Ultrazvukové sondy, známé také jako ultrazvukové sondy, účinně generují intenzivní akustickou kavitaci v kapalinách. Proto jsou široce používány v různých aplikacích napříč různými průmyslovými odvětvími. Některé z nejdůležitějších aplikací akustické kavitace generované ultrazvukovými přístroji typu sondy zahrnují:
- Homogenizace: Ultrazvukové sondy mohou generovat intenzivní kavitaci, která je charakterizována jako energeticky husté pole vibrací a smykových sil. Tyto síly zajišťují vynikající míchání, míchání a redukci velikosti částic. Ultrazvuková homogenizace vytváří rovnoměrně promíchané suspenze. Proto se sonikace používá k výrobě homogenní koloidní suspenze s úzkými distribučními křivkami.
- Disperze nanočástic: Ultrasonicators se používají pro disperzi, deaglomeraci a mokré mletí nanočástic. Nízkofrekvenční ultrazvukové vlny mohou generovat působivou kavitaci, která rozkládá aglomeráty a snižuje velikost částic. Zejména vysoký smyk kapalinových paprsků urychluje částice v kapalině, které se navzájem srážejí (srážka mezi částicemi), takže se částice následně lámou a erodují. Výsledkem je rovnoměrné a stabilní rozložení částic zabraňujících sedimentaci. To je zásadní v různých oblastech, včetně nanotechnologií, vědy o materiálech a farmacie.
- Emulgace a míchání: Ultrazvukové přístroje typu sondy se používají k vytváření emulzí a míchání kapalin. Ultrazvuková energie způsobuje kavitaci, tvorbu a kolaps mikroskopických bublin, což generuje intenzivní místní smykové síly. Tento proces pomáhá při emulgaci nemísitelných kapalin a vytváří stabilní a jemně dispergované emulze.
- Extrakce: Díky kavitačním smykovým silám jsou ultrasonicators vysoce účinné při narušování buněčných struktur a zlepšují přenos hmoty mezi pevnou látkou a kapalinou. Proto je ultrazvuková extrakce široce používána k uvolňování intracelulárního materiálu, jako jsou bioaktivní sloučeniny, pro výrobu vysoce kvalitních botanických extraktů.
- Odplyňování a odvzdušňování: Ultrazvukové přístroje typu sondy se používají k odstranění plynových bublin nebo rozpuštěných plynů z kapalin. Aplikace ultrazvukové kavitace podporuje koalescenci plynových bublin tak, aby rostly a plavaly na povrchu kapaliny. Díky ultrazvukové kavitaci je odplyňování rychlý a efektivní postup. To je cenné v různých průmyslových odvětvích, jako jsou barvy, hydraulické kapaliny nebo zpracování potravin a nápojů, kde přítomnost plynů může negativně ovlivnit kvalitu a stabilitu produktu.
- Sonokatalýza: Ultrazvukové sondy lze použít pro sonokatalýzu, což je proces, který kombinuje akustickou kavitaci s katalyzátory pro zvýšení chemických reakcí. Kavitace generovaná ultrazvukovými vlnami zlepšuje přenos hmoty, zvyšuje reakční rychlosti a podporuje produkci volných radikálů, což vede k účinnějším a selektivnějším chemickým transformacím.
- Příprava vzorku: Ultrazvukové přístroje typu sondy se běžně používají v laboratořích pro přípravu vzorků. Používají se k homogenizaci, rozkladu a extrakci biologických vzorků, jako jsou buňky, tkáně a viry. Ultrazvuková energie generovaná sondou narušuje buněčné membrány, uvolňuje buněčný obsah a usnadňuje další analýzu.
- Rozpad a narušení buněk: Ultrazvukové přístroje typu sondy se používají k rozpadu a narušení buněk a tkání pro různé účely, jako je extrakce intracelulárních složek, mikrobiální inaktivace nebo příprava vzorku pro analýzu. Ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou a tím generovaná kavitace způsobují mechanické namáhání a smykové síly, což má za následek rozpad buněčných struktur. V biologickém výzkumu a lékařské diagnostice se ultrazvuky typu sondy používají pro lýzu buněk, což je proces rozbíjení otevřených 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 ultrazvuku typu sondy, ale tato technologie má ještě širší škálu dalších použití, včetně sonochemie, zmenšování velikosti částic (mokré mletí), syntézy částic zdola nahoru a sonosyntézy chemických látek a materiálů v různých průmyslových odvětvích, jako je farmacie, zpracování potravin, biotechnologie a environmentální vědy.

Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) ilustrující sonomechanickou exfoliaci grafitových vloček ve vodě pomocí UP200S, 200W ultrasonikátoru s 3mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení částic s kavitačními bublinami pronikajícími do rozdělení.
© Tyurnina et al. 2020
Video akustické kavitace v kapalině
Následující video demonstruje akustickou kavitaci na kaskádě ultrazvuku UIP1000hdT ve skleněném sloupci naplněném vodou. Skleněný sloup je zespodu osvětlen červeným světlem, aby se zlepšila vizualizace kavitačních bublin.
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
---|---|---|
1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
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 laboratoř k průmyslová velikost.