Ultrazvuková kavitace v kapalinách
Ultrazvuková kavitace je hnací silou vysoce intenzivního ultrazvukového zpracování kapalin. Když se silný ultrazvuk přivede do kapaliny, vytvářejí se mikroskopické parní bublinky, které rostou a prudce se rozpadají. Tato akustická kavitace vytváří intenzivní lokální smykové síly, mikroproudy, rázové vlny, tlakové změny a mikromixační efekty, které mohou urychlit homogenizaci, dispergaci, emulgaci, extrakci, odplyňování, rozrušení buněk a sonochemické reakce.
Ultrazvukové zařízení Hielscher s sondou využívají řízenou akustickou kavitaci k přímému přenosu ultrazvukové energie do kapalin, suspenzí a kalů. Ať už se jedná o malé laboratorní vzorky nebo o kontinuální průmyslovou průtokovou výrobu, systémy Hielscher vám umožňují nastavit amplitudu, geometrii sonotrody, tlak, teplotu, průtok a dobu zdržení, čímž dosáhnete reprodukovatelných výsledků kavitace.
- Pro laboratoře: vypracovat a optimalizovat parametry sonikace v malých objemech.
- Pro zkušební zařízení: ověřit procesy založené na kavitaci za reálných provozních podmínek.
- Pro výrobu: využít ultrazvukovou kavitaci v dávkových, recirkulačních nebo kontinuálních inline procesech.
Sdělte nám, o jakou kapalinu se jedná, objem šarže nebo průtok, viskozitu, obsah pevných látek, teplotní limity a požadovaný výsledek procesu. Doporučíme vám optimální konfiguraci ultrazvukového zařízení, sonotrody a průtokové komory pro vaši kavitační aplikaci.
Sonikátory se sondou, jako je model UP400St Využijte pracovní princip akustické kavitace.
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.
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.
Ultrazvukový sondový přístroj nebo ultrazvuková lázeň: Která kavitační metoda je ta správná?
Ultrazvukové sondy i ultrazvukové lázně vyvolávají akustickou kavitaci, liší se však výrazně v intenzitě, možnosti regulace a spolehlivosti procesu. Zatímco ultrazvukové lázně jsou užitečné pro čištění, sondové sonikátory přivádějí ultrazvukovou energii přímo do kapaliny a vytvářejí mnohem silnější, soustředěnou kavitační zónu. Díky tomu jsou sondové sonikátory preferovanou volbou pro aplikace s reprodukovatelným zpracováním kapalin, jako je homogenizace, emulgace, extrakce, rozrušení buněk, disperze nanočástic a sonochemické reakce.
| Srovnávací kritéria | sonda sonicator | Ultrazvuková koupel |
|---|---|---|
| intenzita kavitace | Vytváří vysoce intenzivní akustickou kavitaci přímo na špičce sonotrody. | Vytváří slabší kavitaci rozloženou po celém objemu lázně. |
| Přenos energie | Přenáší ultrazvukovou energii přímo do kapaliny, suspenze nebo kaše. | Energii přenáší nepřímo prostřednictvím koupelové lázně a stěny nádoby. |
| Řízení procesu | Umožňuje přesné nastavení amplitudy, příkonu, pulzního režimu, teploty a doby zpracování. | Umožňuje pouze omezenou kontrolu nad množstvím ultrazvukové energie, která se dostane ke vzorku. |
| reprodukovatelnost | Zajišťuje reprodukovatelné výsledky sonikace, jsou-li parametry procesu definovány a sledovány. | Výsledky se mohou lišit v závislosti na nerovnoměrném rozložení kavitace, poloze nádoby, materiálu nádoby, úrovni naplnění a obsahu lázně. |
| Účinnost zpracování | Vysoce účinný při homogenizaci, dispergaci, emulgaci, extrakci, rozrušování buněk a sonochemii. | Vhodné především k čištění. |
| Objem vzorku | K dispozici pro malé laboratorní vzorky i pro pilotní a průmyslové objemy. | Obvykle se používá pro malé nádoby nebo pro více nádob umístěných uvnitř lázně. |
| Rozšíření | Lze škálovat od laboratorních testů přes pilotní zkoušky až po nepřetržité průmyslové zpracování v rámci výrobního procesu. | Je obtížné dosáhnout spolehlivého škálování, protože rozložení energie a intenzita kavitace nejsou snadno přenositelné. |
| Vhodná média | Vhodné pro kapaliny, emulze, suspenze, kaly a přípravky s vysokým obsahem pevných látek. | Nejvhodnější pro kapaliny s nízkou viskozitou a pro jednoduché úklidové nebo odplyňovací práce. |
| Typické aplikace | Disperze nanočástic, nanoemulze, extrakce, lýza buněk, homogenizace, deaglomerace, mokré mletí a sonochemické reakce. | Čištění skleněných nádob, odplyňování kapalin, rozpouštění prášků a mírné míchání vzorků. |
| Nejlepší volba pro | Řízené, výkonné a reprodukovatelné zpracování kapalin pomocí ultrazvuku. | Jednoduché čištění nebo ultrazvuková úprava s nízkou intenzitou. |
Hlavní oblasti použití sonikátorů a 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
Využijte výhody ultrazvukové kavitace!
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 |
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.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
Nejčastější dotazy
Co je ultrazvuková kavitace?
Ultrazvuková kavitace je proces vzniku, růstu a prudkého kolapsu mikroskopických bublinek v kapalině vystavené působení vysoce intenzivního ultrazvuku. Kolaps těchto bublinek vyvolává intenzivní lokální smykové síly, mikroproudy kapaliny, rázové vlny, vysoké tlakové gradienty a silné mikromixační účinky.
Jaký je rozdíl mezi ultrazvukovou kavitací a akustickou kavitací?
Akustická kavitace je obecný termín pro kavitaci vyvolanou zvukovými vlnami. Ultrazvuková kavitace je akustická kavitace vyvolaná ultrazvukovými frekvencemi, které se obvykle nacházejí nad hranicí slyšitelnosti. V průmyslovém zpracování kapalin se oba termíny často používají pro kavitaci vyvolanou vysoce výkonnými ultrazvukovými generátory.
Jak ultrazvuková kavitace zlepšuje zpracování kapalin?
Ultrazvuková kavitace zlepšuje zpracování kapalin tím, že v nich vyvolává intenzivní mechanické a chemické účinky. Mechanické účinky napomáhají míchání, homogenizaci, emulgaci, rozrušování shluků částic, mokrému mletí, extrakci a rozrušování buněk. V reaktivních systémech může kavitace rovněž podporovat sonochemické účinky a zlepšovat přenos hmoty.
V jakých aplikacích se využívá ultrazvuková kavitace?
Ultrazvuková kavitace se využívá k homogenizaci, dispergaci, emulgaci, nanoemulgaci, extrakci, odplyňování, deaglomeraci, zmenšování velikosti částic, lýze buněk, narušení mikrobiálních struktur, sonochemii, sonokatalýze a pokročilým reakcím v kapalné fázi.
Proč jsou ultrazvukové generátory sondového typu účinné při kavitaci?
Ultrazvukové generátory sondového typu přenášejí ultrazvukovou energii přímo do kapaliny prostřednictvím sonotrody. Toto přímé přenos energie vytváří v blízkosti povrchu sondy intenzivní kavitační zónu a umožňuje přesné nastavení důležitých procesních parametrů, jako jsou amplituda, příkon, teplota, tlak a doba zpracování.
Je ultrazvuková lázeň vhodná pro silnou kavitaci?
Ultrazvukové lázně vyvolávají kavitaci, avšak hustota energie je u nich obvykle mnohem nižší a méně soustředěná než u sondových ultrazvukových zařízení. Lázně se hodí k čištění a šetrnému zpracování, zatímco sondová ultrazvuková zařízení se upřednostňují pro reprodukovatelnou homogenizaci, extrakci, emulgaci, disperzi, rozrušování buněk a průmyslové zpracování kapalin.
Přečtěte si a podívejte se, v čem se liší sondové ultrazvukové přístroje a ultrazvukové lázně!
Jaké 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 komory, průtok a doba zdržení. Úpravou těchto parametrů lze intenzitu kavitace přizpůsobit požadovanému výsledku procesu.
Je možné ultrazvukovou kavitaci přenést z laboratoře do sériové výroby?
Ano. Procesy ultrazvukové kavitace lze vyvinout v laboratorním měřítku a přenést do pilotního či průmyslového měřítka prostřednictvím regulace amplitudy, příkonu, geometrie sonotrody, průtoku a doby zdržení. Společnost Hielscher nabízí ultrazvukové přístroje a reaktory pro laboratorní testování, pilotní zkoušky i nepřetržitou 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 laboratoř k průmyslová velikost.