Ultralydbølger af ultralyd med høj intensitet genererer akustisk kavitation i væsker. Kavitation forårsager ekstreme virkninger lokalt, såsom væskestråler på op til 1000 km / t, tryk på op til 2000 atm og temperaturer på op til 5000 Kelvin. Disse ultralydgenererede kræfter anvendes til adskillige væskebehandlingsapplikationer såsom homogenisering, dispergering, emulgering, ekstraktion, celleforstyrrelse samt intensivering af kemiske reaktioner.

Arbejdsprincippet for ultralydkavitation

Når sonikering væsker ved høje intensiteter, lydbølger, der udbreder sig i det flydende medie resultere i alternerende høj-tryk (kompression) og lavt tryk (fortyndingscyklussen) cykler med rater, afhængigt af frekvensen. Under lavtryks-cyklus, høj intensitet ultrasoniske bølger skabe små vakuum bobler eller hulrum i væsken. Når boblerne nå et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, de kollapse voldsomt under en højtryks-cyklus. Dette fænomen betegnes kavitation. Under implosion meget høje temperaturer (ca.. 5,000K) og tryk (ca.. 2,000atm) nås lokalt. Implosion af kavitation boble resulterer også i væskestråler på op til 280m / s hastighed.

Akustisk kavitation (genereret af effekt ultralyd) skaber lokalt ekstreme forhold, såkaldte sonomekaniske og sonokemiske virkninger. På grund af disse virkninger fremmer sonikering kemiske reaktioner, der fører til højere udbytter, hurtigere reaktionshastighed, nye veje og forbedret samlet effektivitet.

Nøgleanvendelser af ultralydapparater ved hjælp af akustisk kavitation

Sonde-type ultralydapparater, også kendt som ultralydsonder, genererer effektivt intens akustisk kavitation i væsker. Derfor bruges de i vid udstrækning i forskellige applikationer på tværs af forskellige brancher. Nogle af de vigtigste anvendelser af akustisk kavitation genereret af sonde-type ultralydapparater omfatter:
 

1. Homogenisering: Ultralydssonder kan generere intens kavitation, som er karakteriseret som et energitæt felt af vibrationer og forskydningskræfter. Disse kræfter giver fremragende blanding, blanding og reduktion af partikelstørrelse. Ultralydhomogenisering producerer ensartet blandede suspensioner. Derfor anvendes sonikering til at producere homogen kolloid suspension med smalle fordelingskurver.
2. Nanopartikel spredning: Ultralydapparater anvendes til spredning, deagglomerering og vådfræsning af nanopartikler. Lavfrekvente ultralydbølger kan generere virkningsfuld kavitation, som nedbryder agglomerater og reducerer partikelstørrelsen. Især accelererer væskestrålernes høje forskydning partikler i væsken, som kolliderer med hinanden (interpartikelkollision), så partiklerne følgelig bryder og eroderer. Dette resulterer i ensartet og stabil fordeling af partikler, der forhindrer sedimentering. Dette er afgørende på forskellige områder, herunder nanoteknologi, materialevidenskab og lægemidler.
3. Emulgering og blanding: Sonde-type ultralydapparater bruges til at skabe emulsioner og blande væsker. Ultralydenergien forårsager kavitation, dannelse og sammenbrud af mikroskopiske bobler, hvilket genererer intense lokale forskydningskræfter. Denne proces hjælper med at emulgere ublandbare væsker, der producerer stabile og fint dispergerede emulsioner.
4. Ekstraktion: På grund af kavitationelle forskydningskræfter er ultralydapparater yderst effektive til at forstyrre cellulære strukturer og forbedre masseoverførslen mellem fast og flydende. Derfor er ultralydsekstraktion meget udbredt til at frigive intracellulært materiale såsom bioaktive forbindelser til produktion af botaniske ekstrakter af høj kvalitet.
5. Afgasning og afluftning: Sonde-type ultralydapparater anvendes til at fjerne gasbobler eller opløste gasser fra væsker. Anvendelsen af ultralydkavitation fremmer sammensmeltningen af gasbobler, så de vokser og flyder til toppen af væsken. Ultralydkavitation gør afgasning til en hurtig og effektiv procedure. Dette er værdifuldt i forskellige industrier, såsom i maling, hydrauliske væsker eller forarbejdning af mad og drikkevarer, hvor tilstedeværelsen af gasser kan påvirke produktkvaliteten og stabiliteten negativt.
6. Sonokatalyse: Ultralydsonder kan bruges til sonokatalyse, en proces, der kombinerer akustisk kavitation med katalysatorer for at forbedre kemiske reaktioner. Kavitationen genereret af ultralydbølger forbedrer masseoverførslen, øger reaktionshastighederne og fremmer produktionen af frie radikaler, hvilket fører til mere effektive og selektive kemiske transformationer.
7. Forberedelse af prøve: Sonde-type ultralydapparater er almindeligt anvendt i laboratorier til prøveforberedelse. De bruges til at homogenisere, opdele og ekstrahere biologiske prøver, såsom celler, væv og vira. Den ultralydsenergi, der genereres af sonden, forstyrrer cellemembranerne, frigiver cellulært indhold og letter yderligere analyse.
8. Opløsning og celleforstyrrelser: Sonde-type ultralydapparater bruges til at opløse og forstyrre celler og væv til forskellige formål, såsom ekstraktion af intracellulære komponenter, mikrobiel inaktivering eller prøveforberedelse til analyse. De højintensive ultralydbølger og den derved genererede kavitation forårsager mekanisk stress og forskydningskræfter, hvilket resulterer i opløsning af cellestrukturer. I biologisk forskning og medicinsk diagnostik anvendes sonde-type ultralydapparater til cellelyse, processen med at bryde åbne celler for at frigive deres intracellulære komponenter. Ultralydenergi forstyrrer cellevægge, membraner og organeller, hvilket muliggør udvinding af proteiner, DNA, RNA og andre cellulære bestanddele.

 
Dette er nogle af de vigtigste anvendelser af sonde-type ultralydapparater, men teknologien har en endnu bredere vifte af andre anvendelser, herunder sonochemistry, partikelstørrelsesreduktion (vådfræsning), bottom-up partikelsyntese og sonosyntese af kemiske stoffer og materialer i forskellige industrier såsom lægemidler, fødevareforarbejdning, bioteknologi og miljøvidenskab.

En højhastighedssekvens (fra a til f) af rammer, der illustrerer sono-mekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200S, en 200W ultralydator med 3 mm sonotrode. Pile viser stedet for opdeling af partikler med kavitationsbobler, der trænger ind i splittet.
© Tyurnina et al. 2020

Video af akustisk kavitation i væske

Følgende video demonstrerer akustisk kavitation ved kaskatroden af ultralydapparatet UIP1000hdT i en vandfyldt glassøjle. Glassøjlen belyses fra bunden af rødt lys for at forbedre visualiseringen af kavitationsboblerne.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: