Ultralydkavitation i væsker
Ultralydskavitation er drivkraften bag højintensiv ultralydsbehandling af væsker. Når kraftig ultralyd overføres til en væske, dannes der mikroskopiske dampbobler, som vokser og kollapser voldsomt. Denne akustiske kavitation skaber intense lokale forskydningskræfter, mikrostråler, chokbølger, trykændringer og mikroblandingseffekter, der kan fremskynde homogenisering, dispergering, emulgering, ekstraktion, afgasning, celleopbrydning og sonokemiske reaktioner.
Hielschers probe-sonikatorer udnytter kontrolleret akustisk kavitation til at overføre ultralydsenergi direkte til væsker, suspensioner og opslæmninger. Fra små laboratorieprøver til kontinuerlig industriel gennemstrømningsproduktion giver Hielschers systemer mulighed for at justere amplitude, sonotrodegeometri, tryk, temperatur, gennemstrømningshastighed og opholdstid for at opnå reproducerbare kavitationsresultater.
- Til laboratorier: udvikle og optimere ultralydsparametre i små mængder.
- Til pilotanlæg: at validere kavitationsbaserede processer under realistiske procesbetingelser.
- Til produktion: anvende ultralydskavitation i batch-, recirkulations- eller kontinuerlige inline-processer.
Fortæl os, hvilken væske du arbejder med, samt batchstørrelse eller gennemstrømningshastighed, viskositet, faststofindhold, temperaturgrænser og det ønskede procesresultat. Vi vil anbefale den optimale kombination af ultralydsapparat, sonotrode og gennemstrømningscelle til din kavitationsopgave.
Ultralydsapparater af sondetypen, såsom UP400St Brug arbejdsprincippet for akustisk kavitation.
Arbejdsprincippet for ultralydskavitation
Ved sonikering af væsker ved høje intensiteter resulterer lydbølgerne, der forplanter sig ind i det flydende medie, i skiftende højtryk (kompression) og lavtryk (sjældenhed) cyklusser, med hastigheder afhængigt af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne opnår et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes kavitation. Under implosionen nås meget høje temperaturer (ca. 5.000 K) og tryk (ca. 2.000 atm) lokalt. Implosionen af kavitationsboblen resulterer også i væskestråler med en hastighed på op til 280 m/s.
Akustisk kavitation (genereret af power ultralyd) skaber lokalt ekstreme forhold, såkaldte sonomekaniske og sonokemiske effekter. På grund af disse virkninger fremmer sonikering kemiske reaktioner, der fører til højere udbytter, hurtigere reaktionshastighed, nye veje og forbedret samlet effektivitet.
Ultralydsprobe eller ultralydsbad: Hvilken kavitationsmetode er den rigtige?
Både probesonicatorer og ultralydsbade frembringer akustisk kavitation, men de adskiller sig markant med hensyn til intensitet, kontrol og procespålidelighed. Mens ultralydsbade er nyttige til rengøring, overfører probe-sonikatorer ultralydsenergi direkte til væsken og skaber en meget stærkere, fokuseret kavitationszone. Dette gør probe-sonikatorer til det foretrukne valg til reproducerbare væskebehandlingsanvendelser såsom homogenisering, emulgering, ekstraktion, celleopbrydning, nanopartikeldispersion og sonokemiske reaktioner.
| Sammenligningskriterier | sonde sonde soniker | ultralyd bad |
|---|---|---|
| kavitationsintensitet | Frembringer akustisk kavitation med høj intensitet direkte ved sonotrodenes spids. | Frembringer svagere kavitation, der er fordelt over hele badets volumen. |
| Energioverførsel | Overfører ultralydsenergi direkte til væsken, suspensionen eller opslæmningen. | Overfører energi indirekte gennem badevæsken og beholdervæggen. |
| Proceskontrol | Giver mulighed for præcis indstilling af amplitude, indgangseffekt, pulsmodus, temperatur og behandlingstid. | Giver kun begrænset kontrol over den faktiske ultralydsenergi, der når frem til prøven. |
| Reproducerbarhed | Giver reproducerbare ultralydsbehandlingsresultater, når procesparametrene er fastlagt og overvåges. | Resultaterne kan variere på grund af ujævn fordeling af kavitation, beholderens placering, beholderens materiale, påfyldningsniveauet og fyldningen af badet. |
| Behandlingseffektivitet | Ydermæssigt effektiv til homogenisering, dispergering, emulgering, ekstraktion, celleopbrydning og sonokemi. | Egnet primært til rengøring. |
| Sample Volumen | Kan leveres til både små laboratorieprøver samt pilot- og industriproduktion. | Anvendes typisk til små beholdere eller flere beholdere, der placeres inde i badet. |
| opskalering | Kan skaleres fra laboratorieforsøg til pilotforsøg og til kontinuerlig industriel inline-forarbejdning. | Det er vanskeligt at skalere pålideligt, da energifordelingen og kavitationsintensiteten ikke let kan overføres. |
| Egnede medier | Velegnet til væsker, emulsioner, suspensioner, opslæmninger og formuleringer med højt tørstofindhold. | Velegnet til væsker med lav viskositet og enkle rengørings- eller afgasningsopgaver. |
| Typiske anvendelser | Dispersion af nanopartikler, nanoemulsioner, ekstraktion, cellelyse, homogenisering, deagglomerering, vådformaling og sonokemiske reaktioner. | Rengøring af glasudstyr, afgasning af væsker, opløsning af pulver og let omrystning af prøver. |
| Det bedste valg til | Kontrolleret, kraftfuld og reproducerbar ultralydsbehandling af væsker. | Enkel rengøring eller ultralydsbehandling med lav intensitet. |
Vigtige anvendelsesområder for sonikatorer og akustisk kavitation
Sonde-type ultralydapparater, også kendt som ultralydssonder, genererer effektivt intens akustisk kavitation i væsker. Derfor er de meget udbredt i forskellige applikationer på tværs af forskellige brancher. Nogle af de vigtigste anvendelser af akustisk kavitation genereret af sonde-type ultralydapparater inkluderer:
- Homogenisering: Ultralydssonder kan generere intens kavitation, som er karakteriseret som et energitæt felt af vibrations- og forskydningskræfter. Disse kræfter giver fremragende blanding, blanding og reduktion af partikelstørrelse. Ultralydshomogenisering producerer ensartet blandede suspensioner. Derfor anvendes sonikering til at fremstille homogen kolloid suspension med smalle fordelingskurver.
- Nanopartikel spredning: Ultralydapparater anvendes til dispersion, deagglomerering og vådfræsning af nanopartikler. Lavfrekvente ultralydsbølger kan generere virkningsfuld kavitation, som nedbryder agglomerater og reducerer partikelstørrelsen. Især den høje forskydning af væskestrålerne acceler partikler i væsken, som kolliderer med hinanden (interpartikelkollision), så partiklerne følgelig går i stykker og eroderer. Dette resulterer i en ensartet og stabil fordeling af partikler, der forhindrer sedimentering. Dette er afgørende inden for forskellige områder, herunder nanoteknologi, materialevidenskab og lægemidler.
- Emulgering og blanding: Sonde-type ultralydapparater bruges til at skabe emulsioner og blande væsker. Ultralydsenergien forårsager kavitation, dannelse og sammenbrud af mikroskopiske bobler, hvilket genererer intense lokale forskydningskræfter. Denne proces hjælper med at emulgere ikke-blandbare væsker og producerer stabile og fint dispergerede emulsioner.
- Ekstraktion: På grund af kavitationelle forskydningskræfter er ultralydapparater yderst effektive til at forstyrre cellulære strukturer og forbedre masseoverførsel mellem fast og flydende. Derfor bruges ultralydsekstraktion i vid udstrækning til at frigive intracellulært materiale såsom bioaktive forbindelser til produktion af botaniske ekstrakter af høj kvalitet.
- Afgasning og afluftning: Ultralydapparater af sondetype anvendes til at fjerne gasbobler eller opløste gasser fra væsker. Anvendelsen af ultralydskavitation fremmer sammensmeltningen af gasbobler, så de vokser og flyder til toppen af væsken. Ultralydskavitation gør afgasning til en hurtig og effektiv procedure. Dette er værdifuldt i forskellige industrier, såsom i maling, hydraulikvæsker eller fødevare- og drikkevareforarbejdning, hvor tilstedeværelsen af gasser kan påvirke produktkvaliteten og stabiliteten negativt.
- Sonokatalyse: Ultralydssonder kan bruges til sonokatalyse, en proces, der kombinerer akustisk kavitation med katalysatorer for at forbedre kemiske reaktioner. Kavitationen genereret af ultralydsbølger forbedrer masseoverførslen, øger reaktionshastighederne og fremmer produktionen af frie radikaler, hvilket fører til mere effektive og selektive kemiske transformationer.
- Forberedelse af prøve: Sonde-type ultralydapparater anvendes almindeligvis i laboratorier til prøveforberedelse. De bruges til at homogenisere, opdele og udtrække biologiske prøver, såsom celler, væv og vira. Ultralydsenergien, der genereres af sonden, forstyrrer cellemembranerne, frigiver cellulært indhold og letter yderligere analyse.
- 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 ultralydsbølger og den derved genererede kavitation forårsager mekanisk belastning og forskydningskræfter, hvilket resulterer i opløsning af cellestrukturer. I biologisk forskning og medicinsk diagnostik anvendes sonde-type ultralydapparater til cellelyse, processen med at bryde celler op for at frigive deres intracellulære komponenter. Ultralydsenergi forstyrrer cellevægge, membraner og organeller, hvilket muliggør ekstraktion 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 sonokemi, 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 billeder, der illustrerer sono-mekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200S, en 200W ultralydsapparat med 3 mm sonotrode. Pile viser stedet for opdeling af partikler med kavitationsbobler, der trænger ind i splittelsen.
© Tyurnina et al. 2020
Udnyt fordelene ved ultralydskavitation!
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Video af akustisk kavitation i væske
Følgende video demonstrerer akustisk kavitation ved kascatroden af ultralydsapparatet UIP1000hdT i en vandfyldt glassøjle. Glassøjlen belyses nedefra med rødt lys for at forbedre visualiseringen af kavitationsboblerne.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsapplikationer, dispersion, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, pilot- og industriel skala.
Ofte stillede spørgsmål
Hvad er ultralydskavitation?
Ultralydskavitation er dannelsen, væksten og det voldsomme sammenbrud af mikroskopiske bobler i en væske, der udsættes for højintensivt ultralyd. Sammenbruddet af disse bobler skaber intens lokal forskydning, mikrostråler af væske, chokbølger, store trykgradienter og kraftige mikroblandingseffekter.
Hvad er forskellen mellem ultralydskavitation og akustisk kavitation?
Akustisk kavitation er den generelle betegnelse for kavitation forårsaget af lydbølger. Ultralydskavitation er akustisk kavitation, der genereres af ultralydsfrekvenser, typisk uden for det hørbare område. I industriel væskebehandling bruges begge udtryk ofte om kavitation, der frembringes af højtydende ultralydsenheder.
Hvordan forbedrer ultralydskavitation behandlingen af væsker?
Ultralydskavitation forbedrer væskeforarbejdningen ved at frembringe kraftige mekaniske og kemiske virkninger i væsken. De mekaniske virkninger fremmer blanding, homogenisering, emulgering, nedbrydning af partikelklumper, vådformaling, ekstraktion og celleopbrydning. I reaktive systemer kan kavitation også fremme sonokemiske virkninger og forbedre masseoverførslen.
Hvilke anvendelser bruger ultralydskavitation?
Ultralydskavitation anvendes til homogenisering, dispergering, emulgering, nanoemulgering, ekstraktion, afgasning, deagglomerering, reduktion af partikelstørrelse, cellelyse, nedbrydning af mikroorganismer, sonokemi, sonokatalyse og avancerede reaktioner i væskefase.
Hvorfor er ultralydsgeneratorer af sondetypen effektive til kavitation?
Ultralydsgeneratorer af sondetypen overfører ultralydsenergi direkte ned i væsken via en sonotrode. Denne direkte energikobling skaber en intensiv kavitationszone tæt på sondens overflade og muliggør præcis justering af vigtige procesparametre såsom amplitude, effekt, temperatur, tryk og behandlingstid.
Er et ultralydsbad egnet til kraftig kavitation?
Ultralydsbade frembringer kavitation, men energitætheden er normalt langt lavere og mindre koncentreret end ved ultralydsapparater med sonde. Baderne er velegnede til rengøring og skånsom behandling, mens ultralydsapparater med sonde foretrækkes til reproducerbar homogenisering, ekstraktion, emulgering, dispersion, celleopbrydning og industriel væskebehandling.
Læs og se, hvordan ultralydsapparater med sonde og ultralydsbad adskiller sig fra hinanden!
Hvilke parametre påvirker intensiteten af ultralydskavitation?
Vigtige parametre omfatter amplitude, ultralydseffekt, sonotrodeoverfladeareal, væskevolumen, viskositet, faststofindhold, tryk, temperatur, beholdergeometri, gennemstrømningscellegeometri, gennemstrømningshastighed og opholdstid. Ved at justere disse parametre kan kavitationsintensiteten tilpasses procesmålet.
Kan ultralydskavitation overføres fra laboratoriet til produktionen?
Ja. Ultralydskavitationsprocesser kan udvikles i laboratorieformat og overføres til pilot- eller industriel skala ved at regulere amplituden, energitilførslen, sonotrodenes geometri, gennemstrømningshastigheden og opholdstiden. Hielscher tilbyder ultralydsapparater og reaktorer til laboratorietest, pilotforsøg og kontinuerlig industriel produktion.
Litteratur / Referencer
- 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 fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.