Ultraschallkavitation in Flüssigkeiten

Ultraschallwellen mit hoher Intensität erzeugen in Flüssigkeiten Kavitation. Kavitation verursacht lokal extreme Effekte wie Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 1000 km/h, Drücke von bis zu 2000atm und Temperaturen von bis zu 5000 Kelvin.

Über Ultraschallkavitation

Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1000hdT (1kW) ultrasonicator
Bei der Beschallung von Flüssigkeiten mit hoher Intensität führen die Schallwellen, die sich in den flüssigen Medien ausbreiten, zu abwechselnden Hochdruck- (Kompression) und Niederdruckzyklen (Verdünnung), deren Geschwindigkeit von der Frequenz abhängt. Während des Niederdruckzyklus erzeugen die hochintensiven Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine Energie mehr absorbieren können, kollabieren sie gewaltsam während eines Hochdruckzyklus. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Bei der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5.000K) und Drücke (ca. 2.000atm) erreicht. Bei der Implosion der Kavitationsblase entstehen zudem Flüssigkeitsstrahlen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 280m/s.

Akustische oder Ultraschall-Kavitation: Kavitationsblasenwachstum und Implosion

Akustische Kavitation (erzeugt mittels Leistungsultraschall) schafft lokal extreme Bedingungen, sogenannte sonomechanische und sonochemische Effekte. Durch diese Effekte fördert die Beschallung chemische Reaktionen, was zu höheren Ausbeuten, schnellerer Reaktionsgeschwindigkeit, neuen Wegen und verbesserter Gesamteffizienz führt.

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Acoustic cavitation as shown here at the Hielscher ultrasonicator UIP1500hdT is used to initiate and promote chemical reactions. Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1500hdT (1500W) ultrasonicator for sonochemical reactions.

Ultraschallkavitation an der Kaskadensonde des Ultraschallgeräts UIP1000hdT (1000 Watt, 20kHz) in einem Glasreaktor.

Video der Akustischen Kavitation

Dieses Video zeigt Ultraschall / akustische Kavitation in Wasser - erzeugt durch das Hielscher UIP1000. Die Ultraschallkavitation wird für viele Flüssigkeitsanwendungen eingesetzt.

Ultraschall-Kavitation in Flüssigkeiten mit dem UIP1000

Kavitation Anwendungen

Die Effekte können in Flüssigkeiten für viele Prozesse genutzt werden, z.B. zum Mischen und Vermengen, Deagglomerieren, Mahlen und Zellaufschluss. Insbesondere die hohe Scherung der Flüssigkeitsstrahlen verursacht Risse an den Partikeloberflächen und Zusammenstöße zwischen den Partikeln.

Graphen-Exfoliation mit Ultraschall in Wasser

Eine Hochgeschwindigkeitssequenz (von a bis f) von Einzelbildern zur Veranschaulichung der ultraschall-basierten (sonomechanischen) Exfolierung einer Graphitflocke in Wasser mit dem UP200S, einem 200-W-Ultraschallgerät mit 3-mm-Sonotrode. Die Pfeile zeigen den Ort der Spaltung (Exfoliation) mit Kavitationsblasen, welche in die Spaltung eindringen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0 https://creativecommons.org/licenses)

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Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000
Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Literatur / Literaturhinweise


Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Bench-top-Homogenisatoren bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.