Υπερήχων σπηλαίωση σε υγρά

Υπερηχητικά κύματα υπερήχων υψηλής έντασης δημιουργούν ακουστική σπηλαίωση σε υγρά. Η σπηλαίωση προκαλεί ακραίες επιπτώσεις τοπικά, όπως πίδακες υγρού έως 1000 χλμ/ώρα, πιέσεις έως 2000 atm και θερμοκρασίες έως 5000 Kelvin. Αυτές οι υπερηχητικά παραγόμενες δυνάμεις χρησιμοποιούνται για πολλές εφαρμογές επεξεργασίας υγρών όπως ομογενοποίηση, διασπορά, γαλακτωματοποίηση, εκχύλιση, κυτταρική διαταραχή, καθώς και την εντατικοποίηση των χημικών αντιδράσεων.

Η αρχή λειτουργίας της υπερηχητικής δημιουργίας κοιλότητας

Όταν κατεργασία με υπερήχους υγρά σε υψηλές εντάσεις, τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται στα υγρά μέσα έχουν ως αποτέλεσμα εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωση), με ρυθμούς ανάλογα με τη συχνότητα. Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης, τα υψηλής έντασης υπερηχητικά κύματα δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού ή κενά στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες επιτύχουν έναν όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση. Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm) επιτυγχάνονται τοπικά. Η κατάρρευση της φυσαλίδας σπηλαίωσης οδηγεί επίσης σε υγρούς πίδακες ταχύτητας έως 280m / s.

Η ακουστική σπηλαίωση (που παράγεται από υπερήχους ισχύος) δημιουργεί τοπικά ακραίες συνθήκες, τα λεγόμενα sonomechanical και sonochemical effects. Λόγω αυτών των επιδράσεων, υπερήχηση προωθεί χημικές αντιδράσεις που οδηγούν σε υψηλότερες αποδόσεις, ταχύτερη ταχύτητα αντίδρασης, νέες οδούς, και βελτιωμένη συνολική αποτελεσματικότητα.

Βασικές εφαρμογές των υπερήχων χρησιμοποιώντας ακουστική σπηλαίωση

Καθετήρας-τύπου υπερήχων, επίσης γνωστή ως υπερήχων ανιχνευτές, παράγουν αποτελεσματικά έντονη ακουστική σπηλαίωση σε υγρά. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορες εφαρμογές σε διαφορετικές βιομηχανίες. Μερικές από τις πιο σημαντικές εφαρμογές της ακουστικής σπηλαίωσης που παράγεται από υπερήχους τύπου καθετήρα περιλαμβάνουν:
 

1. Ομογενοποίηση: Υπερήχων ανιχνευτές μπορεί να δημιουργήσει έντονη σπηλαίωση, η οποία χαρακτηρίζεται ως ένα ενεργειακά πυκνό πεδίο των δυνάμεων δόνησης και διάτμησης. Αυτές οι δυνάμεις παρέχουν εξαιρετική ανάμειξη, ανάμειξη και μείωση μεγέθους σωματιδίων. Η ομογενοποίηση υπερήχων παράγει ομοιόμορφα μικτά εναιωρήματα. Ως εκ τούτου, υπερήχηση χρησιμοποιείται για την παραγωγή ομοιογενούς κολλοειδούς εναιωρήματος με στενές καμπύλες κατανομής.
2. Διασπορά νανοσωματιδίων: Υπερήχων χρησιμοποιούνται για τη διασπορά, αποσυσσωμάτωση και υγρή άλεση νανοσωματιδίων. Τα κύματα υπερήχων χαμηλής συχνότητας μπορούν να δημιουργήσουν εντυπωσιακή σπηλαίωση, η οποία διασπά τα συσσωματώματα και μειώνει το μέγεθος των σωματιδίων. Συγκεκριμένα, η υψηλή διάτμηση των πίδακες υγρού επιταχύνει τα σωματίδια στο υγρό, τα οποία συγκρούονται μεταξύ τους (σύγκρουση μεταξύ σωματιδίων) έτσι ώστε τα σωματίδια κατά συνέπεια να σπάσουν και να διαβρωθούν. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ομοιόμορφη και σταθερή κατανομή των σωματιδίων που εμποδίζουν την καθίζηση. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της νανοτεχνολογίας, της επιστήμης των υλικών και των φαρμακευτικών προϊόντων.
3. Γαλακτωματοποίηση και ανάμειξη: Οι υπερήχων τύπου καθετήρα χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία γαλακτωμάτων και την ανάμιξη υγρών. Η υπερηχητική ενέργεια προκαλεί σπηλαίωση, σχηματισμό και κατάρρευση μικροσκοπικών φυσαλίδων, η οποία δημιουργεί έντονες τοπικές δυνάμεις διάτμησης. Αυτή η διαδικασία βοηθά στη γαλακτωματοποίηση μη αναμίξιμων υγρών, παράγοντας σταθερά και λεπτά διασκορπισμένα γαλακτώματα.
4. Εξαγωγή: Λόγω των δυνάμεων διάτμησης σπηλαίωσης, οι υπερήχων είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικοί στη διατάραξη των κυτταρικών δομών και στη βελτίωση της μεταφοράς μάζας μεταξύ στερεού και υγρού. Ως εκ τούτου, υπερήχων εκχύλιση χρησιμοποιείται ευρέως για την απελευθέρωση ενδοκυτταρικό υλικό, όπως βιοδραστικές ενώσεις για την παραγωγή υψηλής ποιότητας βοτανικά εκχυλίσματα.
5. Απαέρωση και απαέρωση: Οι υπερήχων τύπου καθετήρα χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση φυσαλίδων αερίου ή διαλυμένων αερίων από υγρά. Η εφαρμογή της υπερηχητικής σπηλαίωσης προάγει τη συσσωμάτωση των φυσαλίδων αερίου έτσι ώστε να αναπτύσσονται και να επιπλέουν στην κορυφή του υγρού. Υπερήχων σπηλαίωση καθιστά απαέρωση μια γρήγορη και αποτελεσματική διαδικασία. Αυτό είναι πολύτιμο σε διάφορες βιομηχανίες, όπως σε χρώματα, υδραυλικά υγρά ή επεξεργασία τροφίμων και ποτών, όπου η παρουσία αερίων μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την ποιότητα και τη σταθερότητα του προϊόντος.
6. Ηχοκατάλυση: Υπερήχων ανιχνευτές μπορεί να χρησιμοποιηθεί για sonocatalysis, μια διαδικασία που συνδυάζει ακουστική σπηλαίωση με καταλύτες για την ενίσχυση των χημικών αντιδράσεων. Η σπηλαίωση που παράγεται από υπερηχητικά κύματα βελτιώνει τη μεταφορά μάζας, αυξάνει τους ρυθμούς αντίδρασης και προάγει την παραγωγή ελεύθερων ριζών, οδηγώντας σε πιο αποτελεσματικούς και επιλεκτικούς χημικούς μετασχηματισμούς.
7. Προετοιμασία δείγματος: Οι υπερήχων τύπου καθετήρα χρησιμοποιούνται συνήθως σε εργαστήρια για την προετοιμασία δειγμάτων. Χρησιμοποιούνται για την ομογενοποίηση, τη διάσπαση και την εξαγωγή βιολογικών δειγμάτων, όπως κύτταρα, ιστούς και ιούς. Η υπερηχητική ενέργεια που παράγεται από τον καθετήρα διαταράσσει τις κυτταρικές μεμβράνες, απελευθερώνοντας κυτταρικό περιεχόμενο και διευκολύνοντας την περαιτέρω ανάλυση.
8. Αποσύνθεση και κυτταρική διαταραχή: Οι υπερήχων τύπου καθετήρα χρησιμοποιούνται για να αποσυνθέσουν και να διαταράξουν τα κύτταρα και τους ιστούς για διάφορους σκοπούς, όπως η εκχύλιση ενδοκυτταρικών συστατικών, η μικροβιακή αδρανοποίηση ή η προετοιμασία δείγματος για ανάλυση. Τα υψηλής έντασης υπερηχητικά κύματα και η έτσι παραγόμενη σπηλαίωση προκαλούν μηχανική καταπόνηση και δυνάμεις διάτμησης, με αποτέλεσμα την αποσύνθεση των κυτταρικών δομών. Στη βιολογική έρευνα και την ιατρική διάγνωση, οι υπερήχων τύπου καθετήρα χρησιμοποιούνται για την κυτταρική λύση, τη διαδικασία θραύσης ανοικτών κυττάρων για την απελευθέρωση των ενδοκυτταρικών συστατικών τους. Υπερήχων ενέργεια διαταράσσει κυτταρικά τοιχώματα, μεμβράνες, και οργανίδια, επιτρέποντας την εκχύλιση των πρωτεϊνών, DNA, RNA, και άλλα κυτταρικά συστατικά.

 
Αυτές είναι μερικές από τις βασικές εφαρμογές των υπερήχων τύπου καθετήρα, αλλά η τεχνολογία έχει ένα ακόμη ευρύτερο φάσμα άλλων χρήσεων, συμπεριλαμβανομένης της sonochemistry, μείωση μεγέθους σωματιδίων (υγρή άλεση), σύνθεση σωματιδίων από κάτω προς τα πάνω και sono-σύνθεση χημικών ουσιών και υλικών σε διάφορες βιομηχανίες όπως τα φαρμακευτικά προϊόντα, η επεξεργασία τροφίμων, η βιοτεχνολογία και οι περιβαλλοντικές επιστήμες.

Μια ακολουθία υψηλής ταχύτητας (από το a έως το f) πλαισίων που απεικονίζουν τη sono-μηχανική απολέπιση μιας νιφάδας γραφίτη στο νερό χρησιμοποιώντας το UP200S, ένα υπερηχητικό 200W με sonotrode 3 mm. Τα βέλη δείχνουν τη θέση της διάσπασης σωματιδίων με φυσαλίδες σπηλαίωσης που διεισδύουν στη διάσπαση.
© Tyurnina et al. 2020

Βίντεο ακουστικής σπηλαίωσης σε υγρό

Το παρακάτω βίντεο δείχνει την ακουστική σπηλαίωση στον καταρράκτη του υπερηχητικού UIP1000hdT σε μια γυάλινη στήλη γεμάτη νερό. Η γυάλινη στήλη φωτίζεται από το κάτω μέρος με κόκκινο φως προκειμένου να βελτιωθεί η απεικόνιση των φυσαλίδων σπηλαίωσης.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: