Võimsa ultraheli rakendamine ultraheli sarvede abil

Ultraheli sarvi ehk sonde kasutatakse laialdaselt mitmesugusteks vedelike töötlemise rakendusteks, sealhulgas homogeniseerimiseks, dispergeerimiseks, märgjahvatamiseks, emulgeerimiseks, ekstraheerimiseks, desintegreerimiseks, lahustamiseks ja õhueemalduseks. Tutvuge ultraheli sarvede, ultraheli sondide ja nende rakenduste põhitõdedega.

Ultraheli sarv vs ultraheli sond

Sageli kasutatakse mõisteid ultraheli sarv ja sond vaheldumisi ning need viitavad ultraheli vardale, mis edastab ultraheli lained vedelikku. Teised ultraheli sondi kohta kasutatavad terminid on akustiline sarv, sonotrood, akustiline lainejuht või ultraheli sõrm. Tehniliselt on aga ultraheli sarve ja ultraheli sondi vahel erinevus.
Nii sarv kui ka sond viitavad nn sondtüüpi ultraheli töötleja osadele. Ultraheli sarv on ultraheli muunduri metallosa, mida ergastavad piesoelektriliselt tekitatud vibratsioonid. Ultraheli sarv vibreerib kindla sagedusega, nt 20kHz, mis tähendab 20 000 vibratsiooni sekundis. Titaan on ultraheli sarvede valmistamisel eelistatud materjal tänu oma suurepärastele akustilise ülekande omadustele, tugevale väsimustugevusele ja pinnakõvadusele.

Ultraheli sondi nimetatakse ka sonotroodiks või ultraheli sõrmeks. See on metallvarras, mis on enamasti valmistatud titaanist ja keermega kinnitatud ultraheli sarve külge. Ultraheli sond on ultraheli protsessori oluline osa, mis edastab ultraheli lained sonikeeritavasse keskkonda. Ultraheli sonde / sonotroode on saadaval erineva kujuga (nt koonilised, teravatipulised, kitsenevad või Cascatrode’ina). Kuigi titaan on ultraheli sondide jaoks enimkasutatav materjal, on saadaval ka roostevabast terasest, keraamikast, klaasist ja muudest materjalidest sonotroode.

Kuna ultraheli sarv ja sond on sonikeerimise ajal pideva kokkusurumise või tõmbe all, on sarve ja sondi materjali valik ülioluline. Kvaliteetset titaanisulamit (klass 5) peetakse kõige töökindlamaks, vastupidavamaks ja tõhusamaks metalliks, mis talub pinget, säilitab suuri amplituude pikka aega ning edastab akustilisi ja mehaanilisi omadusi.

Lahustamine on ultrahelitöötluse levinud rakendus. Video näitab suhkrukristallide kiiret lahustamist vees seadmega Hielscher UP200St.

Suure jõudlusega ultraheli töötlejad töötavad enamasti sagedusvahemikus 20-30kHz. Sagedusel 20 kHz on ultraheli sond tavaliselt poole lainepikkusega resonantsvarras, mis laieneb ja tõmbub pidevalt kokku 20 000 korda sekundis. Laienemis- ja kokkutõmbumisliikumised edastatakse suure võimsusega ultrahelina protsessikeskkonda, st vedelikku või suspensiooni, et täita selliseid rakendusi nagu

• ultraheli kõrgnihkesegamine
• ultraheli märgjahvatamine
• nanoosakeste ultraheldispergeerimine
• ultraheli nanoemulgeerimine
• ultraheli ekstraheerimine
• ultraheli desintegreerimine
• ultraheli rakkude lõhkumine (desintegreerimine) ja lüüs
• ultraheli gaasieemaldus ja õhueemaldus
• sonokeemia (sonosüntees, sonokatalüüs)

Kuidas võimas ultraheli töötab? – Akustilise kavitatsiooni tööpõhimõte

Suure jõudlusega ultraheli rakenduste, nagu homogeniseerimine, osakeste suuruse vähendamine, desintegreerimine või nanodispersioonid, jaoks tekitab madalsageduslikku suure intensiivsusega ultraheli ultraheli muundur ning see edastatakse ultraheli sarve ja sondi (sonotrood) kaudu vedelikku. Suure võimsusega ultraheliks peetakse ultraheli vahemikus 16-30kHz. Ultraheli sond laieneb ja tõmbub kokku nt sagedusel 20kHz, edastades seeläbi vastavalt 20 000 vibratsiooni sekundis keskkonda. Kui ultraheli lained liiguvad läbi vedeliku, tekitavad vahelduvad kõrgrõhu (kokkusurumise) / madalrõhu (hõrendus / paisumine) tsüklid pisikesi õõnsusi (vaakumimulle), mis kasvavad mitme rõhutsükli jooksul. Vedeliku ja mullide kokkusurumisfaasis on rõhk positiivne, hõrendusfaasis tekib aga vaakum (negatiivne rõhk.) Kokkusurumis-paisumistsüklite ajal kasvavad vedelikus olevad õõnsused, kuni jõuavad suuruseni, mille juures nad ei suuda enam energiat neelata. Sel hetkel nad implodeeruvad vägivaldselt. Nende õõnsuste implosioon põhjustab mitmesuguseid väga energiarikkaid efekte, mida tuntakse akustilise / ultraheli kavitatsiooni fenomenina. Akustilist kavitatsiooni iseloomustavad mitmesugused väga energiarikkad efektid, mis mõjutavad vedelikke, tahke/vedel-süsteeme ning gaas/vedel-süsteeme. Energiatihedat tsooni ehk kavitatsioonitsooni tuntakse nn kuumpunkti tsoonina, mis on kõige energiatihedam ultraheli sondi vahetus läheduses ja nõrgeneb kauguse suurenedes sonotroodist. Ultraheli kavitatsiooni peamised tunnused on lokaalselt tekkivad väga kõrged temperatuurid ja rõhud ning vastavad erinevused, turbulents ja vedeliku voolamine. Ultraheli õõnsuste implosiooni ajal ultraheli kuumpunktides saab mõõta temperatuure kuni 5000 kelvinit, rõhke kuni 200 atmosfääri ja vedelikujoasid kiirusega kuni 1000km/h. Need erakordselt energiaintensiivsed tingimused aitavad kaasa sonomehaanilistele ja sonokeemilistele efektidele, mis intensiivistavad protsesse ja keemilisi reaktsioone mitmel viisil.
Ultraheli töötluse (sonikeerimise) peamine mõju vedelikele ja suspensioonidele on järgmine:

• Suur nihkejõud: Ultraheli suured nihkejõud lõhuvad vedelikke ja vedelik-tahke süsteeme, põhjustades intensiivset segunemist, homogeniseerumist ja massiülekannet.
• Löök: Ultraheli kavitatsiooni tekitatud vedelikujoad ja voolamine kiirendavad vedelikus olevaid tahkeid osakesi, mis viib seejärel osakestevahelise kokkupõrkeni. Kui osakesed põrkuvad väga suurel kiirusel, erodeeruvad need, purunevad ning jahvatatakse ja dispergeeritakse peeneks, sageli kuni nanosuuruseni. Bioloogilise materjali, näiteks taimsete materjalide puhul lõhuvad suure kiirusega vedelikujoad ja vahelduvad rõhutsüklid rakuseinad ning vabastavad rakusisese materjali. Selle tulemusel toimub bioaktiivsete ühendite väga tõhus ekstraheerimine ja bioloogilise materjali homogeenne segunemine.
• Segamine: Ultraheli töötlus põhjustab vedelikus või suspensioonis intensiivset turbulentsi, nihkejõude ja mikroliikumist. Seeläbi sonikeerimine alati intensiivistab massiülekannet ning kiirendab sellega reaktsioone ja protsesse.

Ultraheli homogenisaatoreid ja kõrgnihkesegisteid kasutatakse peaaegu igas töötlevas tööstuses, mis töötab vedelike või suspensioonidega. Intensiivsed ultraheli kavitatsioonijõud tekitavad intensiivset segunemist, nihet, osakeste purunemist ja massiülekannet. Seeläbi vedelikke homogeniseeritakse, dispergeeritakse, emulgeeritakse, ekstraheeritakse, lahustatakse ja/või käivitatakse keemilisi reaktsioone. Üldiselt on ultraheli töötlus protsesse intensiivistav meetod, mis suurendab saagist, parandab konversioonimäärasid ja muudab protsessid tõhusamaks.
Tavalised ultraheli rakendused tööstuses on levinud paljudes valdkondades, nagu toiduained & farmaatsia, peenkeemia, energeetika & petrokeemia, ringlussevõtt, biorafineerimistehased jne, ning hõlmavad järgmist:

• ultraheli biodiislikütuse süntees
• puuviljamahlade ultraheli homogeniseerimine
• vaktsiinide ultraheli tootmine
• liitiumioonakude ultraheli ringlussevõtt
• nanomaterjalide ultraheli süntees
• ravimite ultraheli formuleerimine
• CBD ultraheli nanoemulgeerimine
• taimsete ekstraktide ultraheli ekstraheerimine
• proovide ultraheli ettevalmistus laborites
• vedelike ultraheli gaasieemaldus
• toornafta ultraheli väävlitustamine
• ja palju muud …

Ultraheli sarved ja sondid suure jõudlusega rakenduste jaoks

Hielscher Ultrasonics on pikaajalise kogemusega suure võimsusega ultraheli töötlejate tootja ja turustaja, mille seadmeid kasutatakse kogu maailmas raskeks tööks paljudes tööstusharudes.
Ultraheli protsessoritega kõigis suurustes alates 50 vatist kuni 16kW seadme kohta, erineva suuruse ja kujuga sondidega ning erineva mahu ja geomeetriaga ultraheli reaktoritega on Hielscher Ultrasonicsil õiged seadmed, et konfigureerida teie rakenduse jaoks ideaalne ultraheli süsteem.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheli töötlejate ligikaudsest töötlusvõimsusest: