Ultraheli kavitatsioon vedelikes
Ultraheli kavitatsioon on suure intensiivsusega ultraheli vedelikutöötluse liikumapanev jõud. Kui võimas ultraheli juhitakse vedelikku, tekivad mikroskoopilised aurumullid, mis kasvavad ja kollapseeruvad vägivaldselt. See akustiline kavitatsioon tekitab intensiivseid lokaalseid nihkejõude, mikrovoogusid, lööklaineid, rõhumuutusi ja mikrosegamisefekte, mis võivad kiirendada homogeniseerimist, dispergeerimist, emulgeerimist, ekstraheerimist, gaasieemaldust, rakkude lõhkumist ja sonokeemilisi reaktsioone.
Hielscheri sondtüüpi sonikaatorid kasutavad kontrollitud akustilist kavitatsiooni, et kanda ultraheli energia otse vedelikesse, suspensioonidesse ja läbidesse. Väikestest laboriproovidest pidevate tööstuslike läbivoolutootmiseni võimaldavad Hielscheri süsteemid reguleerida amplituudi, sonotroodi geomeetriat, rõhku, temperatuuri, vooluhulka ja viibeaega, et saavutada korratavaid kavitatsioonitulemusi.
- Laboritele: töötage välja ja optimeerige ultraheli töötluse parameetreid väikestes mahtudes.
- Pilootjaamadele: valideerige kavitatsioonil põhinevaid protsesse realistlikes töötlustingimustes.
- Tootmisele: skaleerige ultraheli kavitatsioon partii-, retsirkulatsiooni- või pidevateks inline-protsessideks.
Öelge meile oma vedelik, partii maht või vooluhulk, viskoossus, tahkete osakeste sisaldus, temperatuuripiirangud ja soovitud protsessitulemus. Soovitame teie kavitatsioonirakenduse jaoks optimaalse sonikaatori, sonotroodi ja läbivoolukambri konfiguratsiooni.
Sondtüüpi sonikaatorid, näiteks UP400St, kasutavad akustilise kavitatsiooni tööpõhimõtet.
Ultraheli kavitatsiooni tööpõhimõte
Vedelike sonikeerimisel suure intensiivsusega kanduvad vedelikku levivad helilained tekitavad vahelduvaid kõrgrõhu- (kokkusurumis-) ja madalrõhu- (hõrendus-) tsükleid, mille sagedus sõltub lainesagedusest. Madalrõhutsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultraheli lained vedelikku väikesi vaakumimulle ehk tühimikke. Kui mullid saavutavad mahu, mille juures nad ei suuda enam energiat neelata, kollapseeruvad nad kõrgrõhutsükli ajal vägivaldselt. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. Implosiooni ajal saavutatakse lokaalselt väga kõrged temperatuurid (ca 5 000K) ja rõhud (ca 2 000atm). Kavitatsioonimulli implosiooni tulemusel tekivad ka vedelikujoad kiirusega kuni 280m/s.
Akustiline kavitatsioon (tekitatud võimsa ultrahelilainega) loob lokaalselt äärmuslikud tingimused, nn sonomehaanilised ja sonokeemilised efektid. Nende efektide tõttu soodustab ultraheli töötlus keemilisi reaktsioone, mis toob kaasa suurema saagise, kiirema reaktsioonikiiruse, uued reaktsiooniteed ja parema üldise efektiivsuse.
Sondsonikaator või ultrahelivann: milline kavitatsioonimeetod on õige?
Sondsonikaatorid ja ultrahelivannid tekitavad mõlemad akustilist kavitatsiooni, kuid need erinevad oluliselt intensiivsuse, kontrolli ja protsessi töökindluse poolest. Kui ultrahelivannid sobivad puhastamiseks, siis sondtüüpi sonikaatorid juhivad ultraheli energia otse vedelikku ja tekitavad palju tugevama, fokuseeritud kavitatsioonitsooni. See muudki sondsonikaatorid eelistatud valikuks korratavates vedelikutöötlusrakendustes, nagu homogeniseerimine, emulgeerimine, ekstraheerimine, rakkude lõhkumine, nanoosakeste dispergeerimine ja sonokeemilised reaktsioonid.
| Võrdluskriteeriumid | Sondsonikaator | Ultrahelivann |
|---|---|---|
| Kavitatsiooni intensiivsus | Tekitab suure intensiivsusega akustilist kavitatsiooni otse sonotroodi otsas. | Tekitab nõrgemat kavitatsiooni, mis jaotub üle vanni mahu. |
| Energia ülekanne | Kannab ultraheli energia otse vedelikku, suspensiooni või läbi. | Kannab energia üle kaudselt vannivedeliku ja anuma seina kaudu. |
| Protsessi juhtimine | Võimaldab täpselt reguleerida amplituudi, sisendvõimsust, impulssrežiimi, temperatuuri ja töötlusaega. | Pakub piiratud kontrolli proovini jõudva tegeliku ultraheli energia üle. |
| Korratavus | Annab korratavaid sonikeerimistulemusi, kui protsessiparameetrid on määratletud ja jälgitavad. | Tulemused võivad varieeruda kavitatsiooni ebaühtlase jaotuse, anuma asukoha, anuma materjali, täitetaseme ja vanni koormuse tõttu. |
| Töötlusefektiivsus | Väga tõhus homogeniseerimiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks, ekstraheerimiseks, rakkude lõhkumiseks (desintegreerimiseks) ja sonokeemiaks. | Sobib peamiselt puhastamiseks. |
| Proovi maht | Saadaval väikeste laboriproovide jaoks ning samuti pilootmahtude ja tööstuslike mahtude jaoks. | Kasutatakse tavaliselt väikeste anumate või mitme vanni sisse asetatud mahuti jaoks. |
| Skaleerimine | Saab skaleerida laborikatsetest pilootkatseteni ja pidevate tööstuslike läbivoolusüsteemideni. | Raske usaldusväärselt skaleerida, kuna energia jaotust ja kavitatsiooni intensiivsust ei ole lihtne üle kanda. |
| Sobivad keskkonnad | Tõhus vedelike, emulsioonide, suspensioonide, läga ja suure tahkisesisaldusega koostiste puhul. | Sobib kõige paremini väikese viskoossusega vedelikele ning lihtsatele puhastus- või gaasieemaldusülesannetele. |
| Tüüpilised rakendused | Nanoosakeste dispergeerimine, nanoemulsioonid, ekstraheerimine, rakkude lüüs, homogeniseerimine, deaglomeratsioon, märgjahvatus ja sonokeemilised reaktsioonid. | Klaasnõude puhastamine, vedelike gaasieemaldus, pulbrite lahustamine ja õrn proovi segamine. |
| Parim valik | Kontrollitud, võimas ja reprodutseeritav vedelike ultraheli töötlus. | Lihtne puhastamine või väikese intensiivsusega ultraheli töötlus. |
Sonikaatorite ja akustilise kavitatsiooni peamised rakendused
Sondtüüpi ultraheli seadmed, tuntud ka kui ultraheli sondid, tekitavad vedelikes tõhusalt intensiivset akustilist kavitatsiooni. Seetõttu kasutatakse neid laialdaselt mitmesugustes rakendustes eri tööstusharudes. Mõned sondtüüpi ultraheli seadmete tekitatud akustilise kavitatsiooni olulisemad rakendused on järgmised:
- Homogeniseerimine: Ultraheli sondid võivad tekitada intensiivset kavitatsiooni, mida iseloomustatakse kui suure energiatihedusega vibratsiooni- ja nihkejõudude välja. Need jõud tagavad suurepärase segamise, sulandamise ja osakeste suuruse vähendamise. Ultraheli homogeniseerimine annab ühtlaselt segunenud suspensioonid. Seetõttu kasutatakse ultraheli töötlust homogeense kolloidse suspensiooni tootmiseks kitsaste jaotuskõveratega.
- Nanoosakeste dispergeerimine: Ultraheli seadmeid kasutatakse nanoosakeste dispergeerimiseks, deaglomeratsiooniks ja märgjahvatuseks. Madala sagedusega ultrahelilained võivad tekitada mõjuvat kavitatsiooni, mis lõhub aglomeraate ja vähendab osakeste suurust. Eriti vedeliku joade suur nihe kiirendab vedelikus osakesi, mis põrkuvad üksteisega (osakestevaheline kokkupõrge), nii et osakesed seetõttu purunevad ja erodeeruvad. Selle tulemuseks on osakeste ühtlane ja stabiilne jaotus, mis hoiab ära settimise. See on ülioluline mitmesugustes valdkondades, sealhulgas nanotehnoloogias, materjaliteaduses ja farmaatsias.
- Emulgeerimine ja segamine: Sondtüüpi ultraheli seadmeid kasutatakse emulsioonide valmistamiseks ja vedelike segamiseks. Ultraheli energia põhjustab kavitatsiooni, mikroskoopiliste mullide teket ja kollapsit, mis tekitab intensiivseid kohalikke nihkejõude. See protsess aitab emulgeerida segunematuid vedelikke, andes stabiilseid ja peeneks dispergeeritud emulsioone.
- Ekstraheerimine: Kavitatsioonilise nihkejõu tõttu on ultraheli seadmed väga tõhusad rakustruktuuride lõhkumisel ning tahke aine ja vedeliku vahelise massiülekande parandamisel. Seetõttu kasutatakse ultraheli ekstraheerimist laialdaselt rakusisese materjali, näiteks bioaktiivsete ühendite vabastamiseks kvaliteetsete taimsete ekstraktide tootmisel.
- Gaasieemaldus ja õhueemaldus: Sondtüüpi ultraheli seadmeid kasutatakse gaasimullide või lahustunud gaaside eemaldamiseks vedelikest. Ultraheli kavitatsiooni rakendamine soodustab gaasimullide koalestsentsi, nii et need kasvavad ja tõusevad vedeliku pinnale. Ultraheli kavitatsioon muudab gaasieemalduse kiireks ja tõhusaks protseduuriks. See on väärtuslik mitmesugustes tööstusharudes, näiteks värvide, hüdrovedelike ning toidu- ja joogitöötluse puhul, kus gaaside olemasolu võib toote kvaliteeti ja stabiilsust negatiivselt mõjutada.
- Sonokatalüüs: Ultraheliprobe saab kasutada sonokatalüüsiks – protsessiks, mis ühendab akustilise kavitatsiooni katalüsaatoritega, et tugevdada keemilisi reaktsioone. Ultrahelilainete tekitatud kavitatsioon parandab massiülekannet, suurendab reaktsioonikiirust ja soodustab vabade radikaalide teket, mis viib tõhusamate ja selektiivsemate keemiliste muundumisteni.
- Proovide ettevalmistus: Sondtüüpi ultraheli homogenisaatoreid kasutatakse laborites sageli proovide ettevalmistamiseks. Nendega homogeniseeritakse, desagregeeritakse ja ekstraheeritakse bioloogilisi proove, näiteks rakke, kudesid ja viiruseid. Sondi tekitatud ultraheli energia lõhub rakumembraane, vabastab rakusisu ja hõlbustab edasist analüüsi.
- Desintegreerimine ja rakkude lõhkumine: Sondtüüpi ultraheli homogenisaatoreid kasutatakse rakkude ja kudede desintegreerimiseks ja lõhkumiseks erinevatel eesmärkidel, näiteks rakusiseste komponentide ekstraheerimiseks, mikroobide inaktiveerimiseks või analüüsiks mõeldud proovide ettevalmistamiseks. Suure intensiivsusega ultrahelilained ja nende tekitatud kavitatsioon põhjustavad mehaanilist pinget ja nihkejõude, mille tulemusel rakustruktuurid desintegreeruvad. Bioloogilistes uuringutes ja meditsiinilises diagnostikas kasutatakse sondtüüpi ultraheli homogenisaatoreid rakkude lüüsimiseks ehk rakkude avamiseks nende rakusiseste komponentide vabastamise eesmärgil. Ultraheli energia lõhub rakuseinu, membraane ja organelle, võimaldades ekstraheerida valke, DNA-d, RNA-d ja muid rakukomponente.
Need on mõned sondtüüpi ultraheli homogenisaatorite peamised rakendused, kuid tehnoloogial on veelgi laiem valik muid kasutusviise, sealhulgas sonokeemia, osakeste suuruse vähendamine (märgjahvatus), alt-üles osakeste süntees ning keemiliste ainete ja materjalide sonosüntees erinevates tööstusharudes, näiteks farmaatsias, toiduainetööstuses, biotehnoloogias ja keskkonnateadustes.
Kiire kaadrite järjestus (a-st f-ini), mis illustreerib grafiidihelbe sonomehaanilist koorimist vees kasutades seadet UP200S, 200 W ultraheli homogenisaatorit 3 mm sonotroodiga. Nooled näitavad kohta, kus osakesed lõhenevad, kui kavitatsioonimullid tungivad lõhesse.
© Tyurnina et al. 2020
Kasutage ära ultraheli kavitatsiooni eeliseid!
Allolev tabel annab ülevaate meie ultraheli homogenisaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500 mL | 10 kuni 200 mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000 mL | 20 kuni 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20 L | 0,2 kuni 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100 L | 2 kuni 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster, mis koosneb seadmetest UIP16000 |
Video akustilisest kavitatsioonist vedelikus
Järgmine video demonstreerib akustilist kavitatsiooni ultraheli homogenisaatori UIP1000hdT kaskatroodil veega täidetud klaaskolonnis. Klaaskolonni valgustatakse altpoolt punase valgusega, et kavitatsioonimullid oleksid paremini nähtavad.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks labori-, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.
Korduma kippuvad küsimused
Mis on ultraheli kavitatsioon?
Ultraheli kavitatsioon on mikroskoopiliste mullide teke, kasv ja äge kollaps vedelikus, mida mõjutab suure intensiivsusega ultraheli. Nende mullide kollaps tekitab intensiivset kohalikku nihet, vedeliku mikrojugasid, lööklaineid, suuri rõhugradiente ja tugevat mikrosegunemist.
Mis vahe on ultraheli kavitatsioonil ja akustilisel kavitatsioonil?
Akustiline kavitatsioon on üldmõiste helilainetest põhjustatud kavitatsiooni kohta. Ultraheli kavitatsioon on akustiline kavitatsioon, mida tekitavad ultrahelisagedused, mis jäävad tavaliselt kuuldavusulatusest kõrgemale. Tööstuslikus vedelike töötlemises kasutatakse mõlemat terminit sageli suure võimsusega ultraheli homogenisaatorite tekitatud kavitatsiooni kohta.
Kuidas ultraheli kavitatsioon vedelike töötlemist parandab?
Ultraheliga tekitatud kavitatsioon parandab vedelike töötlemist, tekitades vedelikus intensiivseid mehaanilisi ja keemilisi efekte. Mehaanilised efektid toetavad segamist, homogeniseerimist, emulgeerimist, osakeste deaglomeratsiooni, märgjahvatust, ekstraheerimist ja rakkude lõhkumist. Reaktiivsetes süsteemides võib kavitatsioon soodustada ka sonokeemilisi efekte ja parandada massiülekannet.
Millistes rakendustes kasutatakse ultraheli kavitatsiooni?
Ultraheli kavitatsiooni kasutatakse homogeniseerimiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks, nanoemulgeerimiseks, ekstraheerimiseks, gaasi eemaldamiseks, deaglomeratsiooniks, osakeste suuruse vähendamiseks, rakkude lüüsiks, mikroobide hävitamiseks, sonokeemiaks, sonokatalüüsiks ja täiustatud vedelikufaasi reaktsioonideks.
Miks on sondtüüpi ultraheli seadmed kavitatsiooni tekitamiseks tõhusad?
Sondtüüpi ultraheli seadmed edastavad ultraheli energiat sonotroodi kaudu otse vedelikku. See otsene energia sidestus tekitab sondi pinna lähedal intensiivse kavitatsioonitsooni ja võimaldab täpselt reguleerida olulisi protsessiparameetreid, nagu amplituud, sisendvõimsus, temperatuur, rõhk ja töötlusaeg.
Kas ultraheli vann sobib tugeva kavitatsiooni tekitamiseks?
Ultraheli vannid tekitavad kavitatsiooni, kuid energiatihedus on tavaliselt oluliselt madalam ja vähem fokuseeritud kui sondtüüpi sonikaatoriga. Vannid sobivad puhastamiseks ja õrnaks töötluseks, samas kui sondtüüpi ultraheli seadmeid eelistatakse reprodutseeritava homogeniseerimise, ekstraheerimise, emulgeerimise, dispergeerimise, rakkude lõhkumise ja tööstusliku vedelikutöötluse jaoks.
Loe ja vaata, kuidas sondtüüpi sonikaatorid ja ultraheli vannid erinevad!
Millised parameetrid mõjutavad ultraheli kavitatsiooni intensiivsust?
Olulised parameetrid on amplituud, ultraheli võimsus, sonotroodi pindala, vedeliku maht, viskoossus, tahkisesisaldus, rõhk, temperatuur, anuma geomeetria, läbivoolukambri geomeetria, vooluhulk ja viibeaeg. Nende parameetrite reguleerimine võimaldab kavitatsiooni intensiivsust protsessi eesmärgiga kohandada.
Kas ultraheli kavitatsiooni saab laborist tootmisse skaleerida?
Jah. Ultraheli kavitatsiooniprotsesse saab välja töötada laboratoorsetes mahtudes ja üle kanda pilootmastaapi või tööstuslikku mastaapi, kontrollides amplituudi, energiasisendit, sonotroodi geomeetriat, vooluhulka ja viibeaega. Hielscher pakub ultraheli seadmeid ja reaktoreid laborikatsetuseks, piloottestideks ja pidevaks tööstuslikuks tootmiseks.
Kirjandus / viited
- 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 toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid laborist kuni tööstusliku suuruseni.