Ultraheli kavitatsioon vedelikes
Ultrahelikavatsioon on suure intensiivsusega ultrahelilise vedeliku töötlemise liikumapanev jõud. Kui võimas ultraheli suunatakse vedelikku, tekivad mikroskoopilised aurumullid, mis kasvavad ja lõhkevad ägedalt. See akustiline kavitatsioon tekitab tugevaid kohalikke nihkejõude, mikrojette, lööklaineid, rõhumuutusi ja mikrosegamise efekte, mis võivad kiirendada homogeniseerimist, dispersiooni, emulgeerimist, ekstraheerimist, degaseerimist, rakkude purustamist ja sonokeemilisi reaktsioone.
Hielscheri sond-tüüpi ultraheliseadmed kasutavad kontrollitud akustilist kavitatsiooni, et suunata ultrahelienergiat otse vedelikesse, suspensioonidesse ja suspensioonidesse. Alates väikestest laboriproovidest kuni tööstusliku pidevvoo tootmiseni võimaldavad Hielscheri süsteemid reguleerida amplituudi, sonotroodi geomeetriat, rõhku, temperatuuri, voolukiirust ja viibeaega, et saavutada korratavaid kavitatsioonitulemusi.
- Laboritele: töötada välja ja optimeerida ultraheliparameetreid väikestes kogustes.
- Katsejaamadele: kaviteerimisele tuginevate protsesside tõhusust realistlikes töötingimustes.
- Tootmiseks: ultrahelikavitatiooni rakendamine partiipõhistes, ringlus- või pidevates protsessides.
Teatage meile vedeliku liik, partii maht või voolukiirus, viskoossus, tahkete osakeste sisaldus, temperatuuripiirid ja soovitud protsessitulemus. Soovitame teie kavitatsioonirakendusele optimaalse ultraheli seadme, sonotroodi ja voolukambri konfiguratsiooni.
Proovipõhised ultraheliseadmed, nagu näiteks UP400St Kasutage akustilise kavitatsiooni tööpõhimõtet.
Ultraheli kavitatsiooni tööpõhimõte
Suure intensiivsusega vedelike ultraheliga töötlemisel põhjustavad vedelasse keskkonda levivad helilained vahelduvaid kõrgsurve (kokkusurumine) ja madala rõhuga (haruldane) tsükleid, mille kiirused sõltuvad sagedusest. Madala rõhu tsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultraheli lained vedelikus väikesed vaakummullid või tühimikud. Kui mullid saavutavad mahu, mille juures nad ei suuda enam energiat absorbeerida, varisevad nad kõrgsurvetsükli ajal ägedalt kokku. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. Implosiooni ajal saavutatakse kohapeal väga kõrged temperatuurid (umbes 5,000K) ja rõhud (umbes 2,000atm). Kavitatsioonimulli implosioon põhjustab ka vedelikujoad kiirusega kuni 280 m / s.
Akustiline kavitatsioon (genereeritud võimsuse ultraheli abil) loob lokaalselt äärmuslikud tingimused, nn sonomehaanilised ja sonokeemilised efektid. Nende mõjude tõttu soodustab ultrahelitöötlus keemilisi reaktsioone, mis põhjustavad suuremat saagikust, kiiremat reaktsioonikiirust, uusi radu ja paremat üldist efektiivsust.
Sond-ultraheliseadmed või ultrahelivann: milline kavitatsioonimeetod on õige?
Nii sond-tüüpi ultraheliseadmed kui ka ultraheli-vannid tekitavad akustilist kavitatsiooni, kuid need erinevad oluliselt intensiivsuse, reguleeritavuse ja protsessi usaldusväärsuse poolest. Kui ultraheli vannid on kasulikud puhastamiseks, siis sond-tüüpi sonikaatorid suunavad ultrahelienergia otse vedelikku ja loovad palju tugevama, fokuseeritud kavitatsioonitsooni. See teeb sond-sonikaatorid eelistatud valikuks korratavate vedeliku töötlemise rakenduste jaoks, nagu homogeniseerimine, emulgeerimine, ekstraheerimine, rakkude purustamine, nanokübeme dispersioon ja sonokeemilised reaktsioonid.
| Võrdluskriteeriumid | Sondi sonikaator | ultraheli vann |
|---|---|---|
| kavitatsiooni intensiivsus | Tekitab suure intensiivsusega akustilist kavitatsiooni otse sonotroodi otsas. | Tekitab nõrgemat kavitatsiooni, mis jaotub kogu vanni mahu ulatuses. |
| Energia ülekanne | Suunab ultrahelienergia otse vedelikku, suspensiooni või paksendisse. | Edastab energiat kaudselt vannivee ja anumaseina kaudu. |
| protsessi juhtimine | Võimaldab täpselt reguleerida amplituudi, sisendvõimsust, impulssrežiimi, temperatuuri ja töötlemisaega. | Võimaldab piiratud kontrolli proovini jõudva ultrahelienergia üle. |
| Reprodutseeritavuse | Tagab korratavad ultrahelitöötlemise tulemused, kui protsessiparameetrid on kindlaks määratud ja neid jälgitakse. | Tulemused võivad erineda kavitatsiooni ebaühtlase jaotumise, anuma asendi, anuma materjali, täitmistaseme ja vannis oleva koormuse tõttu. |
| Töötlemise efektiivsus | Väga tõhus homogeniseerimiseks, dispersiooniks, emulgeerimiseks, ekstraheerimiseks, rakkude purustamiseks ja sonokeemias. | Sobib peamiselt puhastamiseks. |
| Proovi maht | Saadaval nii väikeste laboriproovide kui ka katse- ja tööstuslike koguste jaoks. | Kasutatakse tavaliselt väikeste anumate või vannis paiknevate mitme konteineri puhul. |
| Kasvutee | Seda on võimalik laiendada laborikatsetest pilootkatseteni ja pideva tööstusliku tootmisliini töötlemiseni. | Seda on raske usaldusväärselt mastaapida, kuna energia jaotumist ja kavitatsiooni intensiivsust ei ole lihtne üle kanda. |
| Sobivad andmekandjad | Sobib vedelikele, emulsioonidele, suspensioonidele, paksvedelikele ja kõrge kuivainesisaldusega koostistele. | Sobib kõige paremini madala viskoossusega vedelike ning lihtsate puhastus- või gaasistamisülesannete jaoks. |
| Tüüpilised rakendused | Nanopartiklite dispersioon, nanoemulsioonid, ekstraheerimine, rakkude lüüs, homogeniseerimine, aglomeerumise vältimine, märgjahvatamine ja sonokeemilised reaktsioonid. | Klaasnõude puhastamine, vedelike gaasistamine, pulbrite lahustamine ja proovide kerge segamine. |
| Parim valik | Kontrollitud, võimas ja korratav vedelike töötlemine ultraheliga. | Lihtne puhastamine või madala intensiivsusega ultraheliravi. |
Ultraheli seadmete ja akustilise kavitatsiooni peamised rakendused
Sondi tüüpi ultrasonikaatorid, tuntud ka kui ultraheli sondid, tekitavad tõhusalt vedelikes intensiivset akustilist kavitatsiooni. Seetõttu kasutatakse neid laialdaselt erinevates rakendustes erinevates tööstusharudes. Mõned sondi tüüpi ultrasonikaatorite tekitatud akustilise kavitatsiooni kõige olulisemad rakendused hõlmavad järgmist:
- Homogeniseerimine: Ultraheli sondid võivad tekitada intensiivset kavitatsiooni, mida iseloomustab energiatihe vibratsiooniväli ja nihkejõud. Need jõud tagavad suurepärase segamise, segamise ja osakeste suuruse vähendamise. Ultraheli homogeniseerimine toodab ühtlaselt segatud suspensioone. Seetõttu kasutatakse ultrahelitöötlust homogeense kolloidse suspensiooni tootmiseks kitsaste jaotuskõveratega.
- Nanoosakeste dispersioon: Nanoosakeste hajutamiseks, deagglomeratsiooniks ja märgjahvatamiseks kasutatakse ultrasonikaatoreid. Madala sagedusega ultraheli lained võivad tekitada mõjusat kavitatsiooni, mis lagundab aglomeraate ja vähendab osakeste suurust. Eelkõige kiirendab vedelikujoade kõrge nihe vedelikus olevaid osakesi, mis põrkuvad üksteisega (osakestevaheline kokkupõrge), nii et osakesed purunevad ja erodeeruvad. Selle tulemuseks on settimist takistavate osakeste ühtlane ja stabiilne jaotumine. See on ülioluline erinevates valdkondades, sealhulgas nanotehnoloogias, materjaliteaduses ja farmaatsiatoodetes.
- Emulgeerimine ja segamine: Sondi tüüpi ultrasonikaatoreid kasutatakse emulsioonide loomiseks ja vedelike segamiseks. Ultraheli energia põhjustab kavitatsiooni, mikroskoopiliste mullide moodustumist ja kokkuvarisemist, mis tekitab intensiivseid kohalikke nihkejõude. See protsess aitab emulgeerida segunematuid vedelikke, tekitades stabiilseid ja peenelt dispergeeritud emulsioone.
- Kaevandamine: Kavitatsiooniliste nihkejõudude tõttu on ultrasonikaatorid väga tõhusad rakustruktuuride häirimisel ja massiülekande parandamisel tahke ja vedela vahel. Seetõttu kasutatakse ultraheli ekstraheerimist laialdaselt rakusisese materjali, näiteks bioaktiivsete ühendite vabastamiseks kvaliteetsete botaaniliste ekstraktide tootmiseks.
- Degaseerimine ja õhutamine: Sondi tüüpi ultrasonikaatoreid kasutatakse gaasimullide või lahustunud gaaside eemaldamiseks vedelikest. Ultraheli kavitatsiooni rakendamine soodustab gaasimullide koalestsentsi nii, et need kasvavad ja ujuvad vedeliku ülaosale. Ultraheli kavitatsioon muudab degaseerimise kiireks ja tõhusaks protseduuriks. See on väärtuslik erinevates tööstusharudes, näiteks värvides, hüdraulilistes vedelikes või toiduainete ja jookide töötlemisel, kus gaaside olemasolu võib negatiivselt mõjutada toote kvaliteeti ja stabiilsust.
- Sonokatalüüs: Ultraheli sonde saab kasutada sonokatalüüsiks- protsess, mis ühendab akustilise kavitatsiooni katalüsaatoritega keemiliste reaktsioonide suurendamiseks. Ultraheli lainete tekitatud kavitatsioon parandab massiülekannet, suurendab reaktsioonikiirust ja soodustab vabade radikaalide tootmist, mis viib tõhusamate ja selektiivsemate keemiliste transformatsioonideni.
- Proovi ettevalmistamine: Sondi tüüpi ultrasonikaatoreid kasutatakse tavaliselt proovide ettevalmistamise laborites. Neid kasutatakse bioloogiliste proovide, näiteks rakkude, kudede ja viiruste homogeniseerimiseks, eraldamiseks ja ekstraheerimiseks. Sondi tekitatud ultraheli energia häirib rakumembraane, vabastades raku sisu ja hõlbustades edasist analüüsi.
- Lagunemine ja rakkude katkestamine: Sondi tüüpi ultrasonikaatoreid kasutatakse rakkude ja kudede lagunemiseks ja häirimiseks erinevatel eesmärkidel, näiteks rakusiseste komponentide ekstraheerimiseks, mikroobide inaktiveerimiseks või proovi ettevalmistamiseks analüüsiks. Suure intensiivsusega ultraheli lained ja seeläbi tekitatud kavitatsioon põhjustavad mehaanilist stressi ja nihkejõude, mille tulemuseks on rakustruktuuride lagunemine. Bioloogilistes uuringutes ja meditsiinilises diagnostikas kasutatakse rakkude lüüsimiseks sondi tüüpi ultrasonikaatoreid, avatud rakkude purustamise protsessi, et vabastada nende rakusisesed komponendid. Ultraheli energia häirib rakuseinu, membraane ja organelle, võimaldades valkude, DNA, RNA ja teiste rakuliste koostisosade ekstraheerimist.
Need on mõned sondi tüüpi ultrasonikaatorite peamised rakendused, kuid tehnoloogial on veelgi laiem valik muid kasutusviise, sealhulgas sonokeemia, osakeste suuruse vähendamine (märgjahvatamine), alt-üles osakeste süntees ja keemiliste ainete ja materjalide sono-süntees erinevates tööstusharudes, nagu farmaatsiatooted, toiduainete töötlemine, biotehnoloogia ja keskkonnateadused.
Kiire kaadrite jada (a-st f-ni), mis illustreerib grafiidihelveste sonomehaanilist koorimist vees kasutades UP200S, 200W ultrasonikaatorit 3 mm sonotrode'iga. Nooled näitavad osakeste jagamise kohta kavitatsioonimullidega, mis tungivad lõhenemisse.
© Tyurnina et al. 2020
Kasutage ära ultraheli kavitatsiooni eeliseid!
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Voolukiirus | 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 20L | 0.2 kuni 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
| mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Video akustilisest kavitatsioonist vedelikus
Järgmine video näitab akustilist kavitatsiooni ultrasonikaatori UIP1000hdT kasatoodis veega täidetud klaaskolonnis. Klaaskolonni valgustatakse alt punase valgusega, et parandada kavitatsioonimullide visualiseerimist.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
Korduma kippuvad küsimused
Mis on ultraheli kavitatsioon?
Ultrahelikavitatatsioon on mikroskoopiliste mullide tekkimine, kasv ja järsk kokkuvarisemine vedelikus, mida mõjutab suure intensiivsusega ultraheli. Nende mullide kokkuvarisemine tekitab tugevat kohalikku nihkejõudu, vedeliku mikrovoolusid, lööklaineid, suuri rõhugradiente ja tugevaid mikrosegamisprotsesse.
Mis vahe on ultrahelikavatsioonil ja akustilisel kavatsioonil?
Akustiline kavitatsioon on üldmõiste helilainete poolt põhjustatud kavitatsioonile. Ultraheli kavitatsioon on akustiline kavitatsioon, mida tekitavad ultrahelisagedused, mis asuvad tavaliselt kuulmisvahemikust kõrgemal. Tööstuslikus vedelike töötlemises kasutatakse mõlemat mõistet sageli suure võimsusega ultraheliseadmete poolt tekitatud kavitatsiooni kohta.
Kuidas parandab ultrahelikavitatatsioon vedelike töötlemist?
Ultrahelikavitatatsioon parandab vedelike töötlemist, tekitades vedeliku sees tugevaid mehaanilisi ja keemilisi mõjusid. Mehaanilised mõjud soodustavad segamist, homogeniseerimist, emulgeerimist, osakeste deagglomereerimist, märgjahvatamist, ekstraheerimist ja rakkude purustamist. Reaktiivsetes süsteemides võib kavitatsioon soodustada ka sonokeemilisi mõjusid ja parandada massiülekannet.
Millistes rakendustes kasutatakse ultrahelikavitatsooni?
Ultrahelikavitatsooni kasutatakse homogeniseerimiseks, dispersiooniks, emulgeerimiseks, nanoemulgeerimiseks, ekstraheerimiseks, gaasistamiseks, aglomeerumise vältimiseks, osakeste suuruse vähendamiseks, rakkude lõhustamiseks, mikroorganismide hävitamiseks, sonokeemias, sonokatalüüsis ja keerukates vedelafaasi reaktsioonides.
Miks on sondtüüpi ultraheliseadmed kavitatsiooni tekitamisel tõhusad?
Proovikujulised ultraheliseadmed edastavad ultrahelienergiat sonotroodi kaudu otse vedelikku. See otsene energiaülekande viis tekitab proovi pinna lähedusse intensiivse kavitatsioonitsooni ning võimaldab täpselt reguleerida olulisi protsessiparameetreid, nagu amplituud, sisendvõimsus, temperatuur, rõhk ja töötlemisaeg.
Kas ultraheli-puhastusvann sobib tugeva kavitatsiooni tekitamiseks?
Ultraheli-vannid tekitavad kavitatsiooni, kuid nende energiatihedus on tavaliselt palju madalam ja vähem kontsentreeritud kui sondiga ultraheliseadmetel. Vannid sobivad hästi puhastamiseks ja õrnaks töötlemiseks, samas kui sondiga ultraheliseadmeid eelistatakse korratava homogeniseerimise, ekstraheerimise, emulgeerimise, dispersiooni, rakkude purustamise ja tööstusliku vedelike töötlemise puhul.
Loe ja vaata, kuidas erinevad sond-tüüpi ultraheliseadmed ja ultrahelivannid!
Millised parameetrid mõjutavad ultraheli kavitatsiooni intensiivsust?
Oluliste parameetrite hulka kuuluvad amplituud, ultrahelivõimsus, sonotroodi pindala, vedeliku maht, viskoossus, tahkete ainete sisaldus, rõhk, temperatuur, mahuti geomeetria, voolukambri geomeetria, voolukiirus ja viibeaeg. Nende parameetrite reguleerimine võimaldab kohandada kavitatsiooni intensiivsust vastavalt protsessi eesmärgile.
Kas ultrahelikavitatsooni on võimalik laborist tootmisse üle viia?
Jah. Ultrahelilise kavitatsiooni protsesse on võimalik arendada laboratoorses mahus ning viia üle piloot- või tööstuslikule tasandile, reguleerides amplituudi, sisestatavat energiat, sonotroodi geomeetriat, voolukiirust ja viibeaega. Hielscher pakub ultraheliseadmeid ja reaktoreid laboratoorseteks katseteks, pilootkatseteks 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 alates Lab kuni tööstuslik suurus.