Suure intensiivsusega ultraheli ultraheli lained tekitavad vedelikes akustilist kavitatsiooni. Kavitatsioon põhjustab kohapeal äärmuslikke efekte, näiteks vedelikujoad kuni 1000 km / h, rõhk kuni 2000 atm ja temperatuur kuni 5000 kelvinit. Neid ultraheli genereeritud jõude kasutatakse paljudes vedeliku töötlemise rakendustes, nagu homogeniseerimine, hajutamine, emulgeerimine, ekstraheerimine, rakkude katkemine, samuti keemiliste reaktsioonide intensiivistamine.

Ultraheli kavitatsiooni tööpõhimõte

Suure intensiivsusega vedelike sonicating korral põhjustavad vedelas keskkonnas levivad helilained vahelduvaid kõrgsurvelisi (tihendusrõhke) ja madala rõhu (eraldusvõime) tsükleid, sõltuvalt sagedusest sõltuvad määrad. Madala rõhu tsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultraheli lained vedelikus väikesed vaakummullid või tühjad ruumid. Kui mullid saavutavad mahu, mille abil nad enam energiat neelavad, kerkivad nad kõrgsurvetsükli ajal ägedalt. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. Sulgemise ajal on väga kõrge temperatuur (ligikaudu 5000 K) ja rõhk (ligikaudu 2000 kraadi). Kavitumismulli kaotamine toob kaasa ka vedelikujuga kuni 280m / s kiiruse.

Akustiline kavitatsioon (mis tekib võimsuse ultraheli abil) loob lokaalseid äärmuslikke tingimusi, nn sonomehaanilisi ja sonokeemilisi mõjusid. Nende mõjude tõttu soodustab ultrahelitöötlus keemilisi reaktsioone, mis põhjustavad suuremat saagikust, kiiremat reaktsioonikiirust, uusi radu ja paremat üldist efektiivsust.

Akustilist kavitatsiooni kasutavate ultrasonikaatorite 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:
 

1. Homogeniseerimine: Ultraheli sondid võivad tekitada intensiivset kavitatsiooni, mida iseloomustab energiatihe vibratsiooni ja nihkejõudude väli. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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 jt 2020

Video akustilisest kavitatsioonist vedelikus

Järgmine video näitab akustilist kavitatsiooni ultrasonikaatori UIP1000hdT kasatoodil veega täidetud klaaskolonnis. Klaaskolonni valgustatakse alt punase valgusega, et parandada kavitatsioonimullide visualiseerimist.

Alljärgnev tabel annab teile ülevaate meie ultrahelihitiste ligikaudse töötlemisvõimsusest: