فروپاشی فراصوتی: ترشوندگی، حل‌کردن، پراکنده‌سازی
یکپارچه‌سازهای فراصوتی به‌طور گسترده برای ترکردن، پراکنده‌سازی یا حل‌کردن ذرات و پودرها در مایعات استفاده می‌شوند. سونیکاتورهای پربازده نیروهای برشی شدیدی ایجاد می‌کنند که تجمعات، کلوخه‌ها و ذرات اولیه را می‌شکنند و تا ابعاد میکروسکوپی یا نانومتری خرد می‌کنند. پردازش یکنواخت ذرات در میدان کاویتاسیون آکوستیکی به توزیع باریک اندازهٔ ذرات و سطح یکنواخت ذرات منجر می‌شود.
فروپاشنده‌های فراصوتی و کاربردهای آن‌ها
فروپاشنده‌های فراصوتی نیروهای برشی شدیدی اعمال می‌کنند که ضربهٔ لازم را بر جامداتی مانند ذرات، بلورها و الیاف وارد می‌کنند تا ساختار آن‌ها را تخریب کرده و آن‌ها را تا اندازهٔ هدف، مثلاً ابعاد میکرونی یا نانومتری، خرد کنند. فروپاشنده‌های فراصوتی در مقایسه با روش‌های جایگزین فروپاشی، مانند مخلوط‌کن‌های تیغه‌ای با برش بالا، هموژنایزرهای فشار بالا، آسیاب‌های مهره‌ای، میکروفلوئیدایزرها و غیره، مزایای عمده‌ای دارند.
مزایای فروپاشنده‌های فراصوتی
- کاویتاسیون و برش با شدت بالا
- پردازش یکنواخت ذرات
- غلظت‌های بالای مواد جامد
- بدون نازل / بدون گرفتگی
- بدون نیاز به محیط آسیاب‌کننده (یعنی مهره‌ها)
- مقیاس‌پذیری خطی
- کاربری آسان و ایمن
- تمیزکردن آسان
- بهره‌وری از نظر زمان و انرژی
راکتورهای فراصوتی جریان‌گذر برای تولید صنعتی درون‌خطی دوغاب‌های نانوذرات.
آشفتگی‌های شدید حاصل از فراصوت‌دهی، انتقال جرم بین فازها را افزایش می‌دهند و در نتیجه حل‌شدن پودرها یا واکنش‌های شیمیایی ناهمگن را تسهیل می‌کنند. به همین دلیل، فروپاشنده‌های فراصوتی ابزاری ترجیحی برای تشدید فرایندهایی مانند آسیاب‌کردن، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و حل‌کردن هستند.
دربارهٔ تشدید فراصوتی واکنش‌های شیمیایی (سونوشیمی) بیشتر بخوانید!
کاربردهای فروپاشنده‌های فراصوتی
- آسیاب‌کردن و سایش
- کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی
- امولسیون‌سازی
- حل‌کردن پودرها
- بهبود انتقال جرم
- واکنش‌های سونوشیمیایی
فروپاشنده‌های فراصوتی برای کاهش اندازهٔ ذرات
فروپاشنده‌های فراصوتی برای کاهش اندازهٔ ذرات و توزیع آن‌ها استفاده می‌شوند؛ خواه منظور خردایش واقعی ذرات اولیه باشد (که آسیاب‌کردن نامیده می‌شود)، خواه شکستن کلوخه‌ها (که کلوخه‌زدایی / پراکنده‌سازی نامیده می‌شود).
توزیع اندازهٔ ذرات و تصاویر SEM از Mg2Si پیش و پس از آسیاب‌کردن فراصوتی (UM). (a) توزیع اندازهٔ ذرات؛ (b) تصویر SEM پیش از آسیاب‌کردن فراصوتی؛ (c) تصویر SEM پس از آسیاب‌کردن فراصوتی در 50% PVP–50% EtOH به‌مدت 2 h.
منبع: Marquez-Garcia et al. 2015
فروپاشنده‌های فراصوتی برای آسیاب‌کردن و سایش
کاویتاسیون تولیدشده به‌وسیلهٔ فراصوت، نیروهای برشی شدید و در پی آن برخوردهای بین‌ذره‌ای ایجاد می‌کند. جامدات موجود در دوغاب نقش محیط آسیاب‌کننده را ایفا می‌کنند (مشابه مهره‌ها یا دانه‌ها در آسیاب مهره‌ای / دانه‌ای): جریان‌های مایع ناشی از کاویتاسیون، که به‌آسانی به سرعت‌هایی تا 180m/s می‌رسند، به این جامدات شتاب می‌دهند. هنگامی که ذرات با چنین سرعت بسیار بالایی به یکدیگر برخورد می‌کنند، می‌شکنند و به قطعات میکرونی و نانومتری خرد می‌شوند. فروپاشنده‌های فراصوتی حتی می‌توانند ذرات اولیه را بشکنند. راکتورهای سلول جریان فراصوتی، پردازش یکنواخت همهٔ ذرات را تضمین می‌کنند؛ در نتیجه آسیاب‌کردن فراصوتی به توزیع باریک اندازهٔ ذرات منجر می‌شود.
برای کسب اطلاعات بیشتر دربارهٔ آسیاب‌کردن فراصوتی، اینجا کلیک کنید!
فروپاشنده‌های فراصوتی برای کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی
پارامترهای فرایند فراصوتی را می‌توان با دقت بسیار بالایی کنترل کرد، به‌گونه‌ای که فروپاشنده‌های فراصوتی هنگام اعمال دامنه‌های بالا و فشار افزایش‌یافته قادر به آسیاب‌کردن ذرات اولیه باشند. از سوی دیگر، سامانه‌های فروپاشی فراصوتی را می‌توان در دامنه‌های پایین‌تر و شرایط ملایم‌تر نیز به کار گرفت؛ در این حالت ساختار و سطح ذرات دست‌نخورده باقی می‌مانند، اما کلوخه‌ها از هم باز می‌شوند و ذرات منفرد به‌طور یکنواخت در دوغاب توزیع می‌شوند.
برای کسب اطلاعات بیشتر دربارهٔ کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی فراصوتی، اینجا کلیک کنید!
فروپاشنده‌های فراصوتی برای امولسیون‌سازی
هنگامی که دو مایع امتزاج‌ناپذیر (مانند آب و روغن) تحت فراصوت‌دهی قرار می‌گیرند، کاویتاسیون فراصوتی قطرات را می‌شکند – و قطرات بسیار ریزی از دو فاز امتزاج‌ناپذیر تولید می‌کند که سپس با یکدیگر مخلوط می‌شوند. از آنجا که فروپاشنده‌های فراصوتی به‌آسانی قطرات نانومتری تولید می‌کنند، امولسیون‌های فراصوتی تثبیت‌شده، پایداری بلندمدت و ظاهری زلال و شفاف دارند.
برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ نانوامولسیون‌سازی فراصوتی، اینجا کلیک کنید!
فروپاشنده‌های فراصوتی برای حل‌کردن
فروپاشنده‌های فراصوتی برای حل‌کردن پودر و قرص‌ها طی روشی سریع، آسان و ایمن استفاده می‌شوند. کاویتاسیون تولیدشده به‌وسیلهٔ فراصوت، سطح جامدات را فرسایش می‌دهد و قطعات جداشده بر اثر فرسایش را به درون مایع منتقل می‌کند و در نتیجه محلولی همگن به وجود می‌آورد.
در صنعت داروسازی، حل‌کردن قرص‌ها کاری روزمره است که، برای مثال، برای اهداف تحلیلی انجام می‌شود. وقتی قرص‌ها در معرض محیط آبی قرار می‌گیرند، به‌آرامی و طی فرایندی بسیار زمان‌بر حل می‌شوند. حتی با استفاده از همزن معمولی یا همزن تیغه‌ای نیز حل‌شدن کامل قرص‌ها همچنان زمان‌بر است. کاویتاسیون فراصوتی و نیروهای برشی فوق‌العاده شدید آن، ذرات را از قرص جدا کرده و به درون رقیق‌کننده منتقل می‌کنند؛ به این ترتیب انتقال جرم بین سطح قرص و رقیق‌کنندهٔ تازه و اشباع‌نشده به‌طور پیوسته ادامه می‌یابد. این امر حل‌کردن فراصوتی را به فرایندی بسیار سریع و کارآمد تبدیل می‌کند که به تسریع انحلال دارو کمک می‌کند.
برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ حل‌کردن فراصوتی، اینجا کلیک کنید!
فروپاشندهٔ مکانیکی چگونه کار می‌کند؟
فروپاشنده‌های فراصوتی آزمایشگاهی از همان اصل مکانیکی فروپاشنده‌های صنعتی استفاده می‌کنند. سامانه‌های اختلاط فروپاشنده، کلوخه‌ها و تجمعات را از هم می‌پاشند، مواد جامد را حل می‌کنند یا ذرات جامد را در مخلوط‌های مایع پراکنده می‌کنند. در فروپاشی فراصوتی، یک پروب فراصوتی با شدت بالا در مخزن ناپیوسته یا راکتور سلول جریان درون‌خطی به کار می‌رود. پروب (سونوتْرود) فروپاشندهٔ فراصوتی با فرکانس بسیار بالا در مایع ارتعاش می‌کند و کاویتاسیون فراصوتی شدیدی در مایع ایجاد می‌کند. فروپاشی هر حباب کاویتاسیون نیروهای برشی قدرتمندی به وجود می‌آورد که کلوخه‌ها، تجمعات و حتی ذرات اولیه را می‌شکنند. همچنین کاویتاسیون فراصوتی جریان‌های پرسرعت ناشی از کاویتاسیون با سرعتی تا 1000km/h ایجاد می‌کند. جت‌های مایع ناشی از کاویتاسیون به کلوخه‌های ذرات برخورد می‌کنند، دیواره‌های سلولی را می‌گسلند، انتقال ماده درون دوغاب را بهبود می‌دهند و جامدات را در سراسر حجم مایع پراکنده می‌کنند. در میدان کاویتاسیون فراصوتی، فشارها به‌سرعت و به‌طور مکرر بین خلأ و مقادیری تا 1000bar تغییر می‌کنند. یک مخلوط‌کن دورانی با 4 تیغهٔ اختلاط، برای دستیابی به همان فرکانس چرخه‌های متناوب فشار، باید با سرعت حیرت‌انگیز 300٬000 RPM کار کند. مخلوط‌کن‌های دورانی متداول و مخلوط‌کن‌های روتور–استاتور به‌دلیل محدودیت سرعت خود، کاویتاسیون قابل‌توجهی ایجاد نمی‌کنند.
به سنتز پایین‌به‌بالای نانوذرات علاقه‌مندید؟ – برای مطالعهٔ بیشتر اینجا کلیک کنید!
فروپاشندهٔ فراصوتی UIP2000hdT برای دیسپرسیون‌های ذرات در راکتور فولاد زنگ‌نزن
فروپاشنده‌های فراصوتی آزمایشگاهی
دستگاه‌های فراصوتی پروبی ابزاری بسیار مفید در هر آزمایشگاه هستند. پروب فراصوتی (که سونوتْرود نیز نامیده می‌شود) میله‌ای تیتانیومی با هندسهٔ ساده و قابلیت تمیزکردن آسان است که ارتعاشات فراصوتی را به مایع کوپل می‌کند. Hielscher پروب‌ها و نوک‌های فراصوتی را در طیف گسترده‌ای از اندازه‌ها تولید می‌کند. برای متداول‌ترین کاربردهای فروپاشی جامدات در آزمایشگاه، پروب‌های فراصوتی با قطر نوک 3، 7، 14 یا 22mm بسیار مفید هستند. پروب‌هایی با اندازه‌های دیگر و پروب‌های فراصوتی با ابعاد سفارشی نیز موجودند. دستگاه‌های فراصوتی متداول برای فروپاشی آزمایشگاهی، توان فراصوتی از 100 تا 400 وات دارند.
فروپاشنده‌های فراصوتی صنعتی
فروپاشنده‌های صنعتی Hielscher پردازشگرهای فراصوتی پرتوانی هستند که برای فروپاشی پیوستهٔ جریان‌های حجیم دوغاب در شرایط کاری سنگین طراحی شده‌اند. این سامانه‌های صنعتی به‌آسانی می‌توانند غلظت‌های بالای مواد جامد را پردازش کنند. پروب‌های فراصوتی صنعتی به فلنجی مجهز هستند که امکان نصب در هر جهتی روی مخازن فولادی، راکتورهای شیشه‌ای یا ظروف پلاستیکی را فراهم می‌کند. تحت فشار قرار دادن ظرف فراصوت‌دهی یا سلول جریان، کاویتاسیون آکوستیکی و در نتیجه فرایند فراصوت‌دهی را تشدید می‌کند. تجهیزات متداول فروپاشی فراصوتی صنعتی، به‌ازای هر سونوتْرود، توان فراصوتی از 1000 تا 16٬000 وات دارند.
صنایعی که فروپاشی فراصوتی در آن‌ها به‌طور گسترده به کار می‌رود:
- پراکنده‌سازی، حل‌کردن و اختلاط فرمولاسیون‌های جامد/مایع
- علم مواد
- آماده‌سازی نمونه پیش از آنالیز
- کاربردهای نانوذرات
- عامل‌دارکردن ذرات
- واکنش‌های انتقال فاز
- تبلور / رسوب‌دهی
- فرآوری مواد غذایی
- صنعت کاغذ
- هضم زیست‌توده
چگونه فروپاشندهٔ فراصوتی مناسب را بخریم؟
Hielscher Ultrasonics تولیدکننده‌ای باسابقه در زمینهٔ فروپاشنده‌های فراصوتی پربازده است که برای پراکنده‌سازی و شکستن ذرات یا حل‌کردن پودرها در مایعات استفاده می‌شوند. Hielscher به‌عنوان پیشرو بازار، فروپاشنده‌ها و هموژنایزرهای فراصوتی را از مقیاس آزمایشگاهی و رومیزی تا مقیاس کاملاً صنعتی طراحی، تولید و عرضه می‌کند.
ما به شما کمک می‌کنیم به پرسش‌های زیر پاسخ دهید تا مناسب‌ترین فروپاشندهٔ فراصوتی را برای کاربرد و نیازهای خود بیابید:
- کاربرد موردنظر شما چیست؟
- حجم معمولی که باید پردازش شود چقدر است؟
- عوامل حیاتی فرایند کدام‌اند؟
- چه استانداردهای کیفی باید برآورده شوند؟
کارکنان آموزش‌دیده و باتجربهٔ ما در پاسخ به هرگونه پرسش و طراحی مفهومی فرایندتان به شما کمک می‌کنند. Hielscher Ultrasonics دربارهٔ فرایندهای فراصوتی مشاورهٔ تخصصی و جامعی ارائه می‌دهد تا مشتریان ما بتوانند دستگاه فراصوتی بهینه را بیابند. خدمات Hielscher به همین‌جا ختم نمی‌شود؛ ما در محل تأسیسات مشتریان یا در آزمایشگاه فرایند فراصوتی و مرکز فنی خود به آن‌ها آموزش می‌دهیم تا در توسعه، بهینه‌سازی و افزایش مقیاس فرایند همراهشان باشیم.
پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics به‌آسانی دامنه‌های بسیار بالایی فراهم می‌کنند که برای شکستن ذرات سخت و کلوخه‌ها یا پردازش دوغاب‌هایی با غلظت بالای مواد جامد ضروری هستند. فروپاشنده‌های صنعتی Hielscher می‌توانند با دامنه‌هایی تا 200µm به‌صورت پیوسته در کارکرد 24/7 فعالیت کنند. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی موجودند. لوازم جانبی دیگر مانند هورن‌های تقویت‌کننده، سلول‌های جریان، راکتورهای فراصوت‌دهی و مجموعه‌های کامل بازگردش نیز به‌راحتی در دسترس‌اند و امکان پیکربندی سامانهٔ فراصوتی شما را مطابق با الزامات فرایندتان فراهم می‌کنند.
فروپاشنده‌ها و حل‌کننده‌های فراصوتی پیشرفته
Hielscher Ultrasonics بر فروپاشنده‌های پربازده با بالاترین سهولت کاربری و پیشرفته‌ترین فناوری‌های روز تمرکز دارد. این بدان معناست که استانداردهای فروپاشنده‌های آزمایشگاهی Hielscher هرچه بیشتر با هوشمندی ماشین‌آلات صنعتی همگام می‌شوند. کاربر می‌تواند سونیکاتورهای دیجیتال Hielscher را از طریق کنترل از راه دور مبتنی بر مرورگر کنترل کند. نرم‌افزار ثبت خودکار داده‌ها، همهٔ پارامترهای مهم فراصوتی مانند توان خالص، توان کل، دامنه، دما، فشار، زمان و تاریخ را به‌صورت فایل CSV روی کارت SD داخلی ثبت می‌کند. علاوه بر این، فروپاشندهٔ فراصوتی را می‌توان برای خاموش‌شدن خودکار پس از زمان مشخص یا دریافت مقدار معینی انرژی برنامه‌ریزی کرد، یا حالت‌های فراصوت‌دهی پالسی را برای آن تنظیم نمود. حسگرهای قابل‌اتصال دما و فشار، پایش دقیق شرایط نمونه را ممکن می‌سازند. از آنجا که کنترل دمای مواد حساس به گرما عامل حیاتی در کیفیت نتایج فرایند است، Hielscher راهکارهای گوناگونی برای حفظ دمای فرایند در محدودهٔ دمایی هدف ارائه می‌دهد.
قابلیت‌های پیشرفتهٔ سونیکاتورهای Hielscher بالاترین سطح کنترل فرایند، نتایج فراصوت‌دهی قابل‌اعتماد و تکرارپذیر، سهولت کاربری و آسودگی هنگام کار را تضمین می‌کنند.
پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics قادر به تأمین دامنه‌های بسیار بالا هستند. دامنه‌هایی تا 200µm را می‌توان به‌آسانی و به‌صورت پیوسته در کارکرد 24/7 به کار گرفت. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی موجودند. قابلیت کار در چنین دامنه‌های بالایی به مشتریان ما امکان می‌دهد ذرات اولیه را به‌طور مؤثر تا ابعاد نانومتری آسیاب کنند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 در شرایط کاری سنگین و محیط‌های دشوار را فراهم می‌کند.
دربارهٔ حل‌کردن فراصوتی و حل‌کننده‌های فراصوتی بیشتر بخوانید!
کیفیت – ساخت آلمان
Hielscher به‌عنوان کسب‌وکاری با مالکیت و مدیریت خانوادگی، به کیفیت بالای پردازشگرهای فراصوتی خود افتخار می‌کند. همهٔ سونیکاتورها در دفتر مرکزی ما در تلتو، نزدیک برلین در آلمان، طراحی، تولید و آزمایش می‌شوند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 در شرایط کاری سنگین و محیط‌های دشوار را فراهم می‌کند.
می‌توانید فروپاشنده‌های فراصوتی Hielscher را در اندازه‌های گوناگون خریداری کنید و تنوع قیمت‌ها امکان انتخاب سونیکاتوری مقرون‌به‌صرفه و متناسب با بودجهٔ شما را فراهم می‌کند. از فروپاشی ذرات در ویال‌های کوچک آزمایشگاهی تا فروپاشی دوغاب‌ها در جریان پیوستهٔ تولید صنعتی، Hielscher Ultrasonics فروپاشنده‌ای مناسب برای شما دارد! لطفاً با ما تماس بگیرید – با خوشحالی مناسب‌ترین سونیکاتور را به شما پیشنهاد می‌کنیم!
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما را ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
هموژنایزرهای فراصوتی پرتوان از آزمایشگاهی تا پایلوت و صنعتی در مقیاس‌های مختلف.
منابع علمی / مراجع
- Pohl M.; Schubert H. (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions. International Congress for Particle Technology PARTEC 2004; Nuremberg, Germany.
- Thomas Leong, Muthupandian Ashokkumar, Sandra Kentish(2011): The Fundamentals of Power Ultrasound. – A Review. Acoustics Australia, 54 – Vol. 39 August 2011.
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, September 1994. 253-263.
- Renata Tomczak-Wandzel, Svetlana Ofverstrom, Regimantas Dauknys, Krystyna Mędrzycka (2011): Effect of Disintegration Pretreatment of Sewage Sludge for Enhanced Anaerobic Digestion. ENVIRONMENTAL ENGINEERING The 8th International Conference May 19–20, 2011, Vilnius, Lithuania.