آلتراسونیک (فرا صوت): مصارف و فرآیندها
امواج فراصوت یک روش پردازش مکانیکی است که ایجاد حفره صوتی و نیروهای فیزیکی بسیار شدید است. بنابراین، اولتراسونیک برای کاربردهای متعددی مانند مخلوط کردن، همگن سازی، فرزکاری، پراکنده سازی، امولیزاسیون، استخراج، گاز زدایی، و واکنش های سونو-شیمیایی استفاده می شود.
در زیر، شما همه چیز در مورد برنامه های کاربردی مافوق صوت معمولی و فرایندهای یاد بگیرند.
هموژنیزه کردن آلتراسونیک
هموژنایزرهای مافوق صوت ذرات کوچک را در یک مایع کاهش می دهند تا یکنواختی و پایداری پراکنده شدن را بهبود بخشند. ذرات (فاز پراکنده) می توانند جامد یا قطره مایع معلق در یک فاز مایع باشد. همگن سازی مافوق صوت برای کاهش ذرات نرم و سخت بسیار کارآمد است. Hielscher تولید ultrasonicators برای همگن سازی از هر حجم مایع و برای پردازش دسته ای یا اینلاین. دستگاه های مافوق صوت آزمایشگاهی را می توان برای حجم از 1.5mL به تقریبا 4L استفاده می شود. دستگاه های صنعتی مافوق صوت می توانند دسته از 0.5 به تقریبا 2000L و یا نرخ جریان از 0.1L به 20 متر مکعب در ساعت در توسعه فرایند و در تولید تجاری پردازش.
برای خواندن بیشتر در مورد هموژنیزه کردن آلتراسونیک اینجا را کلیک کنید
از هم پاشی آلتراسونیک و Deagglomeration
پراش و deagglomeration از مواد جامد به مایعات استفاده مهم از امواج فراصوت نوع پروب است. حفره مافوق صوت / صوتی تولید نیروهای براری بالا است که شکستن ذرات agglomerates را به ذرات فردی، تک پراکنده. مخلوط کردن پودرها به مایعات گامی رایج در فرمولاسیون محصولات مختلف مانند رنگ، لاک، محصولات آرایشی، غذا و نوشیدنی ها، یا رسانه های صیقل دهنده است. ذرات منفرد توسط نیروهای جاذبه با طبیعت مختلف فیزیکی و شیمیایی از جمله نیروهای ون-در-والز-نیروها و کشش سطح مایع در کنار هم نگهداری می شوند. امواج فراصوت غلبه بر این نیروهای جاذبه به منظور deagglomerate و پراکنده ذرات در رسانه های مایع. برای پراکنده و deagglomeration پودر در مایعات، امواج فراصوت با شدت بالا جایگزین جالبی برای هموژنایزر فشار بالا، میکسر های بریان بالا، آسیاب مهره یا روتور استاتور میکسر است.
dispersing and deagglomeration
التراسونیک امولسیون
طیف گسترده ای از محصولات متوسط و مصرفی، مانند لوازم آرایشی و لوشن های پوستی، مملو از مواد دارویی، ورنیش ها، رنگ ها و روغن ها و سوخت ها به طور کامل یا بخشی از آن بر اساس امولسون ها استوار هستند. امولش ها به پراکنده شدن دو یا چند فاز مایع غیر قابل احتاط می باشند. سونوگرافی بسیار فشرده به اندازه کافی برای پراکنده کردن یک فاز مایع (فاز پراکنده) در قطره های کوچک در مرحله دوم (فاز مداوم) به اندازه کافی تامین می کند. در منطقه پراکنده، حباب های حفره ای imploding باعث امواج شوک فشرده در مایع اطراف می شوند و منجر به تشکیل جت های مایع با سرعت مایع بالا (برچی بالا) می شوند. امواج فراصوت را می توان دقیقا به اندازه املاسیون هدف اجازه می دهد تا در نتیجه برای تولید قابل اعتماد از میکرو امولاسیون ها و نانو امولاسیون سازگار شده است.
اینجا را کلیک کنید برای خواندن بیشتر در مورد امولسیون مافوق صوت!
The UIP1000hdT 1000 وات مافوق صوت قدرتمند برای همگن سازی، فرز و استخراج برنامه های کاربردی است.
آسیاب مرطوب و آرد کردن آلتراسونیک
امواج فراصوت یک وسیله کارآمد برای آسیاب مرطوب و میکرو آسیاب ذرات است. به ویژه برای ساخت دوغاب های فوق العاده با اندازه، سونوگرافی مزایای زیادی دارد. برتر از تجهیزات کاهش اندازه سنتی است، مانند: آسیاب های کلوئیدی (مانند آسیاب های توپ، آسیاب مهره)، آسیاب های دیسکی یا کارخانه های جت. امواج فراصوت می تواند غلظت بالا و دوغاب با گرانش بالا پردازش - بنابراین کاهش حجم به پردازش می شود. البته فرزکاری مافوق صوت برای پردازش مواد با اندازه میکرون و نانو مناسب است، مانند سرامیک ها، رنگدانه ها، باریم فسفات، کربنات کلسیم یا اکسیدهای فلزی. به خصوص هنگامی که آن را به نانو مواد می آید, امواج فراصوت برتری در عملکرد به عنوان نیروهای براری بسیار تاثیر دار خود را ایجاد نانوذرات یکنواخت کوچک.
اینجا را کلیک کنید برای خواندن بیشتر در مورد آسیاب مرطوب مافوق صوت و میکرو آسیاب!
اسپری خشک TiO2 قبل و بعد از فرز مافوق صوت
فروپاشی سلول های مافوق صوت و لیز
درمان مافوق صوت می تواند فیبری، مواد سلولوزی را به ذرات ریز از هم پاشیده و دیواره های ساختار سلول را بشکند. این کار بیشتر مواد درون سلولی مانند نشاسته یا شکر را در مایع آزاد می کند. این اثر می تواند برای تخمیر، هضم و دیگر فرایندهای تبدیل مواد آلی مورد استفاده قرار گیرد. پس از فرز و آسیاب، فراصوت باعث می شود بیشتر از مواد درون سلولی به عنوان مانند نشاسته و همچنین باقی مانده دیواره سلول در دسترس آنزیم هایی که نشاسته را به قند تبدیل می کنند. همچنین سطح در معرض آنزیم ها در طول liquefaction یا saccharification را افزایش می دهد. این کار به طور معمول سرعت و عملکرد تخمیر مخمر و دیگر فرایندهای تبدیل را افزایش می دهد، به عنوان نمونه برای افزایش تولید اتانول از زیست توده.
اینجا را کلیک کنید برای خواندن بیشتر در مورد فروپاشی مافوق صوت از ساختارهای سلولی!
استخراج مافوق صوت گیاه شناسی
استخراج ترکیبات زیست فعال ذخیره شده در سلول ها و ذرات زیر سلولی یک کاربرد گسترده مورد استفاده سونوگرافی با شدت بالا است. استخراج مافوق صوت استفاده می شود برای جداسازی متابولیت ثانویه (به عنوان مانند، پلی فنول)، پلی ساکریدها، پروتئین ها، روغن های ضروری و دیگر مواد فعال از ماتریس سلولی گیاهان و قارچ ها. مناسب برای استخراج آب و حلال ترکیبات آلی، فراصوت عملکرد گیاه شناسی موجود در داخل گیاهان یا دانه ها را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. استخراج مافوق صوت برای تولید مواد دارویی، nutraceuticals / مکمل های تغذیه ای، رایحه ها و افزودنی های بیولوژیکی استفاده می شود. مافوق صوت یک تکنیک استخراج سبز نیز برای استخراج اجزای زیست فعال در biorefineries استفاده می شود، به عنوان نمونه آزاد ترکیبات با ارزش از جریان های غیر مورد استفاده توسط محصول تشکیل شده در فرایندهای صنعتی است. امواج فراصوت یک فن آوری بسیار موثر برای استخراج گیاه شناسی در آزمایشگاه و مقیاس تولید است.
اینجا را کلیک کنید برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد استخراج مافوق صوت!
راکتور مافوق صوت با 16،000 وات برای پردازش مایع مافوق صوت افزایش یافته است.
کاربرد آواشیمی آلتراسونیک
سونوشیمی کاربرد سونوگرافی به واکنش ها و فرایندهای شیمیایی است. مکانیسم ایجاد کننده اثرات سونوشیمیایی در مایعات پدیده حفره صوتی است. اثرات سونوشیمیایی به واکنش ها و فرایندهای شیمیایی شامل افزایش سرعت واکنش یا خروجی، استفاده از انرژی کارآمدتر، بهبود عملکرد کاتالیزورهای انتقال فاز، فعال سازی فلزات و جامدات یا افزایش واکنشگرها یا کاتالیزورها است.
اینجا را کلیک کنید برای خواندن بیشتر در مورد اثرات sonochemical اولتراسوند!
تبادل استری آلتراسونیک نفت به بیودیزل
فراصوت سرعت واکنش شیمیایی و عملکرد transesterification روغن های گیاهی و چربی های حیوانی را به بیودیزل را افزایش می دهد. این اجازه می دهد تا تغییر تولید از پردازش دسته ای به پردازش جریان مداوم و آن را کاهش می دهد سرمایه گذاری و هزینه های عملیاتی. یکی از مزایای عمده تولید بیودیزل مافوق صوت استفاده از روغن های زباله مانند روغن پخت و پز صرف شده و دیگر منابع نفتی با کیفیت ضعیف است. ترانس استریفیکاسیون مافوق صوت می تواند حتی با کیفیت پایین feedstock تبدیل به بیودیزل با کیفیت بالا (اسید چرب متیل استر / شهرت). ساخت بیودیزل از روغن های گیاهی یا چربی های حیوانی، شامل ترانس استراسیون پایه کاتالیز شده اسیدهای چرب با اتانول یا اتانول برای دادن متیل استرها یا اتیل استرها مربوطه است. امواج فراصوت می تواند عملکرد بیودیزل بیش از 99٪ دست یابد. سونوگرافی زمان پردازش و زمان جداسازی را به طور قابل توجهی کاهش می دهد.
اینجا را کلیک کنید برای خواندن بیشتر در مورد تبادل استری التراسونیک کمک نفت به بیودیزل!
گاز زدایی مافوق صوت و De-Aeration مایعات
گاز زدایی از مایعات یکی دیگر از برنامه های مهم از مافوق صوت نوع کاوشگر است. ارتعاشات مافوق صوت و حفره باعث زغال شدن گازهای حل شده در یک مایع می شود. به عنوان حباب گاز دقیقه زغال سنگ, آنها تشکیل در نتیجه حباب های بزرگتر که شناور به سرعت به سطح بالای مایع از آنجا آنها را می توان حذف. بنابراین، گاز زدایی مافوق صوت و deaeration می تواند سطح گاز حل شده زیر سطح تعادل طبیعی را کاهش دهد.
اینجا را کلیک کنید برای خواندن بیشتر در مورد گاززدایی مافوق صوت از مایعات!
تمیز کردن آلتراسونیک سیم، کابل و نوار
تمیز کردن مافوق صوت یک جایگزین سازگار با محیط زیست برای تمیز کردن مواد مداوم، مانند سیم و کابل، نوار یا لوله است. اثر حفره مافوق صوت قدرتمند حذف باقی مانده روغن کاری مانند روغن یا گریس, صابون, استئارات و یا گرد و غبار از سطح مواد. Hielscher مافوق صوت ارائه می دهد سیستم های مختلف مافوق صوت برای تمیز کردن خط از پروفایل های مداوم.
اینجا را کلیک کنید برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد تمیز کردن مافوق صوت از پروفایل های مداوم!
تماس با ما! / از ما بپرسید!
چه چیزی باعث فراصوت یک روش پردازش برتر؟
روش فراصوت، و یا استفاده از امواج صوتی با فرکانس بالا به تحریک مایعات، یک روش پردازش کارامد به دلایل مختلف است. در اینجا برخی از دلایل که چرا فراصوت در شدت بالا و فرکانس پایین از حدود. 20kHz است به خصوص تاثیر گذار و سودمند برای پردازش مایعات و دوغاب:
- کاویتاسیون: یکی از مکانیسم های اصلی فراصوت ایجاد و فروپاشی حباب های کوچک، پدیده ای به نام کاویتاسیون است. در 20kHz، امواج صوتی فقط در فرکانس مناسب برای ایجاد و فروپاشی حباب ها به طور موثر هستند. فروپاشی این حباب ها امواج شوک با انرژی بالا ایجاد می کند که می تواند ذرات را تجزیه کند و سلول ها را در مایعی که تحت تاثیر قرار می گیرد، مختل کند.
- نوسان و ارتعاش: علاوه بر کاویتاسیون اکوستیک تولید شده، نوسان پروب اولتراسونیک تحریک و مخلوط کردن اضافی در مایع ایجاد می کند، در نتیجه انتقال جرم و / یا گاززدایی را ترویج می کند.
- نفوذ: امواج صوتی در 20kHz دارای طول موج نسبتا طولانی هستند که به انها اجازه می دهد تا عمیقا به مایعات نفوذ کنند. اولتراسونیک کاویتاسیون یک پدیده محلی ظاهر می شود در اطراف پروب اولتراسونیک است. با افزایش فاصله تا پروب، شدت کاویتاسیون کاهش می یابد. با این حال، فراصوت در 20kHz موثر می تواند حجم بیشتری از مایع درمان، در مقایسه با فراصوت فرکانس بالاتر است که طول موج کوتاه تر و ممکن است در عمق نفوذ ان محدود تر است.
- مصرف انرژی کم: روش فراصوت را می توان با مصرف انرژی نسبتا کم در مقایسه با روش های پردازش دیگر مانند همگن فشار بالا و یا تکان دهنده مکانیکی انجام شده است. این باعث می شود ان را یک روش انرژی کارامد تر و مقرون به صرفه برای پردازش مایعات.
- مقیاس پذیری خطی: فرایندهای التراسونیک را می توان به طور کامل خطی به حجم بزرگتر یا کوچکتر مقیاس. این باعث می شود سازگاری فرایند در تولید قابل اعتماد باشد زیرا کیفیت محصول می تواند به طور مداوم پایدار باشد.
- جریان دسته ای و درون خطی: امواج فراصوت را می توان به عنوان دسته ای و یا به عنوان فرایندهای درون خطی مداوم انجام شده است. برای فراصوت دسته، پروب اولتراسونیک به کشتی باز و یا راکتور دسته ای بسته قرار داده شده است. برای فراصوت از یک جریان جریان مداوم، یک سلول جریان مافوق صوت نصب شده است. محیط مایع عبور sonotrode (میله التراسونیک ارتعاشی) در تک عبور و یا چرخش مجدد است و بسیار یکنواخت و کارامد در معرض امواج اولتراسوند.
به طور کلی، نیروهای شدید حفره، مصرف انرژی پایین، و مقیاس پذیری فرایند، فرکانس پایین، فراصوت با قدرت بالا را به یک روش کارآمد برای پردازش مایعات تبدیل می کند.
کار اصل و استفاده از پردازش مافوق صوت
امواج فراصوت یک تکنولوژی پردازش تجاری است، که توسط صنایع متعدد برای تولید در مقیاس بزرگ به تصویب رسید. قابلیت اطمینان بالا و scaleablility و همچنین هزینه های نگهداری پایین و بهره وری انرژی بالا را پردازنده های مافوق صوت جایگزین خوبی برای تجهیزات پردازش مایع سنتی. سونوگرافی ارائه می دهد فرصت های اضافی هیجان انگیز: Cavitation – اثر اولتراسونیک اساسی – تولید نتایج منحصر به فرد در فرایندهای بیولوژیکی, شیمیایی و فیزیکی. به عنوان مثال، پراکنده شدن مافوق صوت و اولسیفیکاسیون به راحتی فرمولاسیون های پایدار به اندازه نانو را تولید می کند. همچنین در زمینه استخراج گیاه شناسی، سونوگرافی یک تکنیک غیر حرارتی برای جداسازی ترکیبات زیست فعال است.
در حالی که سونوگرافی با شدت پایین یا فرکانس بالا عمدتاً برای تجزیه و تحلیل، آزمایش و تصویربرداری غیر مخرب استفاده می شود، سونوگرافی با شدت بالا برای پردازش مایعات و خمیرها استفاده می شود، جایی که امواج سونوگرافی شدید برای مخلوط کردن، امولزی کردن، پراکنده شدن و داگلومراسیون، فروپاشی سلول ها یا غیر فعال سازی آنزیم ها استفاده می شود. هنگام فراصوت مایعات با شدت بالا، امواج صوتی از طریق رسانه های مایع منتشر می شوند. این امر منجر به چرخه های متناوب فشار بالا (فشرده سازی) و کم فشار (کمیاب) با نرخ بسته به فرکانس می شود. در طول چرخه کم فشار، امواج مافوق صوت با شدت بالا ایجاد حباب خلاء کوچک و یا خلاء در مایع. هنگامی که حباب ها به حجمی دست می شوند که دیگر نمی توانند انرژی را جذب کنند، در طول یک چرخه پراست فشار با خشونت فرو می ریزند. این پدیده حفره اصطلاحاً نام دارد. در طول نفوذ دماهای بسیار بالا (تقریباً ۵۰K) و فشارها (تقریباً ۲۰atm) به صورت محلی به دست می شوند. نفوذ حباب حفره نیز منجر به جت های مایع تا ۲۸۰ متر در هر سرعت دوم می شود.
حفره مافوق صوت در مایعات می تواند باعث گاز زدایی سریع و کامل; آغاز واکنش های شیمیایی مختلف با تولید یون های شیمیایی آزاد (رادیکال)؛ سرعت بخشیدن به واکنش های شیمیایی با تسهیل مخلوط کردن واکنش ها؛ افزایش واکنش های پلیمریزاسیون و depolymerization با پراکنده کردن آگرگات ها و یا با شکستن دائم پیوندهای شیمیایی در زنجیره های پلیمری; افزایش نرخ emulsification; بهبود نرخ انتشار; تولید امولسون های بسیار متمرکز و یا پراکنده یکنواخت از مواد میکرون اندازه و یا نانو اندازه; کمک به استخراج مواد مانند آنزیم ها از حیوانات، گیاه، مخمر، و یا سلول های باکتریایی؛ حذف ویروس ها از بافت آلوده; و در نهایت، ذرات مستعد از جمله میکرو ارگانیسم ها را فرسایش داده و از هم می پاشند. (cf. Kuldiloke 2002)
سونوگرافی با شدت بالا بی قراری خشونت آمیز در مایعات کم ویسکوزیته تولید می کند که می تواند برای پراکنده کردن مواد در مایعات مورد استفاده قرار گیرد. (cf. Ensminger, 1988) در رابط های مایع/جامد یا گاز/جامد، نفوذ نامتقارن حباب های حفره ای می تواند باعث اغتشاشات شدیدی شود که لایه مرزی انتشار را کاهش می دهد، انتقال جرم هم رفتگی را افزایش می دهد و به طور قابل ملاحظه ای انتشار را در سیستم هایی که اختلاط معمولی امکان پذیر نیست، تسریع می کند. (cf. Nyborg, 1965)
قدرتمند کاویتاسیون التراسونیک در Hielscher Cascatrode
ادبیات
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- 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.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
- Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
- Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).
راکتور مافوق صوت با 4x 2000 وات پروب (8kW) برای فرایندهای سونوشیمیایی.
Hielscher Ultrasonics تولید هموژنیزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.