کاویتاسیون فراصوتی در مایعات
کاویتاسیون فراصوتی نیروی محرک پردازش مایعات با فراصوت پُرشدت است. هنگامی که فراصوت پرتوان به مایع منتقل می‌شود، حباب‌های میکروسکوپی بخار تشکیل می‌شوند، رشد می‌کنند و به‌شدت فرومی‌پاشند. این کاویتاسیون آکوستیکی نیروهای برشی موضعی شدید، ریزجت‌ها، امواج ضربه‌ای، تغییرات فشار و اثرات ریزاختلاط ایجاد می‌کند که می‌توانند همگن‌سازی، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی، استخراج، گاززدایی، تخریب سلولی و واکنش‌های سونوشیمیایی را تسریع کنند.
سونیکاتورهای پروبی Hielscher از کاویتاسیون آکوستیکی کنترل‌شده برای انتقال مستقیم انرژی فراصوتی به مایعات، سوسپانسیون‌ها و دوغاب‌ها استفاده می‌کنند. از نمونه‌های کوچک آزمایشگاهی تا تولید صنعتی پیوسته با عبور جریان، سامانه‌های Hielscher امکان تنظیم دامنه، هندسهٔ سونوتْرود، فشار، دما، دبی و زمان ماند را برای دستیابی به نتایج تکرارپذیر کاویتاسیون فراهم می‌کنند.
- برای آزمایشگاه‌ها: پارامترهای فراصوت‌دهی را در حجم‌های کم توسعه و بهینه‌سازی کنید.
- برای واحدهای پایلوت: فرایندهای مبتنی بر کاویتاسیون را در شرایط واقعی پردازش اعتبارسنجی کنید.
- برای تولید: مقیاس کاویتاسیون فراصوتی را برای فرایندهای ناپیوسته، بازگردشی یا پیوستهٔ درون‌خطی افزایش دهید.
نوع مایع، حجم هر بچ یا دبی، گرانروی، محتوای جامدات، محدودیت‌های دمایی و نتیجهٔ موردنظر فرایند را به ما بگویید. ما پیکربندی بهینهٔ سونیکاتور، سونوتْرود و سلول جریان را برای کاربرد کاویتاسیون شما پیشنهاد خواهیم کرد.
سونیکاتورهای پروبی مانند UP400St از اصل عملکرد کاویتاسیون آکوستیکی استفاده می‌کنند.
اصل عملکرد کاویتاسیون فراصوتی
هنگام فراصوت‌دهی مایعات با شدت‌های بالا، امواج صوتی منتشرشده در محیط مایع چرخه‌های متناوب پرفشار (تراکم) و کم‌فشار (انبساط) ایجاد می‌کنند که نرخ تکرار آن‌ها به فرکانس بستگی دارد. در چرخهٔ کم‌فشار، امواج فراصوتی پُرشدت حباب‌های کوچک خلأ یا حفره‌هایی در مایع ایجاد می‌کنند. هنگامی که حباب‌ها به حجمی می‌رسند که دیگر نمی‌توانند انرژی جذب کنند، در یک چرخهٔ پرفشار به‌شدت فرومی‌پاشند. این پدیده کاویتاسیون نام دارد. هنگام درون‌پاشی، دماهای بسیار بالا (حدود 5٬000K) و فشارهای بسیار زیاد (حدود 2٬000atm) به‌صورت موضعی ایجاد می‌شوند. درون‌پاشی حباب کاویتاسیون همچنین جت‌های مایع با سرعتی تا 280m/s ایجاد می‌کند.
کاویتاسیون آکوستیکی (ایجادشده با فراصوت پرتوان) شرایط موضعی بسیار شدیدی ایجاد می‌کند که اثرات سونومکانیکی و سونوشیمیایی نامیده می‌شوند. به‌واسطهٔ این اثرات، فراصوت‌دهی واکنش‌های شیمیایی را تقویت می‌کند و به بازده بیشتر، سرعت بالاتر واکنش، مسیرهای جدید و بهبود کارایی کلی می‌انجامد.
سونیکاتور پروبی یا حمام فراصوتی: کدام روش کاویتاسیون مناسب است؟
سونیکاتورهای پروبی و حمام‌های فراصوتی هر دو کاویتاسیون آکوستیکی ایجاد می‌کنند، اما از نظر شدت، کنترل و قابلیت اطمینان فرایند تفاوت چشمگیری دارند. حمام‌های فراصوتی برای تمیزکاری مفیدند، درحالی‌که سونیکاتورهای پروبی انرژی فراصوتی را مستقیماً به مایع منتقل می‌کنند و ناحیهٔ کاویتاسیون بسیار قوی‌تر و متمرکزی ایجاد می‌کنند. به همین دلیل، سونیکاتورهای پروبی گزینهٔ ترجیحی برای کاربردهای تکرارپذیر پردازش مایعات، مانند همگن‌سازی، امولسیون‌سازی، استخراج، تخریب سلولی، پراکنده‌سازی نانوذرات و واکنش‌های سونوشیمیایی هستند.
| معیارهای مقایسه | سونیکاتور پروبی | حمام فراصوتی |
|---|---|---|
| شدت کاویتاسیون | کاویتاسیون آکوستیکی پُرشدت را مستقیماً در نوک سونوتْرود ایجاد می‌کند. | کاویتاسیون ضعیف‌تری ایجاد می‌کند که در سراسر حجم حمام توزیع می‌شود. |
| انتقال انرژی | انرژی فراصوتی را مستقیماً به مایع، سوسپانسیون یا دوغاب منتقل می‌کند. | انرژی را به‌طور غیرمستقیم از طریق مایع حمام و دیوارهٔ ظرف منتقل می‌کند. |
| کنترل فرایند | امکان تنظیم دقیق دامنه، توان ورودی، حالت پالسی، دما و زمان پردازش را فراهم می‌کند. | کنترل محدودی بر انرژی فراصوتی واقعیِ رسیده به نمونه فراهم می‌کند. |
| تکرارپذیری | در صورت تعریف و پایش پارامترهای فرایند، نتایج تکرارپذیری در فراصوت‌دهی فراهم می‌کند. | نتایج ممکن است به‌دلیل توزیع ناهمگون کاویتاسیون، موقعیت ظرف، جنس ظرف، سطح پرشدگی و میزان بارگذاری حمام متفاوت باشند. |
| کارایی پردازش | برای همگن‌سازی، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی، استخراج، تخریب سلولی و سونوشیمی بسیار کارآمد است. | عمدتاً برای تمیزکاری مناسب است. |
| حجم نمونه | برای نمونه‌های کوچک آزمایشگاهی و نیز حجم‌های پایلوت و صنعتی در دسترس است. | معمولاً برای ظروف کوچک یا چندین ظرف قرارگرفته در حمام استفاده می‌شود. |
| افزایش مقیاس | قابلیت افزایش مقیاس از آزمون‌های آزمایشگاهی به آزمون‌های پایلوت و پردازش صنعتی پیوستهٔ درون‌خطی را دارد. | افزایش مقیاس به‌صورت قابل‌اعتماد دشوار است، زیرا توزیع انرژی و شدت کاویتاسیون به‌آسانی به مقیاس دیگر قابل انتقال نیستند. |
| محیط‌های مناسب | برای مایعات، امولسیون‌ها، سوسپانسیون‌ها، دوغاب‌ها و فرمولاسیون‌های دارای محتوای جامد بالا مؤثر است. | بیشترین تناسب را با مایعات کم‌گرانرو و کارهای سادهٔ تمیزکاری یا گاززدایی دارد. |
| کاربردهای متداول | پراکنده‌سازی نانوذرات، نانوامولسیون‌ها، استخراج، لیز سلولی، همگن‌سازی، کلوخه‌زدایی، آسیاب‌کاری تر و واکنش‌های سونوشیمیایی. | تمیزکردن ظروف شیشه‌ای، گاززدایی مایعات، حل‌کردن پودرها و هم‌زدن ملایم نمونه. |
| بهترین گزینه برای | پردازش فراصوتی مایعات به‌صورت کنترل‌شده، پرقدرت و تکرارپذیر. | تمیزکاری ساده یا تیمار فراصوتی کم‌شدت. |
کاربردهای اصلی سونیکاتورها و کاویتاسیون آکوستیکی
دستگاه‌های فراصوتی پروبی، که با نام پروب‌های فراصوتی نیز شناخته می‌شوند، با کارایی بالا کاویتاسیون آکوستیکی شدید در مایعات ایجاد می‌کنند. ازاین‌رو، در کاربردهای گوناگون صنایع مختلف به‌طور گسترده استفاده می‌شوند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای کاویتاسیون آکوستیکی ایجادشده با دستگاه‌های فراصوتی پروبی عبارت‌اند از:
- همگن‌سازی: پروب‌های فراصوتی می‌توانند کاویتاسیون شدیدی ایجاد کنند که به‌صورت میدانی با چگالی انرژی بالا از ارتعاش و نیروهای برشی توصیف می‌شود. این نیروها اختلاط، آمیختن و کاهش اندازهٔ ذرات را به‌نحو عالی انجام می‌دهند. همگن‌سازی فراصوتی سوسپانسیون‌هایی با اختلاط یکنواخت تولید می‌کند. ازاین‌رو، فراصوت‌دهی برای تولید سوسپانسیون کلوئیدی همگن با منحنی‌های توزیع باریک به کار می‌رود.
- پراکنده‌سازی نانوذرات: دستگاه‌های فراصوتی برای پراکنده‌سازی، کلوخه‌زدایی و آسیاب‌کاری تر نانوذرات به کار می‌روند. امواج فراصوتی کم‌فرکانس می‌توانند کاویتاسیون نیرومندی ایجاد کنند که کلوخه‌ها را می‌شکند و اندازهٔ ذرات را کاهش می‌دهد. به‌ویژه، برش شدید جت‌های مایع به ذرات موجود در مایع شتاب می‌دهد؛ این ذرات با یکدیگر برخورد می‌کنند (برخورد بین‌ذره‌ای) و در نتیجه می‌شکنند و دچار فرسایش می‌شوند. این امر به توزیع یکنواخت و پایدار ذرات می‌انجامد و از ته‌نشینی جلوگیری می‌کند. این موضوع در حوزه‌های گوناگون، از جمله نانوفناوری، علم مواد و داروسازی، اهمیت اساسی دارد.
- امولسیون‌سازی و اختلاط: دستگاه‌های فراصوتی پروبی برای تولید امولسیون و مخلوط‌کردن مایعات استفاده می‌شوند. انرژی فراصوتی باعث کاویتاسیون، یعنی تشکیل و فروپاشی حباب‌های میکروسکوپی، می‌شود که نیروهای برشی موضعی شدیدی ایجاد می‌کند. این فرایند به امولسیون‌سازی مایعات امتزاج‌ناپذیر کمک می‌کند و امولسیون‌هایی پایدار با قطرات ریز و پراکنده تولید می‌کند.
- استخراج: به‌دلیل نیروهای برشی ناشی از کاویتاسیون، دستگاه‌های فراصوتی در تخریب ساختارهای سلولی و بهبود انتقال جرم بین جامد و مایع بسیار کارآمدند. ازاین‌رو، استخراج فراصوتی به‌طور گسترده برای آزادسازی مواد درون‌سلولی، مانند ترکیبات زیست‌فعال، به‌منظور تولید عصاره‌های گیاهی باکیفیت استفاده می‌شود.
- گاززدایی و هوازدایی: دستگاه‌های فراصوتی پروبی برای حذف حباب‌های گاز یا گازهای محلول از مایعات به کار می‌روند. استفاده از کاویتاسیون فراصوتی به هم‌جوشی حباب‌های گاز کمک می‌کند، به‌طوری‌که رشد می‌کنند و با شناورشدن به سطح مایع می‌رسند. کاویتاسیون فراصوتی گاززدایی را به فرایندی سریع و کارآمد تبدیل می‌کند. این ویژگی در صنایع گوناگون، مانند رنگ، سیالات هیدرولیک یا فراوری مواد غذایی و نوشیدنی‌ها، ارزشمند است؛ زیرا حضور گازها می‌تواند بر کیفیت و پایداری محصول تأثیر منفی بگذارد.
- سونوکاتالیز: پروب‌های فراصوتی را می‌توان برای سونوکاتالیز به کار برد؛ فرایندی که کاویتاسیون آکوستیکی را با کاتالیزورها ترکیب می‌کند تا واکنش‌های شیمیایی را تقویت کند. کاویتاسیون ایجادشده با امواج فراصوتی انتقال جرم را بهبود می‌بخشد، سرعت واکنش‌ها را افزایش می‌دهد و تولید رادیکال‌های آزاد را تقویت می‌کند و در نتیجه به تبدیل‌های شیمیایی کارآمدتر و گزینش‌پذیرتر می‌انجامد.
- آماده‌سازی نمونه: دستگاه‌های فراصوتی پروبی معمولاً در آزمایشگاه‌ها برای آماده‌سازی نمونه استفاده می‌شوند. این دستگاه‌ها برای همگن‌سازی، جداسازی تجمعات و استخراج نمونه‌های زیستی، مانند سلول‌ها، بافت‌ها و ویروس‌ها، به کار می‌روند. انرژی فراصوتی ایجادشده توسط پروب غشاهای سلولی را تخریب می‌کند، محتویات سلول را آزاد می‌سازد و تجزیه‌وتحلیل بعدی را تسهیل می‌کند.
- متلاشی‌سازی و تخریب سلولی: دستگاه‌های فراصوتی پروبی برای متلاشی‌سازی و تخریب سلول‌ها و بافت‌ها با اهداف گوناگون، مانند استخراج اجزای درون‌سلولی، غیرفعال‌سازی میکروبی یا آماده‌سازی نمونه برای تجزیه‌وتحلیل، به کار می‌روند. امواج فراصوتی پُرشدت و کاویتاسیون حاصل از آن‌ها تنش مکانیکی و نیروهای برشی ایجاد می‌کنند که به متلاشی‌شدن ساختارهای سلولی می‌انجامد. در پژوهش‌های زیستی و تشخیص پزشکی، دستگاه‌های فراصوتی پروبی برای لیز سلولی استفاده می‌شوند؛ یعنی فرایند بازکردن سلول‌ها با تخریب آن‌ها برای آزادسازی اجزای درون‌سلولی. انرژی فراصوتی دیواره‌ها، غشاها و اندامک‌های سلولی را تخریب می‌کند و استخراج پروتئین‌ها، DNA، RNA و دیگر اجزای سلولی را امکان‌پذیر می‌سازد.
این موارد برخی از کاربردهای اصلی دستگاه‌های فراصوتی پروبی هستند، اما این فناوری کاربردهای بسیار گسترده‌تری نیز دارد؛ از جمله سونوشیمی، کاهش اندازهٔ ذرات (آسیاب‌کاری تر)، سنتز پایین‌به‌بالای ذرات و سنتز فراصوتی ترکیبات شیمیایی و مواد در صنایع گوناگون، مانند داروسازی، فراوری مواد غذایی، زیست‌فناوری و علوم محیط‌زیست.
این توالی از فریم‌های ثبت‌شده با سرعت بالا (از a تا f)، لایه‌برداری سونومکانیکی یک پولک گرافیت در آب با استفاده از UP200S، یک دستگاه فراصوتی 200W مجهز به سونوتْرود 3-mm، را نشان می‌دهد. پیکان‌ها محل شکافتن ذرات را نشان می‌دهند که حباب‌های کاویتاسیون به شکاف آن‌ها نفوذ می‌کنند.
© Tyurnina et al. 2020
از مزایای کاویتاسیون فراصوتی بهره‌مند شوید!
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما ارائه می‌دهد:
| حجم 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 |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
ویدئوی کاویتاسیون آکوستیکی در مایع
ویدئوی زیر کاویتاسیون آکوستیکی را در کاسکاترود دستگاه فراصوتی UIP1000hdT در یک ستون شیشه‌ای پر از آب نشان می‌دهد. برای بهتر دیده‌شدن حباب‌های کاویتاسیون، ستون شیشه‌ای از پایین با نور قرمز روشن شده است.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
پرسش‌های متداول
کاویتاسیون فراصوتی چیست؟
کاویتاسیون فراصوتی به تشکیل، رشد و فروپاشی شدید حباب‌های میکروسکوپی در مایعی گفته می‌شود که در معرض فراصوت پُرشدت قرار دارد. فروپاشی این حباب‌ها برش موضعی شدید، ریزجت‌های مایع، امواج ضربه‌ای، گرادیان‌های فشار بالا و اثرات قوی ریزاختلاط ایجاد می‌کند.
تفاوت کاویتاسیون فراصوتی و کاویتاسیون آکوستیکی چیست؟
کاویتاسیون آکوستیکی اصطلاحی کلی برای کاویتاسیون ناشی از امواج صوتی است. کاویتاسیون فراصوتی نوعی کاویتاسیون آکوستیکی است که با فرکانس‌های فراصوتی، معمولاً بالاتر از محدودهٔ شنوایی، ایجاد می‌شود. در پردازش صنعتی مایعات، هر دو اصطلاح اغلب برای کاویتاسیون ایجادشده با دستگاه‌های فراصوتی پرتوان استفاده می‌شوند.
کاویتاسیون فراصوتی چگونه پردازش مایعات را بهبود می‌بخشد؟
کاویتاسیون فراصوتی با ایجاد اثرات مکانیکی و شیمیایی شدید درون مایع، پردازش مایعات را بهبود می‌بخشد. اثرات مکانیکی به اختلاط، همگن‌سازی، امولسیون‌سازی، کلوخه‌زدایی ذرات، آسیاب‌کاری تر، استخراج و تخریب سلولی کمک می‌کنند. در سامانه‌های واکنشی، کاویتاسیون همچنین می‌تواند اثرات سونوشیمیایی را تقویت کند و انتقال جرم را بهبود بخشد.
کاویتاسیون فراصوتی در چه کاربردهایی استفاده می‌شود؟
کاویتاسیون فراصوتی برای همگن‌سازی، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی، نانوامولسیون‌سازی، استخراج، گاززدایی، کلوخه‌زدایی، کاهش اندازهٔ ذرات، لیز سلولی، تخریب میکروبی، سونوشیمی، سونوکاتالیز و واکنش‌های پیشرفته در فاز مایع استفاده می‌شود.
چرا دستگاه‌های فراصوتی پروبی برای ایجاد کاویتاسیون مؤثرند؟
دستگاه‌های فراصوتی پروبی انرژی فراصوتی را از طریق سونوتْرود مستقیماً به مایع منتقل می‌کنند. این انتقال مستقیم انرژی ناحیه‌ای با کاویتاسیون شدید در نزدیکی سطح پروب ایجاد می‌کند و تنظیم دقیق پارامترهای مهم فرایند، مانند دامنه، توان ورودی، دما، فشار و زمان پردازش، را امکان‌پذیر می‌سازد.
آیا حمام فراصوتی برای ایجاد کاویتاسیون قوی مناسب است؟
حمام‌های فراصوتی کاویتاسیون ایجاد می‌کنند، اما چگالی انرژی در آن‌ها معمولاً بسیار کمتر و تمرکز آن پایین‌تر از سونیکاتور پروبی است. حمام‌ها برای تمیزکاری و تیمار ملایم مفیدند، درحالی‌که دستگاه‌های فراصوتی پروبی برای همگن‌سازی، استخراج، امولسیون‌سازی، پراکنده‌سازی و تخریب سلولیِ تکرارپذیر و نیز پردازش صنعتی مایعات ترجیح داده می‌شوند.
تفاوت‌های سونیکاتورهای پروبی و حمام‌های فراصوتی را بخوانید و تماشا کنید!
کدام پارامترها بر شدت کاویتاسیون فراصوتی تأثیر می‌گذارند؟
پارامترهای مهم شامل دامنه، توان فراصوتی، مساحت سطح سونوتْرود، حجم مایع، گرانروی، محتوای جامدات، فشار، دما، هندسهٔ ظرف، هندسهٔ سلول جریان، دبی و زمان ماند هستند. تنظیم این پارامترها امکان تطبیق شدت کاویتاسیون با هدف فرایند را فراهم می‌کند.
آیا می‌توان مقیاس کاویتاسیون فراصوتی را از آزمایشگاه به تولید افزایش داد؟
بله. فرایندهای کاویتاسیون فراصوتی را می‌توان در حجم‌های آزمایشگاهی توسعه داد و با کنترل دامنه، انرژی ورودی، هندسهٔ سونوتْرود، دبی و زمان ماند به مقیاس پایلوت یا صنعتی منتقل کرد. Hielscher دستگاه‌های فراصوتی و راکتورهایی برای آزمون‌های آزمایشگاهی، آزمون‌های پایلوت و تولید صنعتی پیوسته ارائه می‌دهد.
منابع علمی / مراجع
- 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 هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در ابعادی از آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.