کاویتاسیون التراسونیک در مایعات
امواج اولتراسونیک سونوگرافی با شدت بالا ایجاد حفره صوتی در مایعات. کاویتاسیون اثرات شدیدی را به صورت محلی ایجاد می کند، مانند جت های مایع تا 1000 کیلومتر در ساعت، فشار تا 2000 اتمسفر و دمای تا 5000 کلوین. این نیروهای مافوق صوت تولید شده برای کاربردهای پردازش مایع متعدد مانند همگن سازی، پراکندگی، امولسیون سازی، استخراج، اختلال سلولی و همچنین تشدید واکنش های شیمیایی استفاده می شود.
اصل کار کاویتاسیون اولتراسونیک
هنگام فراصوت مایعات در شدت بالا، امواج صوتی که به رسانه مایع منتشر می شوند منجر به چرخه های متناوب فشار بالا (فشرده سازی) و فشار کم (نادر) می شوند، با نرخ بسته به فرکانس. در طول چرخه فشار کم، امواج اولتراسونیک با شدت بالا حباب های خلاء کوچک یا حفره هایی را در مایع ایجاد می کنند. هنگامی که حباب ها به حجمی می رسند که دیگر نمی توانند انرژی را جذب کنند، در طول یک چرخه فشار بالا به شدت فرو می ریزند. این پدیده کاویتاسیون نامیده می شود. در طول انفجار، دماهای بسیار بالا (تقریبا 5000 کلاین) و فشارها (تقریبا 2000 اتمسفر) به صورت محلی به دست می آیند. انفجار حباب کاویتاسیون همچنین منجر به جت های مایع با سرعت 280 متر بر ثانیه می شود.

مافوق صوت نوع کاوشگر مانند UP400St از اصل کار کاویتاسیون آکوستیک استفاده کنید.

کاویتاسیون صوتی (تولید شده توسط سونوگرافی قدرت) شرایط شدید محلی را ایجاد می کند، به اصطلاح اثرات سونومکانیکی و سونوشیمیایی. با توجه به این اثرات، فراصوت ترویج واکنش های شیمیایی منجر به بازده بالاتر، سرعت واکنش سریع تر، مسیرهای جدید، و بهبود بهره وری کلی.
کاربردهای کلیدی اولتراسونیک با استفاده از کاویتاسیون آکوستیک
سونوگرافی نوع کاوشگر، همچنین به عنوان پروب اولتراسونیک شناخته شده، به طور موثر ایجاد حفره صوتی شدید در مایعات. بنابراین، آنها به طور گسترده در کاربردهای مختلف در صنایع مختلف استفاده می شوند. برخی از مهم ترین کاربردهای کاویتاسیون صوتی تولید شده توسط مافوق صوت نوع پروب عبارتند از:
- همگن: کاوشگرهای اولتراسونیک می توانند حفره های شدید تولید کنند که به عنوان یک میدان انرژی متراکم از ارتعاش و نیروهای برشی مشخص می شود. این نیروها اختلاط، ترکیب و کاهش اندازه ذرات عالی را فراهم می کنند. همگن سازی اولتراسونیک تولید تعلیق یکنواخت مخلوط. بنابراین، فراصوت استفاده می شود برای تولید سوسپانسیون کلوئیدی همگن با منحنی توزیع باریک.
- پراکندگی نانوذرات: مافوق صوت برای پراکندگی، deagglomeration و مرطوب فرز نانوذرات استفاده می شود. امواج اولتراسوند با فرکانس پایین می توانند کاویتاسیون تاثیرگذار ایجاد کنند که آگلومراها را تجزیه کرده و اندازه ذرات را کاهش می دهد. به طور خاص، برش زیاد جت های مایع، ذرات موجود در مایع را تسریع می کند که با یکدیگر برخورد می کنند (برخورد بین ذرات) به طوری که ذرات در نتیجه شکسته و فرسایش می یابند. این امر منجر به توزیع یکنواخت و پایدار ذرات می شود که از رسوب گذاری جلوگیری می کند. این امر در زمینه های مختلف از جمله فناوری نانو، علم مواد و داروسازی بسیار مهم است.
- امولسیون و مخلوط کردن: مافوق صوت نوع پروب استفاده می شود برای ایجاد امولسیون و مخلوط مایعات. انرژی اولتراسونیک باعث کاویتاسیون، تشکیل و فروپاشی حباب های میکروسکوپی می شود که نیروهای برشی محلی شدید ایجاد می کند. این فرآیند به امولسیون کردن مایعات غیرقابل اختلاط و تولید امولسیون های پایدار و ریز پراکنده کمک می کند.
- استخراج: با توجه به نیروهای برشی حفره ای، مافوق صوت در مختل کردن ساختارهای سلولی و بهبود انتقال جرم بین جامد و مایع بسیار کارآمد هستند. از این رو، استخراج مافوق صوت به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد برای انتشار مواد داخل سلولی مانند ترکیبات فعال زیستی برای تولید عصاره های گیاهی با کیفیت بالا.
- گاززدایی و هوازدایی: مافوق صوت از نوع پروب برای حذف حباب های گاز و یا گازهای محلول از مایعات استفاده می شود. استفاده از حفره اولتراسونیک باعث ادغام حباب های گاز می شود به طوری که آنها رشد می کنند و به بالای مایع شناور می شوند. کاویتاسیون اولتراسونیک باعث می شود گاز زدایی یک روش سریع و کارآمد باشد. این امر در صنایع مختلف مانند رنگ ها، سیالات هیدرولیک یا فرآوری مواد غذایی و آشامیدنی که در آن وجود گازها می تواند بر کیفیت و پایداری محصول تأثیر منفی بگذارد، ارزشمند است.
- سونوکاتالیز: پروب های اولتراسونیک را می توان برای سونوکاتالیز استفاده کرد، فرآیندی که ترکیبی از حفره صوتی با کاتالیزورها برای افزایش واکنش های شیمیایی است. کاویتاسیون تولید شده توسط امواج مافوق صوت باعث بهبود انتقال جرم، افزایش سرعت واکنش و ترویج تولید رادیکال های آزاد می شود که منجر به تحولات شیمیایی کارآمدتر و انتخابی تر می شود.
- آماده سازی نمونه: اولتراسونیک نوع پروب معمولا در آزمایشگاه ها برای آماده سازی نمونه استفاده می شود. آنها برای همگن سازی، تفکیک و استخراج نمونه های بیولوژیکی مانند سلول ها، بافت ها و ویروس ها استفاده می شوند. انرژی اولتراسونیک تولید شده توسط کاوشگر غشای سلولی را مختل می کند، محتویات سلولی را آزاد می کند و تجزیه و تحلیل بیشتر را تسهیل می کند.
- متلاشی شدن و اختلال سلولی: اولتراسونیک از نوع پروب برای تجزیه و مختل کردن سلول ها و بافت ها برای اهداف مختلف مانند استخراج اجزای داخل سلولی، غیرفعال سازی میکروبی، یا آماده سازی نمونه برای تجزیه و تحلیل استفاده می شود. امواج اولتراسونیک با شدت بالا و در نتیجه کاویتاسیون ایجاد شده باعث ایجاد تنش مکانیکی و نیروهای برشی و در نتیجه از هم پاشیدگی ساختارهای سلولی می شود. در تحقیقات بیولوژیکی و تشخیص پزشکی، اولتراسونیک نوع پروب برای لیز سلولی استفاده می شود، فرآیند شکستن سلول های باز برای انتشار اجزای داخل سلولی خود. انرژی مافوق صوت دیواره های سلولی، غشاها و اندامک ها را مختل می کند و امکان استخراج پروتئین ها، DNA، RNA و سایر ترکیبات سلولی را فراهم می کند.
اینها برخی از کاربردهای کلیدی مافوق صوت پروب نوع هستند، اما این فناوری دارای طیف وسیع تری از کاربردهای دیگر، از جمله سونوشیمی، کاهش اندازه ذرات (مرطوب فرز)، سنتز ذرات از پایین به بالا، و سنتز سونو از مواد شیمیایی و مواد در صنایع مختلف مانند داروسازی، فرآوری مواد غذایی، بیوتکنولوژی و علوم محیطی.

دنباله ای با سرعت بالا (از a تا f) از قاب هایی که لایه برداری سونومکانیکی پوسته گرافیت را در آب نشان می دهد با استفاده از UP200S، یک ultrasonicator 200W با sonotrode 3 میلی متر. فلش ها محل شکافتن ذرات را با حباب های کاویتاسیون که به شکاف نفوذ می کنند نشان می دهد.
© تیرنینا و همکاران 2020
ویدئویی از کاویتاسیون آکوستیک در مایع
ویدئو زیر نشان می دهد حفره صوتی در cascatrode از ultrasonicator UIP1000hdT در یک ستون شیشه ای پر از آب. ستون شیشه ای از پایین با نور قرمز روشن می شود تا تجسم حباب های حفره ای بهبود یابد.
تماس با ما! / از ما بپرسید!
جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد:
حجم دسته ای | نرخ جریان | دستگاه های توصیه شده |
---|---|---|
1 تا 500 میلی لیتر | 10 تا 200 میلی لیتر در دقیقه | UP100H |
10 تا 2000 میلی لیتر | 20 تا 400 میلی لیتر در دقیقه | تا 200 هرتز، UP400St |
0.1 تا 20 لیتر | 0.2 تا 4 لیتر در دقیقه | UIP2000hdT |
10 تا 100 لیتر | 2 تا 10 لیتر در دقیقه | UIP4000hdT |
ن.ا. | 10 تا 100 لیتر در دقیقه | UIP16000 |
ن.ا. | بزرگتر | خوشه ای از UIP16000 |
ادبیات / منابع
- 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 مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.