کاویتاسیون التراسونیک در مایعات
Ultrasonic cavitation is the driving force behind high-intensity ultrasonic liquid processing. When powerful ultrasound is coupled into a liquid, microscopic vapor bubbles form, grow and collapse violently. This acoustic cavitation creates intense local shear forces, microjets, shock waves, pressure changes and micro-mixing effects that can accelerate homogenization, dispersing, emulsification, extraction, degassing, cell disruption and sonochemical reactions.
سونیکاتورهای نوع پروب Hielscher از کاویتاسیون صوتی کنترلشده برای انتقال مستقیم انرژی فراصوت به مایعات، سوسپانسیونها و شِلریها استفاده میکنند. از نمونههای کوچک آزمایشگاهی تا تولید پیوسته صنعتی با جریان مداوم، سیستمهای Hielscher به شما اجازه میدهند تا دامنه، هندسه سونوترد، فشار، دما، نرخ جریان و زمان اقامت را برای نتایج قابل تکرار کاویتاسیون تنظیم کنید.
- برای آزمایشگاهها: پارامترهای سونیکاسیون را در حجمهای کوچک توسعه و بهینه کنید.
- برای کارخانههای پایلوت: فرآیندهای مبتنی بر کاویتاسیون را تحت شرایط واقعی پردازش اعتبارسنجی کنید.
- برای تولید: کاویتاسیون اولتراسوند را به فرآیندهای دستهای، بازچرخشی یا پیوسته داخل خط مقیاسبندی کنید.
به ما بگویید که مایع شما، حجم بچ یا نرخ جریان، ویسکوزیته، محتوای جامدات، محدوده دمایی و نتیجه هدف فرآیند شما چیست. ما مناسبترین سونیکاتور، سونوترود و پیکربندی سلول جریان را برای کاربرد کاویتاسیون شما پیشنهاد میکنیم.
سونیکاتورهای نوع پروب مانند UP400St از اصل کار کاویتاسیون آکوستیک استفاده کنید.
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.
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.
Probe Sonicator or Ultrasonic Bath: Which Cavitation Method Is Right?
سونیکاتورهای پروب و حمام های اولتراسونیک هر دو کاویتاسیون صوتی تولید می کنند، اما تفاوت قابل توجهی در شدت، کنترل و قابلیت اطمینان فرآیند دارند. در حالی که حمام های اولتراسونیک برای تمیزکاری مفید هستند، سونیکاتورهای نوع پروب انرژی اولتراسونیک را مستقیما به مایع متصل می کنند و ناحیه کاویتاسیون بسیار قوی تر و متمرکزتری ایجاد می کنند. این موضوع سونیکاتورهای پروب را به انتخاب ترجیحی برای کاربردهای پردازش مایع قابل بازتولید مانند همگن سازی، امولسیفیکاسیون، استخراج، اختلال سلولی، پراکندگی نانوذرات و واکنش های سونوشیمیایی تبدیل می کند.
| معیارهای مقایسه | پروب سونیک | حمام اولتراسونیک |
|---|---|---|
| شدت کاویتاسیون | کاویتاسیون صوتی با شدت بالا را مستقیما در نوک سونوترود تولید می کند. | کاویتاسیون ضعیف تری را در سراسر حجم حمام توزیع می کند. |
| انتقال انرژی | انرژی اولتراسونیک را مستقیما به مایع، تعلیق یا دوغاب منتقل می کند. | Transfers energy indirectly through the bath liquid and vessel wall. |
| کنترل فرآیند | Allows precise adjustment of amplitude, power input, pulse mode, temperature and processing time. | Offers limited control over the actual ultrasonic energy reaching the sample. |
| تکرارپذیری | زمانی که پارامترهای فرآیند تعریف و کنترل شوند، نتایج سونیکاسیون قابل بازتولید را ارائه میدهد. | نتایج میتوانند به دلیل توزیع نابرابر کاویتاسیون، موقعیت ظرف، جنس ظرف، سطح پر شدن و بارگذاری حمام متفاوت باشند. |
| کارایی پردازش | بسیار کارآمد برای همگنسازی، پراکندهسازی، امولسیونسازی، استخراج، اختلال در سلول و شیمی صوتی. | عمدتاً مناسب برای تمیزکاری است. |
| حجم نمونه | برای نمونههای کوچک آزمایشگاهی و همچنین حجمهای پایلوت و صنعتی در دسترس است. | به طور معمول برای ظروف کوچک یا چندین ظرف قرار گرفته داخل حمام استفاده میشود. |
| ارتقاع | قابل افزایش از آزمایشگاه تا آزمایشهای پایلوت و فرآوری صنعتی پیوسته در خط تولید. | به دلیل اینکه توزیع انرژی و شدت کاویتاسیون بهراحتی قابل انتقال نیستند، بهطور قابل اعتماد دشوار است. |
| رسانههای مناسب | موثر برای مایعات، امولسیونها، سوسپانسیونها، لختهها و فرمولهای با درصد بالای جامد. | بهترین گزینه برای مایعات با ویسکوزیته پایین و کارهای ساده تمیزکاری یا دگازینگ. |
| کاربردهای معمول | پراکندگی نانوذرات، نانوامولسیونها، استخراج، لیز سلول، هموژنیزاسیون، تفکیک تجمع، آسیاب مرطوب و واکنشهای سونوشیمیایی. | تمیز کردن ظروف شیشهای، دگاز کردن مایعات، حل کردن پودرها و تکان دادن ملایم نمونه. |
| بهترین انتخاب برای | پردازش مایعات با اولتراسوند کنترلشده، قدرتمند و قابل تکرار. | تمیزکاری ساده یا درمان با اولتراسوند با شدت پایین. |
کاربردهای کلیدی سونیکاتورها و کاویتاسیون صوتی
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
از کاویتاسیون اولتراسونیک بهره ببرید!
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 |
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.
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا برای مخلوط کردن برنامه های کاربردی، پراکندگی، امولسیون و استخراج در آزمایشگاه، خلبان و مقیاس صنعتی.
پرسش و پاسخهای متداول
کاویتاسیون اولتراسونیک چیست؟
Ultrasonic cavitation is the formation, growth and violent collapse of microscopic bubbles in a liquid exposed to high-intensity ultrasound. The collapse of these bubbles creates intense local shear, liquid microjets, shock waves, high pressure gradients and strong micro-mixing effects.
تفاوت بین کاویتاسیون اولتراسونیک و کاویتاسیون صوتی چیست؟
کاویتاسیون صوتی اصطلاح کلی برای کاویتاسیونی است که توسط امواج صوتی ایجاد میشود. کاویتاسیون اولتراسونیک، کاویتاسیون صوتی است که توسط فرکانسهای اولتراسونیک ایجاد میشود، معمولاً بالاتر از محدوده شنوایی. در پردازش صنعتی مایعات، هر دو اصطلاح معمولاً برای کاویتاسیونی که توسط اولتراسونیکهای پرقدرت تولید میشود، استفاده میشوند.
کاویتاسیون اولتراسونیک چگونه پردازش مایعات را بهبود میبخشد؟
کویتاسیون اولتراسونیک با ایجاد اثرات مکانیکی و شیمیایی شدید درون مایع، پردازش مایعات را بهبود میبخشد. اثرات مکانیکی از میکس کردن، همگنسازی، امولسیونسازی، جدا کردن توده ذرات، آسیاب مرطوب، استخراج و شکستن سلولی پشتیبانی میکنند. در سیستمهای واکنشی، کویتاسیون میتواند اثرات سونوشیمیایی را نیز تقویت کرده و انتقال جرم را بهبود بخشد.
کدام کاربردها از کویتاسیون اولتراسونیک استفاده میکنند؟
کویتاسیون اولتراسونیک برای همگنسازی، پراکندهسازی، امولسیونسازی، نانوامولسیونسازی، استخراج، زدودن گاز، جدا کردن تودهها، کاهش اندازه ذرات، لیز سلولی، اختلال میکروبی، سونوشیمی، سونوکاتالیز و واکنشهای پیشرفته فاز مایع استفاده میشود.
چرا اولتراسونیکهای نوع پروب برای کویتاسیون مؤثر هستند؟
اولتراسونیکهای نوع پروب انرژی اولتراسونیک را مستقیماً از طریق سونوتروود به مایع منتقل میکنند. این اتصال مستقیم انرژی، منطقه کاویتاسیون شدیدی در نزدیکی سطح پروب ایجاد میکند و امکان تنظیم دقیق پارامترهای مهم فرآیند مانند دامنه، توان ورودی، دما، فشار و زمان پردازش را فراهم میآورد.
آیا حمام اولتراسونیک برای کاویتاسیون قوی مناسب است؟
حمامهای اولتراسونیک کاویتاسیون تولید میکنند، اما چگالی انرژی معمولاً بسیار کمتر و کمتر متمرکز نسبت به سونیکاتورهای پروبدار است. حمامها برای تمیز کردن و درمان ملایم مفید هستند، در حالی که سونیکاتورهای پروبدار برای همگنسازی تکرارپذیر، استخراج، امولسیونسازی، پراکندگی، تخریب سلول و پردازش مایعات صنعتی ترجیح داده میشوند.
بخوانید و ببینید که سونیکاتورهای پروبدار و حمامهای اولتراسونیک چگونه با هم تفاوت دارند!
کدام پارامترها بر شدت کاویتاسیون اولتراسونیک تأثیر میگذارند؟
پارامترهای مهم شامل دامنه، توان اولتراسونیک، سطح سونوترود، حجم مایع، ویسکوزیته، میزان جامدات، فشار، دما، هندسه ظرف، هندسه سلول جریان، نرخ جریان و زمان سکون است. تنظیم این پارامترها اجازه میدهد شدت کاویتاسیون با هدف فرآیند سازگار شود.
آیا کاویتاسیون اولتراسونیک میتواند از آزمایشگاه به تولید مقیاسبندی شود؟
بله. فرآیندهای کاویتاسیون اولتراسونیک میتوانند در حجمهای آزمایشگاهی توسعه یابند و با کنترل دامنه، ورودی انرژی، هندسه سونوترود، نرخ جریان و زمان سکون به مرحله پایلوت یا صنعتی منتقل شوند. شرکت Hielscher اولتراسونیکاتورها و راکتورهایی برای آزمایشهای آزمایشگاهی، آزمایشهای پایلوت و تولید صنعتی مداوم ارائه میدهد.
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.