Tehoultraäänen käyttö ultraäänitorvien avulla

Ultraäänitorvia tai -sondeja käytetään laajalti monenlaisiin nesteiden käsittelysovelluksiin, kuten homogenointiin, dispergointiin, märkäjauhatukseen, emulgointiin, uuttoon, hajotukseen, liuotukseen ja ilmanpoistoon. Tutustu ultraäänitorvien, ultraäänisondien ja niiden sovellusten perusteisiin.

Ultraäänitorven ja ultraäänisondin vertailu

Termejä ultraäänitorvi ja ultraäänisondi käytetään usein toistensa synonyymeinä, ja niillä tarkoitetaan ultraääniaaltoja nesteeseen välittävää sauvaa. Ultraäänisondista käytetään myös nimityksiä akustinen torvi, sonotrodi, akustinen aaltoputki tai ultraäänisormi. Teknisesti ultraäänitorven ja ultraäänisondin välillä on kuitenkin ero.
Sekä torvi että sondi ovat niin kutsutun sondityyppisen ultraäänilaitteen osia. Ultraäänitorvi on ultraäänimuuntimen metalliosa, joka saatetaan värähtelemään pietsosähköisesti tuotetuilla värähtelyillä. Ultraäänitorvi värähtelee tietyllä taajuudella, esimerkiksi 20 kHz:n taajuudella, mikä tarkoittaa 20 000 värähtelyä sekunnissa. Titaani on ensisijainen materiaali ultraäänitorvien valmistukseen erinomaisten akustisten siirto-ominaisuuksiensa, hyvän väsymislujuutensa ja pintakovuutensa ansiosta.

Ultraäänisondia kutsutaan myös sonotrodiksi tai ultraäänisormeksi. Se on useimmiten titaanista valmistettu metallisauva, joka kiinnitetään kierteellä ultraäänitorveen. Ultraäänisondi on ultraääniprosessorin olennainen osa, joka välittää ultraääniaallot ultraäänikäsiteltävään väliaineeseen. Ultraäänisondeja / sonotrodeja on saatavana eri muotoisina (esimerkiksi kartiomaisina, kärjellisinä, kapenevina tai Cascatrode-mallisina). Vaikka titaani on ultraäänisondien yleisin materiaali, saatavana on myös ruostumattomasta teräksestä, keramiikasta, lasista ja muista materiaaleista valmistettuja sonotrodeja.

Koska ultraäänitorvi ja sondi ovat ultraäänikäsittelyn aikana jatkuvan puristus- tai vetokuormituksen alaisina, niiden materiaalivalinta on ratkaisevan tärkeä. Korkealaatuista titaaniseosta (luokka 5) pidetään luotettavimpana, kestävimpänä ja tehokkaimpana metallina kuormituksen kestämiseen, suurten amplitudien ylläpitämiseen pitkiä aikoja sekä akustisten ja mekaanisten ominaisuuksien välittämiseen.

Liuottaminen on yleinen ultraäänikäsittelyn käyttökohde. Video esittelee sokerikiteiden nopeaa liuottamista veteen Hielscher UP200St -laitteella.

Suorituskykyiset ultraäänilaitteet toimivat useimmiten taajuusalueella 20–30 kHz. Taajuudella 20 kHz ultraäänisondi on tyypillisesti puolen aallonpituuden mittainen resonoiva sauva, joka laajenee ja supistuu jatkuvasti 20 000 kertaa sekunnissa. Laajenemis- ja supistumisliikkeet välittyvät suuritehoisena ultraäänenä prosessiväliaineeseen eli nesteeseen tai lietteeseen seuraavien kaltaisten sovellusten toteuttamiseksi:

Miten tehoultraääni toimii? – Akustisen kavitaation toimintaperiaate

Suorituskykyisissä ultraäänisovelluksissa, kuten homogenoinnissa, hiukkaskoon pienentämisessä, hajotuksessa tai nanodispersioiden valmistuksessa, ultraäänimuunnin tuottaa voimakasta, matalataajuista ultraääntä, joka välitetään ultraäänitorven ja sondin (sonotrodin) kautta nesteeseen. Suuritehoiseksi ultraääneksi katsotaan taajuusalueella 16–30 kHz oleva ultraääni. Ultraäänisondi laajenee ja supistuu esimerkiksi 20 kHz:n taajuudella ja välittää siten väliaineeseen vastaavasti 20 000 värähtelyä sekunnissa. Kun ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi, vuorottelevat korkeapaineiset (puristus) / matalapaineiset (harvennus / laajeneminen) jaksot synnyttävät pieniä onteloita (tyhjiökuplia), jotka kasvavat useiden painejaksojen aikana. Nesteen ja kuplien puristusvaiheessa paine on positiivinen, kun taas harvennusvaihe synnyttää tyhjiön (negatiivisen paineen). Puristus- ja laajenemisjaksojen aikana nesteen ontelot kasvavat, kunnes ne saavuttavat koon, jossa ne eivät enää pysty vastaanottamaan energiaa. Tässä vaiheessa ne romahtavat rajusti sisäänpäin. Näiden onteloiden romahtaminen aiheuttaa erilaisia hyvin suurienergisiä vaikutuksia, jotka tunnetaan akustisena / ultraäänikavitaationa. Akustiselle kavitaatiolle ovat ominaisia moninaiset hyvin suurienergiset vaikutukset, jotka vaikuttavat nesteisiin, kiinteän aineen ja nesteen järjestelmiin sekä kaasun ja nesteen järjestelmiin. Energiatiheää aluetta eli kavitaatioaluetta kutsutaan niin sanotuksi kuumien pisteiden alueeksi. Sen energiatiheys on suurimmillaan ultraäänisondin välittömässä läheisyydessä ja pienenee etäisyyden sonotrodiin kasvaessa. Ultraäänikavitaation keskeisiä ominaisuuksia ovat paikallisesti esiintyvät erittäin korkeat lämpötilat ja paineet sekä vastaavat lämpötila- ja paine-erot, turbulenssi ja nestevirtaukset. Kun ultraäänen synnyttämät ontelot romahtavat ultraäänen kuumissa pisteissä, voidaan mitata jopa 5 000 kelvinin lämpötiloja, jopa 200 ilmakehän paineita ja nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 1 000 km/h. Nämä poikkeukselliset, erittäin energiapitoiset olosuhteet edistävät sonomekaanisia ja sonokemiallisia vaikutuksia, jotka tehostavat prosesseja ja kemiallisia reaktioita eri tavoin.
Ultraäänikäsittelyn tärkeimmät vaikutukset nesteisiin ja lietteisiin ovat seuraavat:

Suuret leikkausvoimat: Ultraäänen suuret leikkausvoimat hajottavat nesteitä sekä nesteen ja kiinteän aineen järjestelmiä ja aiheuttavat voimakasta sekoittumista, homogenointia ja aineensiirtoa.
Törmäysvaikutus: Ultraäänikavitaation synnyttämät nestesuihkut ja virtaukset kiihdyttävät nesteissä olevien kiinteiden aineiden liikettä, mikä johtaa hiukkasten välisiin törmäyksiin. Kun hiukkaset törmäävät erittäin suurilla nopeuksilla, ne kuluvat, pirstoutuvat sekä jauhautuvat ja dispergoituvat hienojakoisesti, usein nanokokoon asti. Biologisessa aineksessa, kuten kasvimateriaaleissa, nopeat nestesuihkut ja vuorottelevat painejaksot hajottavat soluseinät ja vapauttavat solunsisäisen materiaalin. Tämä johtaa bioaktiivisten yhdisteiden erittäin tehokkaaseen uuttoon ja biologisen aineksen homogeeniseen sekoittumiseen.
Sekoittuminen: Ultraäänikäsittely aiheuttaa nesteessä tai lietteessä voimakasta turbulenssia, leikkausvoimia ja mikroliikettä. Näin ultraäänikäsittely tehostaa aina aineensiirtoa ja nopeuttaa siten reaktioita ja prosesseja.

Ultraäänihomogenisaattoreita ja suurilla leikkausvoimilla toimivia sekoittimia käytetään lähes kaikilla nesteitä tai lietteitä käsittelevillä prosessiteollisuuden aloilla. Voimakkaat ultraäänikavitaation voimat aiheuttavat voimakasta sekoittumista, leikkausta, hiukkasten rikkoutumista ja aineensiirtoa. Näin nesteitä homogenoidaan, dispergoidaan, emulgoidaan, uutetaan, liuotetaan ja/tai kemiallisia reaktioita käynnistetään. Kaiken kaikkiaan ultraäänikäsittely on prosesseja tehostava menetelmä, joka lisää saantoa, parantaa konversioasteita ja tekee prosesseista tehokkaampia.
Teollisuuden yleisiä ultraäänisovelluksia käytetään monilla elintarvike- ja lääketeollisuuden, hienokemian, energia-alan ja petrokemian, kierrätyksen, biojalostuksen ja muiden alojen osa-alueilla, ja niihin kuuluvat seuraavat:

Ultraäänitorvet ja sondit suorituskykyisiin sovelluksiin

Hielscher Ultrasonics on kokenut suuritehoisten ultraäänilaitteiden valmistaja ja jakelija. Sen laitteita käytetään maailmanlaajuisesti vaativissa sovelluksissa monilla teollisuudenaloilla.
Hielscher Ultrasonics tarjoaa kaikenkokoisia ultraääniprosessoreita 50 watista 16 kW:iin laitetta kohden, erikokoisia ja -muotoisia sondeja sekä tilavuudeltaan ja geometrialtaan erilaisia ultraäänireaktoreita. Näin sillä on oikeat laitteet ihanteellisen ultraäänilaitteiston kokoamiseen sovellustasi varten.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Erän tilavuus	Tilavuusvirta	Suositellut laitteet
1–500 mL	10–200 mL/min	UP100H
10–2 000 mL	20–400 mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1–20 L	0,2–4 L/min	UIP2000hdT
10–100 L	2–10 L/min	UIP4000hdT
n.a.	10–100 L/min	UIP16000
n.a.	suurempi	laiteryhmä: UIP16000

Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!

Liittyvät aiheet

Kirjallisuus / Lähteet

Kenneth S. Suslick, Yuri Didenko, Ming M. Fang, Taeghwan Hyeon, Kenneth J. Kolbeck, William B. McNamara, Millan M. Mdleleni, Mike Wong (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Vol. 357, Issue 1751, 1999. 335-353.
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.
Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.