Ultraäänikavitaatio nesteissä

Korkean intensiteetin ultraäänen ultraääniaallot tuottavat akustista kavitaatiota nesteissä. Kavitaatio aiheuttaa äärimmäisiä vaikutuksia paikallisesti, kuten nestesuihkut jopa 1000 km / h, paineet jopa 2000 atm ja lämpötilat jopa 5000 Kelvin. Näitä ultraäänellä tuotettuja voimia käytetään lukuisiin nestemäisiin käsittelysovelluksiin, kuten homogenointiin, dispergointiin, emulgointiin, uuttamiseen, solujen häiriöihin sekä kemiallisten reaktioiden tehostamiseen.

Ultraäänikavitaation toimintaperiaate

Kun sonikoidaan nesteitä suurilla intensiteeteillä, nestemäiseen väliaineeseen leviävät ääniaallot johtavat vuorotellen korkeapaineisiin (puristus) ja matalapaineisiin (harvinaisuus) sykleihin, joiden nopeudet riippuvat taajuudesta. Matalapainesyklin aikana korkean intensiteetin ultraääniaallot luovat pieniä tyhjiökuplia tai tyhjiöitä nesteeseen. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne romahtavat voimakkaasti korkeapainesyklin aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Luhistumisen aikana saavutetaan paikallisesti erittäin korkeat lämpötilat (noin 5 000 K) ja paineet (noin 2 000 atm). Kavitaatiokuplan luhistuminen johtaa myös nestesuihkuihin, joiden nopeus on jopa 280 m/s.

Akustinen kavitaatio (tehon ultraäänen tuottama) luo paikallisesti äärimmäisiä olosuhteita, niin sanottuja sonomekaanisia ja sonokemiallisia vaikutuksia. Näiden vaikutusten vuoksi sonikaatio edistää kemiallisia reaktioita, jotka johtavat suurempiin saantoihin, nopeampaan reaktionopeuteen, uusiin reitteihin ja parempaan yleiseen tehokkuuteen.

Ultrasonicatorsin tärkeimmät sovellukset, joissa käytetään akustista kavitaatiota

Koetintyyppiset ultraäänilaitteet, jotka tunnetaan myös nimellä ultraäänianturit, tuottavat tehokkaasti voimakasta akustista kavitaatiota nesteissä. Siksi niitä käytetään laajalti erilaisissa sovelluksissa eri toimialoilla. Jotkut tärkeimmistä koetintyyppisten ultraäänilaitteiden tuottamista akustisen kavitaation sovelluksista ovat:
 

1. Homogenisointi: Ultraäänianturit voivat tuottaa voimakasta kavitaatiota, jota luonnehditaan energiatiheäksi värähtely- ja leikkausvoimien kentäksi. Nämä voimat tarjoavat erinomaisen sekoittamisen, sekoittamisen ja hiukkaskoon pienentämisen. Ultraäänihomogenisointi tuottaa tasaisesti sekoitettuja suspensioita. Siksi sonikaatiota käytetään homogeenisen kolloidisen suspension tuottamiseen kapeilla jakelukäyrillä.
2. Nanohiukkasten dispersio: Ultrasonicatoreita käytetään nanohiukkasten dispersioon, deagglomeraatioon ja märkäjyrsintään. Matalataajuiset ultraääniaallot voivat tuottaa vaikuttavaa kavitaatiota, joka hajottaa agglomeraatit ja vähentää hiukkaskokoa. Erityisesti nestesuihkujen suuri leikkaus kiihdyttää nesteen hiukkasia, jotka törmäävät toisiinsa (hiukkasten välinen törmäys) siten, että hiukkaset rikkoutuvat ja kuluvat. Tämä johtaa hiukkasten tasaiseen ja vakaaseen jakautumiseen, mikä estää sedimentaation. Tämä on ratkaisevan tärkeää eri aloilla, kuten nanoteknologiassa, materiaalitieteessä ja lääkkeissä.
3. Emulgointi ja sekoittaminen: Koetintyyppisiä ultraäänilaitteita käytetään emulsioiden luomiseen ja nesteiden sekoittamiseen. Ultraäänienergia aiheuttaa kavitaatiota, mikroskooppisten kuplien muodostumista ja romahtamista, mikä tuottaa voimakkaita paikallisia leikkausvoimia. Tämä prosessi auttaa emulgoimaan sekoittumattomia nesteitä, jolloin saadaan stabiileja ja hienojakoisia emulsioita.
4. Uuttaminen: Kavitaatioleikkausvoimien vuoksi ultraäänilaitteet ovat erittäin tehokkaita häiritsemään solurakenteita ja parantamaan massansiirtoa kiinteän ja nesteen välillä. Siksi ultraääniuuttoa käytetään laajalti solunsisäisen materiaalin, kuten bioaktiivisten yhdisteiden, vapauttamiseen korkealaatuisten kasvitieteellisten uutteiden tuottamiseksi.
5. Kaasunpoisto ja ilmanpoisto: Koetintyyppisiä ultraäänilaitteita käytetään kaasukuplien tai liuenneiden kaasujen poistamiseen nesteistä. Ultraäänikavitaation käyttö edistää kaasukuplien yhteensulautumista niin, että ne kasvavat ja kelluvat nesteen yläosaan. Ultraäänikavitaatio tekee kaasunpoistosta nopean ja tehokkaan menettelyn. Tämä on arvokasta eri teollisuudenaloilla, kuten maaleissa, hydrauliikkanesteissä tai elintarvikkeiden ja juomien käsittelyssä, joissa kaasujen läsnäolo voi vaikuttaa negatiivisesti tuotteen laatuun ja vakauteen.
6. Sonokatalyysi: Ultraääniantureita voidaan käyttää sonokatalyysiin, prosessiin, joka yhdistää akustisen kavitaation katalyytteihin kemiallisten reaktioiden parantamiseksi. Ultraääniaaltojen tuottama kavitaatio parantaa massansiirtoa, lisää reaktionopeuksia ja edistää vapaiden radikaalien tuotantoa, mikä johtaa tehokkaampiin ja selektiivisempiin kemiallisiin muutoksiin.
7. Näytteen valmistelu: Koetintyyppisiä ultraäänilaitteita käytetään yleisesti laboratorioissa näytteen valmistukseen. Niitä käytetään biologisten näytteiden, kuten solujen, kudosten ja virusten, homogenointiin, hajottamiseen ja uuttamiseen. Koettimen tuottama ultraäänienergia häiritsee solukalvoja, vapauttaa solujen sisällön ja helpottaa lisäanalyysiä.
8. Hajoaminen ja solujen hajoaminen: Koetintyyppisiä ultraäänilaitteita käytetään solujen ja kudosten hajottamiseen ja häiritsemiseen eri tarkoituksiin, kuten solunsisäisten komponenttien uuttamiseen, mikrobien inaktivointiin tai näytteen valmisteluun analysointia varten. Korkean intensiteetin ultraääniaallot ja siten syntynyt kavitaatio aiheuttavat mekaanista rasitusta ja leikkausvoimia, mikä johtaa solurakenteiden hajoamiseen. Biologisessa tutkimuksessa ja lääketieteellisessä diagnostiikassa anturityyppisiä ultraäänilaitteita käytetään solulyysiin, solujen avoimien hajottamiseen niiden solunsisäisten komponenttien vapauttamiseksi. Ultraäänienergia häiritsee soluseinämiä, kalvoja ja organelleja, mikä mahdollistaa proteiinien, DNA: n, RNA: n ja muiden solujen ainesosien uuttamisen.

 
Nämä ovat joitain koetintyyppisten ultraäänilaitteiden keskeisiä sovelluksia, mutta tekniikalla on vielä laajempi valikoima muita käyttötarkoituksia, mukaan lukien sonokemia, hiukkaskoon pienentäminen (märkäjyrsintä), alhaalta ylöspäin suuntautuva hiukkassynteesi ja kemiallisten aineiden ja materiaalien sonosynteesi eri teollisuudenaloilla, kuten lääkkeissä, elintarvikkeiden jalostuksessa, biotekniikassa ja ympäristötieteissä.

Nopea kehyssarja (a:sta f:ään), joka kuvaa grafiittihiutaleen sonomekaanista kuorintaa vedessä käyttämällä UP200S: ää, 200 W: n ultraäänilaitetta, jossa on 3 mm: n sonotrode. Nuolet osoittavat hiukkasten halkaisupaikan, jossa kavitaatiokuplat tunkeutuvat jakoon.
© Tyurnina ym. 2020

Video akustisesta kavitaatiosta nesteessä

Seuraava video osoittaa akustisen kavitaation ultraäänilaitteen UIP1000hdT kaskatrodissa vedellä täytetyssä lasipylväässä. Lasipylväs valaistaan alhaalta punaisella valolla kavitaatiokuplien visualisoinnin parantamiseksi.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: