Ultraäänikavitaatio nesteissä
Ultraäänikavitaatio on voimakkaiden ultraäänipohjaisten nestekäsittelyprosessien liikkeellepaneva voima. Kun voimakas ultraääni kytketään nesteeseen, muodostuu mikroskooppisia höyrykuplia, jotka kasvavat ja romahtavat voimakkaasti. Tämä akustinen kavitaatio luo voimakkaita paikallisia leikkausvoimia, mikrosuihkuja, paineaaltoja, paineenmuutoksia ja mikrosekoitusvaikutuksia, jotka voivat nopeuttaa homogenisointia, dispergointia, emulgointia, uuttamista, kaasunpoistoa, solujen hajoamista ja sonokemiallisia reaktioita.
Hielscherin anturityyppiset ultraäänilaitteet hyödyntävät hallittua akustista kavitaatiota ultraäänienergian siirtämiseksi suoraan nesteisiin, suspensioihin ja lietteisiin. Pienistä laboratorionäytteistä jatkuvaan teolliseen virtausprosessituotantoon – Hielscherin järjestelmillä voit säätää amplitudia, sonotrodin muotoa, painetta, lämpötilaa, virtausnopeutta ja viipymäaikaa toistettavien kavitaatiotulosten saavuttamiseksi.
- Laboratorioille: kehittää ja optimoida ultraäänikäsittelyparametreja pienissä näytemäärissä.
- Kokeilulaitoksille: todentaa kavitaatiopohjaisten prosessien toimivuus todellisissa prosessiolosuhteissa.
- Tuotantoon: soveltaa ultraäänikavitaatiota erä-, kierrätys- tai jatkuvatoimisiin prosesseihin.
Ilmoittakaa meille nesteen tiedot, erän tilavuus tai virtausnopeus, viskositeetti, kiintoainepitoisuus, lämpötilarajat sekä prosessin tavoiteltu tulos. Suosittelemme kavitaatiosovellukseenne parhaiten sopivaa ultraäänilaitetta, sonotrodia ja virtauskammion kokoonpanoa.
Anturityyppiset ultraäänilaitteet, kuten UP400St Käytä akustisen kavitaation toimintaperiaatetta.
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.
Sonicator-koetin vai ultraäänikylpy: mikä kavitaatiomenetelmä on oikea?
Sekä anturipohjaiset ultraäänilaitteet että ultraäänikylpyammeet tuottavat akustista kavitaatiota, mutta ne eroavat toisistaan merkittävästi intensiteetin, hallittavuuden ja prosessin luotettavuuden suhteen. Ultraäänikylpyjä käytetään puhdistukseen, kun taas anturityyppiset ultraäänilaitteet siirtävät ultraäänienergian suoraan nesteeseen ja luovat paljon voimakkaamman, kohdennetun kavitaatioalueen. Tämän vuoksi anturityyppiset ultraäänilaitteet ovat ensisijainen valinta toistettavissa olevissa nesteenkäsittelysovelluksissa, kuten homogenisoinnissa, emulgoinnissa, uuttamisessa, solujen hajottamisessa, nanohiukkasten dispergoinnissa ja sonokemiallisissa reaktioissa.
| Vertailuperusteet | koettimen sonikaattori | ultraääni kylpy |
|---|---|---|
| kavitaation voimakkuus | Tuottaa voimakasta akustista kavitaatiota suoraan sonotrodin kärjessä. | Tuottaa heikompaa kavitaatiota, joka jakautuu koko kylpyammeen tilavuuteen. |
| Energiansiirto | Siirtää ultraäänienergiaa suoraan nesteeseen, suspensioon tai lietteeseen. | Siirtää energiaa epäsuorasti kylpyveden ja astian seinämän kautta. |
| Prosessin ohjaus | Mahdollistaa amplitudin, syöttötehon, pulssitilan, lämpötilan ja käsittelyajan tarkan säädön. | Tarjoaa vain rajoitetun hallinnan näytteeseen kohdistuvan ultraäänienergian määrään. |
| toistettavuus | Tuottaa toistettavia ultraäänikäsittelytuloksia, kun prosessin parametrit on määritelty ja niitä seurataan. | Tulokset voivat vaihdella kavitaation epätasaisen jakautumisen, astian asennon, astian materiaalin, täyttötason ja kylpyyn lisätyn kuorman vuoksi. |
| Käsittelyn tehokkuus | Erittäin tehokas homogenisointiin, dispergointiin, emulgointiin, uuttamiseen, solujen hajottamiseen ja sonokemiaan. | Sopii pääasiassa puhdistukseen. |
| Näytteen tilavuus | Saatavana sekä pienille laboratorionäytteille että koe- ja teollisuusmäärille. | Käytetään yleensä pienille astioille tai useille säiliöille, jotka sijoitetaan kylpyammeen sisään. |
| Skaalaa ylöspäin | Soveltuu laboratoriokokeista pilottikokeisiin ja jatkuvaan teolliseen tuotantolinjakäsittelyyn. | Skaalaus on vaikeaa, koska energian jakautumista ja kavitaation voimakkuutta ei ole helppo soveltaa muihin tilanteisiin. |
| Sopivat välineet | Soveltuu nesteille, emulsioille, suspensioille, lietteille ja korkean kiintoainepitoisuuden omaaville valmisteille. | Sopii parhaiten matalaviskositeettisille nesteille sekä yksinkertaisiin puhdistus- tai kaasunpoistotehtäviin. |
| Tyypilliset sovellukset | Nanohiukkasten dispergointi, nanoemulsiot, uuttaminen, solujen hajottaminen, homogenisointi, agglomeraattien hajottaminen, märkäjauhaminen ja ultraäänikemialliset reaktiot. | Lasiesineiden puhdistus, nesteiden kaasunpoisto, jauheiden liuottaminen ja näytteiden kevyt sekoittaminen. |
| Paras valinta | Hallittu, tehokas ja toistettavissa oleva nesteiden ultraäänikäsittely. | Yksinkertainen puhdistus tai matalatehoinen ultraäänikäsittely. |
Ultraäänilaitteiden ja akustisen kavitaation tärkeimmät käyttökohteet
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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
Hyödynnä ultraäänikavitaatiota!
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Video akustisesta kavitaatiosta nesteessä
Seuraava video osoittaa akustisen kavitaation ultraäänilaitteen UIP1000hdT kaskatrodissa vedellä täytetyssä lasipylväässä. Lasipylväs valaistaan alhaalta punaisella valolla kavitaatiokuplien visualisoinnin parantamiseksi.
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita sekoitussovelluksiin, dispersioon, emulgointiin ja uuttamiseen laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.
Usein Kysytyt Kysymykset
Mikä on ultraäänikavitaatio?
Ultraäänikavitaatio tarkoittaa mikroskooppisten kuplien muodostumista, kasvua ja voimakasta romahtamista nesteessä, johon kohdistetaan voimakasta ultraääntä. Näiden kuplien romahtaminen aiheuttaa voimakasta paikallista leikkausvoimaa, nestemikrosuihkuja, paineaaltoja, suuria paine-eroja ja voimakkaita mikrosekoitusvaikutuksia.
Mitä eroa on ultraäänikavitaatiolla ja akustisella kavitaatiolla?
Akustinen kavitaatio on yleisnimitys ääniaaltojen aiheuttamalle kavitaatiolle. Ultraäänikavitaatio on akustista kavitaatiota, joka syntyy ultraäänitaajuuksilla, jotka ovat tyypillisesti kuulon ulottumattomissa. Teollisessa nesteenkäsittelyssä molempia termejä käytetään usein kuvaamaan suuritehoisten ultraäänilaitteiden aiheuttamaa kavitaatiota.
Miten ultraäänikavitaatio parantaa nesteiden käsittelyä?
Ultraäänikavitaatio tehostaa nesteiden käsittelyä luomalla nesteen sisälle voimakkaita mekaanisia ja kemiallisia vaikutuksia. Mekaaniset vaikutukset edistävät sekoittumista, homogenisointia, emulgointia, hiukkasten agglomeraation purkamista, märkäjauhamista, uuttamista ja solujen hajottamista. Reaktiivisissa järjestelmissä kavitaatio voi myös edistää sonokemiallisia vaikutuksia ja parantaa massansiirtoa.
Missä sovelluksissa käytetään ultraäänikavitaatiota?
Ultraäänikavitaatiota käytetään homogenisointiin, dispergointiin, emulgointiin, nanoemulgointiin, uuttamiseen, kaasunpoistoon, agglomeraattien hajottamiseen, hiukkaskokojen pienentämiseen, solujen hajottamiseen, mikro-organismien hajottamiseen, sonokemiaan, sonokatalyysiin sekä edistyneisiin nestevaiheisiin reaktioihin.
Miksi anturityyppiset ultraäänilaitteet ovat tehokkaita kavitaatiossa?
Anturityyppiset ultraäänilaitteet siirtävät ultraäänienergiaa suoraan nesteeseen sonotrodin kautta. Tämä suora energiansiirto luo voimakkaan kavitaatioalueen anturin pinnan läheisyyteen ja mahdollistaa tärkeiden prosessiparametrien, kuten amplitudin, syötetyn tehon, lämpötilan, paineen ja käsittelyajan, tarkan säätämisen.
Sopiiiko ultraäänipesu voimakkaaseen kavitaatioon?
Ultraäänikylpyissä syntyy kavitaatiota, mutta energian tiheys on yleensä huomattavasti pienempi ja vähemmän kohdennettu kuin anturityyppisissä ultraäänilaitteissa. Kylpyjä käytetään puhdistukseen ja hellävaraiseen käsittelyyn, kun taas anturityyppisiä ultraäänilaitteita suositellaan toistettavissa oleviin homogenisointi-, uutto-, emulgointi- ja dispergointiprosesseihin, solujen hajottamiseen sekä teolliseen nesteiden käsittelyyn.
Lue ja katso, miten koettimella varustetut ultraäänilaitteet ja ultraäänikylpyammeet eroavat toisistaan!
Mitkä tekijät vaikuttavat ultraäänikavitaation voimakkuuteen?
Tärkeimpiä parametreja ovat amplitudi, ultraääniteho, sonotrodin pinta-ala, nesteen tilavuus, viskositeetti, kiintoainepitoisuus, paine, lämpötila, astian muoto, virtauskennojen muoto, virtausnopeus ja viipymäaika. Näitä parametreja säätämällä kavitaation voimakkuutta voidaan mukauttaa prosessin tavoitteisiin.
Voidaanko ultraäänikavitaatiota soveltaa laboratoriotasolta tuotantoon?
Kyllä. Ultraäänikavitaatioprosesseja voidaan kehittää laboratoriomittakaavassa ja siirtää koe- tai teolliseen mittakaavaan säätelemällä amplitudia, energian syöttöä, sonotrodin muotoa, virtausnopeutta ja viipymäaikaa. Hielscher tarjoaa ultraäänilaitteita ja reaktoreita laboratoriotestaukseen, koekäyttöön ja jatkuvaan teolliseen tuotantoon.
Kirjallisuus / Viitteet
- 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 valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita laboratorio jotta Teollisuuden koko.