יישום של אולטרסאונד כוח באמצעות קרניים קוליות

קרניים או גשושיות על-קוליות נמצאות בשימוש נרחב עבור יישומי עיבוד נוזלים רב-תכליתיים, כולל הומוגניזציה, פיזור, כרסום רטוב, תחלוב, מיצוי, התפרקות, המסה וביטול אוורור. למד את היסודות על קרניים קוליות, בדיקות קוליות ואת היישומים שלהם.

קרן קולית לעומת בדיקה קולית

לעתים קרובות, המונח קרן קולית ובדיקה משמשים לסירוגין ומתייחסים למוט הקולי המעביר את גלי האולטרסאונד לתוך הנוזל. מונחים אחרים המשמשים עבור בדיקה קולית הם קרן אקוסטית, sonotrode, מדריך גל אקוסטי, או אצבע קולית. עם זאת, מבחינה טכנית יש הבדל בין קרן קולית לבין בדיקה קולית.
שניהם, קרן ובדיקה, מתייחסים לחלקים של מה שנקרא אולטרסאונד מסוג בדיקה. הקרן העל-קולית היא החלק המתכתי של המתמר העל-קולי, אשר מתרגש באמצעות תנודות שנוצרו באופן פיאזואלקטרי. הקרן העל-קולית רוטטת בתדר מסוים, למשל 20kHz, כלומר 20,000 תנודות בשנייה. טיטניום הוא החומר המועדף לייצור קרניים על-קוליות בשל תכונות השידור האקוסטיות המצוינות שלו, חוזק העייפות החזק שלו וקשיות פני השטח.

הבדיקה קולית נקראת גם sonotrode או אצבע קולית. זהו מוט מתכת, לרוב עשוי טיטניום, מושחל קרן קולית. הגשושית העל-קולית היא חלק חיוני מהמעבד העל-קולי, המעביר את גלי האולטרסאונד למדיום הסוני. בדיקות אולטראסוניות / סונוטרודות הן בצורות שונות (למשל חרוטיות, מחודדות, מחודדות או כמו Cascatrode) זמין. בעוד טיטניום הוא החומר הנפוץ ביותר עבור בדיקות קוליות, יש גם sonotrode עשוי נירוסטה, קרמיקה, זכוכית וחומרים אחרים זמינים.

מכיוון שהקרן והגשושית העל-קוליות נמצאות תחת דחיסה או מתח קבועים במהלך סוניקציה, בחירת החומר של הקרן והגשושית היא קריטית. סגסוגת טיטניום באיכות גבוהה (דרגה 5) נחשבת למתכת האמינה, העמידה והיעילה ביותר לעמוד בלחץ, לקיים אמפליטודות גבוהות לאורך תקופות זמן ארוכות ולהעביר את התכונות האקוסטיות והמכניות.

אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים עובד בעיקר בתחום התדרים של 20-30kHz. במהירות של 20 קילוהרץ, הגשושית העל-קולית היא בדרך כלל מוט תהודה באורך חצי גל, אשר מתרחב ומתכווץ ללא הרף 20,000 פעמים בשנייה. תנועות ההתפשטות וההתכווצות מועברות כאולטרסאונד בעוצמה גבוהה לתוך תווך התהליך, כלומר נוזל או תרחיץ, על מנת למלא יישומים כגון

• ערבוב אולטראסוני בגזירה גבוהה
• כרסום רטוב אולטראסוני
• פיזור קולי של ננו-חלקיקים
• ננו-תחליב על-קולי
• מיצוי קולי
• התפוררות קולית
• שיבוש תאים קוליים וליזה
• degassing קולי de-aeration
• סונו-כימיה (סונו-סינתזה, סונו-קטליזה)

כיצד פועל אולטרסאונד כוח? – עקרון העבודה של קביטציה אקוסטית

עבור יישומים קוליים בעלי ביצועים גבוהים כגון הומוגניזציה, הפחתת גודל חלקיקים, התפוררות או פיזור ננו, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך נוצר על ידי מתמר אולטרסאונד ומועבר באמצעות קרן ובדיקה על-קולית (סונוטרודה) לנוזל. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה נחשב אולטרסאונד בטווח של 16-30kHz. בדיקת האולטרסאונד מתרחבת ומתכווצת למשל במהירות של 20kHz, ובכך משדרת בהתאמה 20,000 תנודות בשנייה לתוך התווך. כאשר הגלים העל-קוליים נעים דרך הנוזל, מחזורי לחץ גבוה (דחיסה) / לחץ נמוך לסירוגין (רפרקציה / התפשטות) יוצרים חללים זעירים (בועות ואקום), אשר גדלים על פני מספר מחזורי לחץ. בשלב הדחיסה של הנוזל והבועות, הלחץ הוא חיובי, ואילו שלב הררפקציה מייצר ואקום (לחץ שלילי). במהלך מחזורי הדחיסה-התפשטות, החללים בנוזל גדלים עד שהם מגיעים לגודל, שבו הם לא יכולים לספוג אנרגיה נוספת. בשלב זה הם מתפוצצים באלימות. קריסתם של חללים אלה גורמת להשפעות אנרגטיות שונות, הידועות כתופעת הקוויטציה האקוסטית / האולטראסונית. קוויטציה אקוסטית מאופיינת בהשפעות אנרגטיות רבות, המשפיעות על נוזלים, מערכות מוצקות/נוזליות וכן מערכות גז/נוזל. האזור צפוף האנרגיה או אזור cavitational ידוע בשם מה שנקרא אזור נקודה חמה, אשר צפוף ביותר אנרגיה בסביבה הקרובה של הגשושית קולי ויורד עם הגדלת המרחק מן sonotrode. המאפיינים העיקריים של קוויטציה קולית כוללים טמפרטורות ולחצים גבוהים מאוד המתרחשים באופן מקומי ודיפרנציאלים בהתאמה, מערבולות וזרם נוזלי. במהלך קריסה של חללים על-קוליים בנקודות חמות על-קוליות, ניתן למדוד טמפרטורות של עד 5000 קלווין, לחצים של עד 200 אטמוספרות וסילונים נוזליים במהירות של עד 1000 קמ"ש. תנאים עתירי אנרגיה יוצאי דופן אלה תורמים להשפעות סונומכניות וסונוכימיות המעצימות תהליכים ותגובות כימיות בדרכים שונות.
ההשפעה העיקרית של ultrasonication על נוזלים slurries הם כדלקמן:

• גזירה גבוהה: כוחות גזירה גבוהים על-קוליים משבשים נוזלים ומערכות מוצקות-נוזליות וגורמים לתסיסה עזה, הומוגניזציה והעברת מסה.
• ההשפעה: סילונים נוזליים וזרימה הנוצרים על ידי קוויטציה קולית מאיצים מוצקים בנוזלים, מה שמוביל לאחר מכן להתנגשות בין-חלקיקית. כאשר חלקיקים מתנגשים במהירויות גבוהות מאוד, הם נשחקים, מתנפצים, נטחנים ומתפזרים דק, לעתים קרובות עד לגודל ננומטרי. עבור חומר ביולוגי כגון חומרים צמחיים, סילוני הנוזל במהירות גבוהה ומחזורי לחץ לסירוגין משבשים את דפנות התא ומשחררים את החומר התוך-תאי. התוצאה היא מיצוי יעיל ביותר של תרכובות ביו-אקטיביות וערבוב הומוגני של חומר ביולוגי.
• סערה: אולטרה-סוניקציה גורמת למערבולות אינטנסיביות, כוחות גזירה ומיקרו-תנועה בנוזל או בבוץ. בכך, הסוניקציה תמיד מעצימה את העברת המסה ומאיצה בכך תגובות ותהליכים.

הומוגנייזרים קוליים ומיקסרים בעלי גזירה גבוהה משמשים כמעט בכל תעשיית עיבוד, שעובדת עם נוזלים או תרחיפים. הכוחות הקוויטציוניים העל-קוליים האינטנסיביים יוצרים תסיסה עזה, גזירה, שבירת חלקיקים והעברת מסה. כתוצאה מכך, נוזלים הם הומוגניים, מפוזרים, מתחלבים, מופקים, מומסים ו / או תגובות כימיות יזומות. בסך הכל, אולטרסוניקציה היא שיטה להגברת תהליכים שמגדילה את התפוקה, משפרת את שיעורי ההמרה ומייעלת תהליכים.
יישומים על-קוליים נפוצים בתעשייה מפוזרים על פני ענפי מזון רבים & פארמה, כימיה עדינה, אנרגיה & פטרוכימיה, מיחזור, בתי זיקוק ביולוגיים וכו' וכוללים את הדברים הבאים:

• סינתזת ביודיזל קולית
• הומוגניזציה קולית של מיצי פירות
• ייצור קולי של חיסונים
• מיחזור סוללות Li-ion על-קוליות
• סינתזה קולית של ננו-חומרים
• ניסוח קולי של תרופות
• ננו-תחליב קולי של CBD
• מיצוי קולי של צמחים
• הכנת דגימה קולית במעבדות
• degasification קולי של נוזלים
• desulphurization קולי של נפט גולמי
• ועוד רבים...

קרניים ובדיקות קוליות עבור יישומים בעלי ביצועים גבוהים

Hielscher Ultrasonics הוא זמן רב ניסיון יצרן ומפיץ של ultrasonicators כוח גבוה, אשר משמשים ברחבי העולם עבור יישומים כבדים בתעשיות רבות.
עם מעבדים קוליים בכל הגדלים מ 50 וואט ל 16kW לכל מכשיר, בדיקות בגדלים שונים וצורות, כורים קוליים עם נפחים שונים וגיאומטריה, Hielscher Ultrasonics יש את הציוד הנכון כדי להגדיר את ההתקנה קולי אידיאלי עבור היישום שלך.
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: