קביטציה קולית בנוזלים
גלים קוליים של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יוצרים קוויטציה אקוסטית בנוזלים. קביטציה גורמת להשפעות קיצוניות באופן מקומי, כגון סילונים נוזליים של עד 1000 קמ"ש, לחצים של עד 2000 אטמוספירה וטמפרטורות של עד 5000 קלווין. כוחות אולטרה-סאונד אלה משמשים ליישומי עיבוד נוזלים רבים כגון הומוגניזציה, פיזור, תחלוב, מיצוי, שיבוש תאים, כמו גם הגברת תגובות כימיות.
עקרון העבודה של קביטציה קולית
בעת הסוניק נוזלים בעוצמות גבוהות, גלי הקול המתפשטים לתוך המדיה הנוזלית גורמים לסירוגין למחזורי לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (rarefaction), עם קצב בהתאם לתדר. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלים קוליים בעוצמה גבוהה יוצרים בועות ואקום קטנות או חללים בנוזל. כאשר הבועות מגיעות לנפח שבו הן כבר לא יכולות לספוג אנרגיה, הן קורסות באלימות במהלך מחזור לחץ גבוה. תופעה זו נקראת קוויטציה. במהלך הקריסה מגיעים לטמפרטורות גבוהות מאוד (כ-5,000K) וללחצים (כ-2,000ATM) באופן מקומי. קריסת בועת הקוויטציה גורמת גם לסילונים נוזליים במהירות של עד 280 מטר לשנייה.
אולטרסאונד מסוג בדיקה כגון UP400St השתמש בעקרון העבודה של קוויטציה אקוסטית.
קוויטציה אקוסטית (הנוצרת על ידי אולטרסאונד כוח) יוצרת תנאים קיצוניים מקומיים, מה שנקרא השפעות סונומכניות וסונוכימיות. בשל השפעות אלה, סוניקציה מקדמת תגובות כימיות המובילות לתפוקות גבוהות יותר, מהירות תגובה מהירה יותר, מסלולים חדשים ויעילות כוללת משופרת.
יישומים עיקריים של Ultrasonicators באמצעות Cavitation אקוסטי
אולטרסוניקטורים מסוג בדיקה, הידועים גם בשם בדיקות קוליות, מייצרים ביעילות קוויטציה אקוסטית אינטנסיבית בנוזלים. לכן, הם נמצאים בשימוש נרחב ביישומים שונים על פני תעשיות שונות. חלק מהיישומים החשובים ביותר של קוויטציה אקוסטית הנוצרת על ידי אולטרסאונד מסוג בדיקה כוללים:
Cavitation קולי רב עוצמה ב Hielscher Ultrasonic Cascatrode
- הומוגניזציה: בדיקות קוליות יכולות ליצור קוויטציה אינטנסיבית, המאופיינת כשדה צפוף אנרגיה של כוחות רטט וגזירה. כוחות אלה מספקים ערבוב, מיזוג והפחתת גודל חלקיקים מצוינים. הומוגניזציה קולית מייצרת מתלים מעורבים באופן אחיד. לכן, סוניקציה משמשת לייצור השעיה קולואידית הומוגנית עם עקומות הפצה צרות.
- פיזור ננו-חלקיקים: אולטרסאונד משמש לפיזור, deagglomeration וכרסום רטוב של ננו-חלקיקים. גלי אולטרסאונד בתדר נמוך יכולים ליצור קוויטציה משפיעה, אשר מפרקת אגרומרטים ומקטינה את גודל החלקיקים. בפרט, הגזירה הגבוהה של סילוני הנוזל מאיצה חלקיקים בנוזל, אשר מתנגשים זה בזה (התנגשות בין-חלקית) כך שהחלקיקים כתוצאה מכך נשברים ונשחקים. התוצאה היא פיזור אחיד ויציב של חלקיקים המונעים שיקוע. זה חיוני בתחומים שונים, כולל ננוטכנולוגיה, מדעי החומרים ותרופות.
- תחליב וערבוב: אולטרסאונד מסוג בדיקה משמשים ליצירת תחליבים וערבוב נוזלים. האנרגיה העל-קולית גורמת לקוויטציה, היווצרות וקריסה של בועות מיקרוסקופיות, המייצרות כוחות גזירה מקומיים אינטנסיביים. תהליך זה מסייע בתחליב נוזלים בלתי ניתנים לערבוב, ומייצר תחליבים יציבים ומפוזרים דק.
- חילוץ: בשל כוחות גזירה קוויטציוניים, אולטרה-סאונד יעיל מאוד בשיבוש מבנים תאיים ובשיפור העברת המסה בין מוצק לנוזל. לכן, מיצוי קולי נמצא בשימוש נרחב כדי לשחרר חומר תאיים כגון תרכובות ביו-אקטיביות לייצור תמציות בוטניות באיכות גבוהה.
- פירוק גזים ואוורור: אולטרסאונד מסוג בדיקה משמש להסרת בועות גז או גזים מומסים מנוזלים. היישום של cavitation קולי מקדם את התלכדות של בועות גז, כך שהם גדלים לצוף לראש הנוזל. cavitation קולי עושה degasification הליך מהיר ויעיל. זה בעל ערך בתעשיות שונות, כגון צבעים, נוזלים הידראוליים, או עיבוד מזון ומשקאות, שבו נוכחות של גזים יכולה להשפיע לרעה על איכות המוצר ויציבותו.
- סונוקטליזה: בדיקות קוליות ניתן להשתמש עבור sonocatalysis, תהליך המשלב cavitation אקוסטי עם זרזים כדי לשפר תגובות כימיות. הקוויטציה הנוצרת על ידי גלים על-קוליים משפרת את העברת המסה, מגבירה את קצב התגובה ומקדמת ייצור רדיקלים חופשיים, מה שמוביל לטרנספורמציות כימיות יעילות וסלקטיביות יותר.
- הכנת המדגם: אולטרסאונד מסוג בדיקה משמש בדרך כלל במעבדות להכנת דגימה. הם משמשים כדי הומוגניזציה, פירוק וחילוץ דגימות ביולוגיות, כגון תאים, רקמות ווירוסים. האנרגיה העל-קולית הנוצרת על ידי הגשושית משבשת את קרום התא, משחררת תוכן תאי ומקלה על ניתוח נוסף.
- התפוררות ושיבוש תאים: אולטרסאונד מסוג בדיקה משמש כדי לפרק ולשבש תאים ורקמות למטרות שונות, כגון מיצוי של רכיבים תוך תאיים, השבתה מיקרוביאלית, או הכנת דגימה לניתוח. הגלים העל-קוליים בעוצמה גבוהה והקוויטציה הנוצרת כתוצאה מכך גורמים ללחץ מכני ולכוחות גזירה, וכתוצאה מכך להתפוררות מבני התא. במחקר ביולוגי ואבחון רפואי, אולטרסאונד מסוג בדיקה משמשים לליזה של תאים, תהליך של שבירת תאים פתוחים כדי לשחרר את המרכיבים התוך תאיים שלהם. אנרגיה על-קולית משבשת את דפנות התא, קרומי התאים והאברונים, ומאפשרת מיצוי חלבונים, דנ"א, רנ"א ומרכיבי תאים אחרים.
אלה הם חלק מהיישומים העיקריים של אולטרסאונד מסוג גשושית, אך לטכנולוגיה יש מגוון רחב עוד יותר של שימושים אחרים, כולל סונוכימיה, הפחתת גודל חלקיקים (כרסום רטוב), סינתזת חלקיקים מלמטה למעלה, וסינתזה סונו-סינתזה של חומרים כימיים בתעשיות שונות כגון תרופות, עיבוד מזון, ביוטכנולוגיה ומדעי הסביבה.
רצף מהיר (מ-a עד f) של פריימים הממחישים פילינג סונו-מכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200S, אולטרה-סאונד 200W עם סונוטרודה 3 מ"מ. חצים מראים את מקומם של חלקיקים מתפצלים עם בועות קוויטציה החודרות לפיצול.
© Tyurnina et al. 2020
קוויטציה קולית בבדיקת אשד של האולטרה-סוניקטור UIP1000hdT (1000 וואט, 20kHz) בכור זכוכית.
וידאו של קביטציה אקוסטית בנוזל
הסרטון הבא מדגים קוויטציה אקוסטית במפל של UIP1000hdT האולטרה-סוני בעמוד זכוכית מלא מים. עמוד הזכוכית מואר מלמטה באור אדום על מנת לשפר את ההדמיה של בועות הקוויטציה.
צרו קשר! / שאל אותנו!
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים לערבוב יישומים, פיזור, תחליב וחילוץ בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
ספרות / מקורות
- 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 מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.