Ultrazvučna kavitacija u tekućinama
Ultrazvučna kavitacija pokretačka je sila ultrazvučne obrade tekućina visokim intenzitetom. Kada se snažan ultrazvuk prenosi u tekućinu, nastaju mikroskopski mjehurići pare koji rastu i silovito kolabiraju. Ta akustična kavitacija stvara intenzivne lokalne smične sile, mikromlazove, udarne valove, promjene tlaka i učinke mikromiješanja koji mogu ubrzati homogenizaciju, dispergiranje, emulgiranje, ekstrakciju, otplinjavanje, razaranje stanica i sonokemijske reakcije.
Hielscher sonikatori sa sondom koriste kontroliranu akustičnu kavitaciju za prijenos ultrazvučne energije izravno u tekućine, suspenzije i muljeve. Od malih laboratorijskih uzoraka do kontinuirane industrijske protočne proizvodnje, sustavi Hielscher omogućuju podešavanje amplitude, geometrije sonotrode, tlaka, temperature, protoka i vremena zadržavanja radi postizanja ponovljivih rezultata kavitacije.
- Za laboratorije: razvijajte i optimizirajte parametre sonikacije u malim volumenima.
- Za pilot-postrojenja: validirajte procese pokretane kavitacijom u stvarnim uvjetima obrade.
- Za proizvodnju: povećajte opseg primjene ultrazvučne kavitacije na šaržne, recirkulacijske ili kontinuirane procese u proizvodnoj liniji.
Navedite nam tekućinu, volumen šarže ili protok, viskoznost, udio krutih tvari, temperaturna ograničenja i željeni rezultat procesa. Preporučit ćemo optimalnu konfiguraciju sonikatora, sonotrode i protočne ćelije za vašu primjenu kavitacije.
Sonikatori sa sondom kao što je UP400St primjenjuju načelo rada akustične kavitacije.
Načelo rada ultrazvučne kavitacije
Pri sonikaciji tekućina visokim intenzitetima, zvučni valovi koji se šire kroz tekući medij uzrokuju izmjenične cikluse visokog tlaka (kompresije) i niskog tlaka (razrjeđenja), čija učestalost ovisi o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dosegnu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, silovito kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ta se pojava naziva kavitacijom. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (pribl. 5.000K) i tlakovi (pribl. 2.000atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također stvara mlazove tekućine brzine do 280m/s.
Akustična kavitacija (nastala djelovanjem ultrazvuka velike snage) lokalno stvara ekstremne uvjete, takozvane sonomehaničke i sonokemijske učinke. Zbog tih učinaka sonikacija potiče kemijske reakcije koje dovode do većih prinosa, veće brzine reakcije, novih reakcijskih putova i poboljšane ukupne učinkovitosti.
Sonikator sa sondom ili ultrazvučna kupelj: koja je metoda kavitacije odgovarajuća?
I sonikatori sa sondom i ultrazvučne kupelji stvaraju akustičnu kavitaciju, ali se znatno razlikuju po intenzitetu, kontroli i pouzdanosti procesa. Dok su ultrazvučne kupelji korisne za čišćenje, sonikatori sa sondom prenose ultrazvučnu energiju izravno u tekućinu i stvaraju mnogo snažniju, usmjerenu kavitacijsku zonu. Zbog toga su sonikatori sa sondom preferirani izbor za primjene obrade tekućina koje zahtijevaju ponovljive rezultate, kao što su homogenizacija, emulgiranje, ekstrakcija, razaranje stanica, dispergiranje nanočestica i sonokemijske reakcije.
| Kriteriji usporedbe | Sonikator sa sondom | Ultrazvučna kupelj |
|---|---|---|
| Intenzitet kavitacije | Stvara akustičnu kavitaciju visokog intenziteta izravno na vrhu sonotrode. | Stvara slabiju kavitaciju raspoređenu po volumenu kupelji. |
| Prijenos energije | Prenosi ultrazvučnu energiju izravno u tekućinu, suspenziju ili mulj. | Prenosi energiju neizravno kroz tekućinu u kupelji i stijenku posude. |
| Kontrola procesa | Omogućuje precizno podešavanje amplitude, ulazne snage, pulsnog načina rada, temperature i vremena obrade. | Nudi ograničenu kontrolu nad stvarnom ultrazvučnom energijom koja dopire do uzorka. |
| Ponovljivost | Omogućuje ponovljive rezultate sonikacije kada su parametri procesa definirani i nadzirani. | Rezultati mogu varirati zbog neujednačene raspodjele kavitacije, položaja posude, materijala posude, razine punjenja i opterećenja kupelji. |
| Učinkovitost obrade | Vrlo učinkovit za homogenizaciju, dispergiranje, emulgiranje, ekstrakciju, razaranje stanica i sonokemiju. | Prikladna uglavnom za čišćenje. |
| Volumen uzorka | Dostupan za male laboratorijske uzorke, kao i za volumene u pilot-postrojenjima i industriji. | Obično se upotrebljava za male posude ili više spremnika smještenih unutar kupelji. |
| Povećanje mjerila | Može se prenijeti s laboratorijskih ispitivanja na pokuse u pilot-postrojenjima i kontinuiranu industrijsku obradu u proizvodnoj liniji. | Teško je pouzdano povećati mjerilo jer se raspodjela energije i intenzitet kavitacije ne mogu lako prenijeti. |
| Prikladni mediji | Učinkovit za tekućine, emulzije, suspenzije, muljeve i formulacije s visokim udjelom krutih tvari. | Najprikladnija za tekućine niske viskoznosti i jednostavne zadatke čišćenja ili otplinjavanja. |
| Tipične primjene | Dispergiranje nanočestica, nanoemulzije, ekstrakcija, liza stanica, homogenizacija, deaglomeracija, mokro mljevenje i sonokemijske reakcije. | Čišćenje staklenog posuđa, otplinjavanje tekućina, otapanje prašaka i blago miješanje uzoraka. |
| Najbolji izbor za | Kontroliranu, snažnu i ponovljivu ultrazvučnu obradu tekućina. | Jednostavno čišćenje ili ultrazvučnu obradu niskog intenziteta. |
Ključne primjene sonikatora i akustične kavitacije
Ultrazvučni uređaji sa sondom, poznati i kao ultrazvučne sonde, učinkovito stvaraju intenzivnu akustičnu kavitaciju u tekućinama. Stoga se široko upotrebljavaju za različite primjene u raznim industrijama. Neke od najvažnijih primjena akustične kavitacije koju stvaraju ultrazvučni uređaji sa sondom uključuju:
- Homogenizacija: Ultrazvučne sonde mogu stvarati intenzivnu kavitaciju, koju obilježava polje vibracija i smičnih sila visoke gustoće energije. Te sile omogućuju izvrsno miješanje, sjedinjavanje i smanjenje veličine čestica. Ultrazvučnom homogenizacijom nastaju jednoliko izmiješane suspenzije. Stoga se sonikacija upotrebljava za proizvodnju homogenih koloidnih suspenzija s uskim krivuljama raspodjele.
- Dispergiranje nanočestica: Ultrazvučni uređaji upotrebljavaju se za dispergiranje, deaglomeraciju i mokro mljevenje nanočestica. Niskofrekventni ultrazvučni valovi mogu stvarati snažnu kavitaciju koja razbija aglomerate i smanjuje veličinu čestica. Osobito snažno smično djelovanje mlazova tekućine ubrzava čestice u tekućini, koje se međusobno sudaraju (međučestični sudari), pa se čestice posljedično lome i erodiraju. Time se postiže jednolika i stabilna raspodjela čestica koja sprječava sedimentaciju. To je ključno u raznim područjima, uključujući nanotehnologiju, znanost o materijalima i farmaceutsku industriju.
- Emulgiranje i miješanje: Ultrazvučni uređaji sa sondom upotrebljavaju se za stvaranje emulzija i miješanje tekućina. Ultrazvučna energija uzrokuje kavitaciju, odnosno nastanak i kolaps mikroskopskih mjehurića, čime se stvaraju intenzivne lokalne smične sile. Taj proces pomaže pri emulgiranju tekućina koje se međusobno ne miješaju, pri čemu nastaju stabilne i fino dispergirane emulzije.
- Ekstrakcija: Zahvaljujući kavitacijskim smičnim silama, ultrazvučni uređaji vrlo su učinkoviti u razaranju staničnih struktura i poboljšanju prijenosa tvari između krute i tekuće faze. Stoga se ultrazvučna ekstrakcija široko upotrebljava za oslobađanje unutarstaničnog materijala, poput bioaktivnih spojeva, radi proizvodnje visokokvalitetnih biljnih ekstrakata.
- Otplinjavanje i odzračivanje: Ultrazvučni uređaji sa sondom upotrebljavaju se za uklanjanje plinskih mjehurića ili otopljenih plinova iz tekućina. Primjena ultrazvučne kavitacije potiče spajanje plinskih mjehurića, zbog čega oni rastu i isplivavaju na površinu tekućine. Ultrazvučna kavitacija čini otplinjavanje brzim i učinkovitim postupkom. To je korisno u raznim industrijama, primjerice u proizvodnji boja i hidrauličnih tekućina ili u preradi hrane i pića, gdje prisutnost plinova može negativno utjecati na kvalitetu i stabilnost proizvoda.
- Sonokataliza: Ultrazvučne sonde mogu se upotrebljavati za sonokatalizu, proces koji kombinira akustičnu kavitaciju s katalizatorima radi poboljšanja kemijskih reakcija. Kavitacija koju stvaraju ultrazvučni valovi poboljšava prijenos tvari, povećava brzinu reakcija i potiče stvaranje slobodnih radikala, što dovodi do učinkovitijih i selektivnijih kemijskih pretvorbi.
- Priprema uzoraka: Ultrazvučni uređaji sa sondom često se upotrebljavaju u laboratorijima za pripremu uzoraka. Upotrebljavaju se za homogenizaciju, razdruživanje i ekstrakciju bioloških uzoraka, kao što su stanice, tkiva i virusi. Ultrazvučna energija koju stvara sonda razara stanične membrane, oslobađa stanični sadržaj i olakšava daljnju analizu.
- Dezintegracija i razaranje stanica: Ultrazvučni uređaji sa sondom upotrebljavaju se za dezintegraciju i razaranje stanica i tkiva u različite svrhe, kao što su ekstrakcija unutarstaničnih sastojaka, inaktivacija mikroorganizama ili priprema uzoraka za analizu. Ultrazvučni valovi visokog intenziteta i kavitacija koju pritom stvaraju uzrokuju mehaničko naprezanje i smične sile, što dovodi do dezintegracije staničnih struktura. U biološkim istraživanjima i medicinskoj dijagnostici ultrazvučni uređaji sa sondom upotrebljavaju se za lizu stanica, proces otvaranja stanica kojim se oslobađaju njihovi unutarstanični sastojci. Ultrazvučna energija razara stanične stijenke, membrane i organele, omogućujući ekstrakciju proteina, DNA, RNA i drugih staničnih sastojaka.
To su neke od ključnih primjena ultrazvučnih uređaja sa sondom, no ova tehnologija ima još širi raspon drugih primjena, uključujući sonokemiju, smanjenje veličine čestica (mokro mljevenje), sintezu čestica pristupom odozdo prema gore i sonosintezu kemijskih tvari i materijala u različitim industrijama, kao što su farmaceutska industrija, prerada hrane, biotehnologija i znanosti o okolišu.
Brzo snimljen niz kadrova (od a do f) koji prikazuje sonomehaničko raslojavanje grafitne ljuskice u vodi s pomoću uređaja UP200S, ultrazvučnog uređaja snage 200W sa sonotrodom promjera 3 mm. Strelice pokazuju mjesto razdvajanja čestica, pri čemu kavitacijski mjehurići prodiru u nastalu pukotinu.
© Tyurnina i sur. 2020
Iskoristite prednosti ultrazvučne kavitacije!
Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skup uređaja UIP16000 |
Videozapis akustične kavitacije u tekućini
Sljedeći videozapis prikazuje akustičnu kavitaciju na sonotrodi cascatrode ultrazvučnog uređaja UIP1000hdT u staklenom stupcu ispunjenom vodom. Stakleni stupac osvijetljen je odozdo crvenim svjetlom kako bi se poboljšala vidljivost kavitacijskih mjehurića.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskom, pilotnom i industrijskom mjerilu.
Često postavljana pitanja
Što je ultrazvučna kavitacija?
Ultrazvučna kavitacija stvaranje je, rast i silovit kolaps mikroskopskih mjehurića u tekućini izloženoj ultrazvuku visokog intenziteta. Kolaps tih mjehurića stvara intenzivno lokalno smicanje, tekućinske mikromlazove, udarne valove, velike gradijente tlaka i snažne učinke mikromiješanja.
Koja je razlika između ultrazvučne i akustične kavitacije?
Akustična kavitacija opći je naziv za kavitaciju uzrokovanu zvučnim valovima. Ultrazvučna kavitacija akustična je kavitacija koju stvaraju ultrazvučne frekvencije, obično iznad čujnog raspona. U industrijskoj obradi tekućina oba se naziva često upotrebljavaju za kavitaciju koju proizvode ultrazvučni uređaji velike snage.
Kako ultrazvučna kavitacija poboljšava obradu tekućina?
Ultrazvučna kavitacija poboljšava obradu tekućina stvaranjem intenzivnih mehaničkih i kemijskih učinaka unutar tekućine. Mehanički učinci pospješuju miješanje, homogenizaciju, emulgiranje, deaglomeraciju čestica, mokro mljevenje, ekstrakciju i razaranje stanica. U reaktivnim sustavima kavitacija također može potaknuti sonokemijske učinke i poboljšati prijenos tvari.
U kojim se primjenama koristi ultrazvučna kavitacija?
Ultrazvučna kavitacija koristi se za homogenizaciju, dispergiranje, emulgiranje, nanoemulgiranje, ekstrakciju, otplinjavanje, deaglomeraciju, smanjenje veličine čestica, lizu stanica, razaranje mikroorganizama, sonokemiju, sonokatalizu i napredne reakcije u tekućoj fazi.
Zašto su ultrazvučni uređaji sa sondom učinkoviti u stvaranju kavitacije?
Ultrazvučni uređaji sa sondom prenose ultrazvučnu energiju izravno u tekućinu putem sonotrode. Takav izravan unos energije stvara intenzivnu kavitacijsku zonu u blizini površine sonde i omogućuje precizno podešavanje važnih procesnih parametara kao što su amplituda, ulazna snaga, temperatura, tlak i vrijeme obrade.
Je li ultrazvučna kupelj prikladna za snažnu kavitaciju?
Ultrazvučne kupelji stvaraju kavitaciju, ali gustoća energije obično je znatno niža i manje usmjerena nego kod sonikatora sa sondom. Kupelji su korisne za čišćenje i blagu obradu, dok se ultrazvučnim uređajima sa sondom daje prednost za ponovljivu homogenizaciju, ekstrakciju, emulgiranje, dispergiranje, razaranje stanica i industrijsku obradu tekućina.
Pročitajte i pogledajte po čemu se razlikuju sonikatori sa sondom i ultrazvučne kupelji!
Koji parametri utječu na intenzitet ultrazvučne kavitacije?
Važni parametri uključuju amplitudu, ultrazvučnu snagu, površinu sonotrode, volumen tekućine, viskoznost, udio krutih tvari, tlak, temperaturu, geometriju posude, geometriju protočne ćelije, protok i vrijeme zadržavanja. Podešavanjem tih parametara intenzitet kavitacije može se prilagoditi cilju procesa.
Može li se ultrazvučna kavitacija skalirati od laboratorija do proizvodnje?
Da. Procesi ultrazvučne kavitacije mogu se razvijati u laboratorijskim volumenima i prenijeti na pilotno ili industrijsko mjerilo kontroliranjem amplitude, unosa energije, geometrije sonotrode, protoka i vremena zadržavanja. Hielscher nudi ultrazvučne uređaje i reaktore za laboratorijska ispitivanja, pilotna ispitivanja i kontinuiranu industrijsku proizvodnju.
Literatura / Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijskih do industrijskih veličina.