Ultrazvučna kavitacija u tekućinama
Ultrazvučni valovi ultrazvuka visokog intenziteta stvaraju akustičnu kavitaciju u tekućinama. Kavitacija lokalno uzrokuje ekstremne učinke, kao što su mlaz tekućine do 1000 km/h, tlak do 2000 atm i temperature do 5000 Kelvina. Ove ultrazvučno generirane sile koriste se za brojne aplikacije obrade tekućina kao što su homogenizacija, dispergiranje, emulgiranje, ekstrakcija, razbijanje stanica, kao i intenziviranje kemijskih reakcija.
Princip rada ultrazvučne kavitacije
Prilikom sonikiranja tekućina pri visokim intenzitetima, zvučni valovi koji se šire u tekući medij rezultiraju izmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje), s brzinama koje ovise o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka, ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dostignu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, nasilno se kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ova pojava se naziva kavitacija. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (cca. 5000 K) i pritisci (cca. 2000 atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također rezultira tekućim mlazovima brzine do 280 m/s.
Ključne primjene ultrazvučnih uređaja koji koriste akustičnu kavitaciju
Ultrazvučni uređaji tipa sonde, poznati i kao ultrazvučne sonde, učinkovito stvaraju intenzivnu akustičnu kavitaciju u tekućinama. Stoga se naširoko koriste u različitim primjenama u različitim industrijama. Neke od najvažnijih primjena akustične kavitacije generirane ultrazvučnim uređajima tipa sonde uključuju:
- Homogenizacija: Ultrazvučne sonde mogu generirati intenzivnu kavitaciju, koja se karakterizira kao energetski gusto polje vibracija i posmičnih sila. Ove sile omogućuju izvrsno miješanje, miješanje i smanjenje veličine čestica. Ultrazvučna homogenizacija proizvodi jednoliko izmiješane suspenzije. Stoga se sonikacija koristi za proizvodnju homogene koloidne suspenzije s uskim krivuljama distribucije.
- Disperzija nanočestica: Ultrasonicators se koriste za disperziju, deaglomeraciju i mokro mljevenje nanočestica. Niskofrekventni ultrazvučni valovi mogu stvoriti jaku kavitaciju, koja razbija nakupine i smanjuje veličinu čestica. Konkretno, veliko smicanje mlaznica tekućine ubrzava čestice u tekućini, koje se sudaraju jedna s drugom (interpartikulatni sudar) tako da se čestice posljedično lome i erodiraju. To rezultira ravnomjernom i stabilnom raspodjelom čestica sprječavajući taloženje. To je ključno u raznim područjima, uključujući nanotehnologiju, znanost o materijalima i farmaceutiku.
- Emulgiranje i miješanje: Ultrasonicators tipa sonde koriste se za stvaranje emulzija i miješanje tekućina. Ultrazvučna energija uzrokuje kavitaciju, stvaranje i kolaps mikroskopskih mjehurića, što stvara intenzivne lokalne sile smicanja. Ovaj proces pomaže u emulgiranju tekućina koje se ne miješaju, stvarajući stabilne i fino raspršene emulzije.
- Izvlačenje: Zbog kavitacijskih sila smicanja, ultrazvučni uređaji vrlo su učinkoviti u ometanju staničnih struktura i poboljšanju prijenosa mase između krutine i tekućine. Stoga se ultrazvučna ekstrakcija široko koristi za oslobađanje unutarstaničnog materijala kao što su bioaktivni spojevi za proizvodnju visokokvalitetnih botaničkih ekstrakata.
- Otplinjavanje i odzračivanje: Ultrasonicators tipa sonde koriste se za uklanjanje mjehurića plina ili otopljenih plinova iz tekućina. Primjena ultrazvučne kavitacije potiče spajanje mjehurića plina tako da rastu i plutaju na vrhu tekućine. Ultrazvučna kavitacija čini otplinjavanje brzim i učinkovitim postupkom. Ovo je vrijedno u raznim industrijama, kao što su boje, hidraulične tekućine ili obrada hrane i pića, gdje prisutnost plinova može negativno utjecati na kvalitetu i stabilnost proizvoda.
- Sonokataliza: Ultrazvučne sonde mogu se koristiti za sonokatalizu, proces koji kombinira akustičnu kavitaciju s katalizatorima za poboljšanje kemijskih reakcija. Kavitacija koju stvaraju ultrazvučni valovi poboljšava prijenos mase, povećava stopu reakcije i potiče proizvodnju slobodnih radikala, što dovodi do učinkovitijih i selektivnijih kemijskih transformacija.
- Priprema uzorka: Ultrazvučni uređaji tipa sonde obično se koriste u laboratorijima za pripremu uzoraka. Koriste se za homogenizaciju, dezagregaciju i ekstrakciju bioloških uzoraka, kao što su stanice, tkiva i virusi. Ultrazvučna energija koju stvara sonda remeti stanične membrane, oslobađa stanični sadržaj i olakšava daljnju analizu.
- Dezintegracija i razbijanje stanica: Ultrazvučni uređaji tipa sonde koriste se za dezintegraciju i ometanje stanica i tkiva u različite svrhe, kao što je ekstrakcija unutarstaničnih komponenti, inaktivacija mikroba ili priprema uzorka za analizu. Ultrazvučni valovi visokog intenziteta i time stvorena kavitacija uzrokuju mehaničko naprezanje i posmične sile, što rezultira raspadom staničnih struktura. U biološkim istraživanjima i medicinskoj dijagnostici, ultrazvučni uređaji tipa sonde koriste se za lizu stanica, proces razbijanja stanica kako bi se oslobodile njihove unutarstanične komponente. Ultrazvučna energija remeti stanične stijenke, membrane i organele, omogućujući ekstrakciju proteina, DNA, RNA i drugih staničnih sastojaka.
Ovo su neke od ključnih primjena ultrazvučnih uređaja tipa sonde, ali tehnologija ima još širi raspon drugih upotreba, uključujući sonokemiju, smanjenje veličine čestica (mokro mljevenje), sintezu čestica odozdo prema gore i sono-sintezu kemijskih tvari i materijale u raznim industrijama kao što su farmaceutska industrija, prerada hrane, biotehnologija i znanosti o okolišu.
Videozapis akustične kavitacije u tekućini
Sljedeći video prikazuje akustičnu kavitaciju na kaskatrodi ultrazvučnog uređaja UIP1000hdT u staklenoj koloni ispunjenoj vodom. Stakleni stup osvijetljen je s donje strane crvenim svjetlom kako bi se poboljšala vizualizacija kavitacijskih mjehurića.
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
---|---|---|
1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
na | veći | klaster od UIP16000 |
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.