Ultrazvučna kavitacija u tekućinama
Ultrazvučni valovi ultrazvuka visokog intenziteta stvaraju akustičnu kavitaciju u tekućinama. Kavitacija uzrokuje ekstremne učinke lokalno, kao što su tekući mlazovi do 1000 km / h, tlakovi do 2000 atm i temperature do 5000 Kelvina. Ove ultrazvučno generirane sile koriste se za brojne primjene obrade tekućine kao što su homogenizacija, raspršivanje, emulgiranje, ekstrakcija, poremećaj stanica, kao i intezifikacija kemijskih reakcija.
Princip rada ultrazvučne kavitacije
Kada ultrazvuka tekućine na visokim intenzitetima, zvuk valova koji propagira u tekućem mediju rezultirati naizmjenično visokog pritiska (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje) ciklusi, uz stope ovisno o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka, visokog intenziteta ultrazvučni valovi stvaraju mali vakuum mjehurići ili šupljine u tekućini. Kada se mjehurići postići volumen na kojem se više ne može apsorbirati energiju, oni kolaps nasilno tijekom ciklusa visokog tlaka. Ova pojava naziva se kavitacija. Tijekom implozija vrlo visoke temperature (cca. 5,000K) i pritisaka (cca. 2,000atm) postignut na lokalnoj razini. Implozija od kavitacije mjehur također rezultira u tekućim mlazove do 280m / s brzina.
Sonda tipa ultrasonicators kao što je UP400St Koristite princip rada akustične kavitacije.
Akustična kavitacija (generirana ultrazvukom snage) stvara lokalno ekstremne uvjete, takozvane sonomehaničke i sonokemijske učinke. Zbog tih učinaka ultrazvukom potiče kemijske reakcije koje dovode do većih prinosa, veće brzine reakcije, novih putova i poboljšane ukupne učinkovitosti.
Ključne primjene ultrasonicators pomoću akustične kavitacije
Sonda tipa ultrasonicators, također poznat kao ultrazvučne sonde, učinkovito generirati intenzivnu akustičnu kavitaciju u tekućinama. Stoga se široko koriste u različitim primjenama u različitim industrijama. Neke od najvažnijih primjena akustične kavitacije generira sonda tipa ultrasonicators uključuju:
Snažna ultrazvučna kavitacija na Hielscher ultrazvučni cacatrode
- Homogenizacija: Ultrazvučne sonde mogu generirati intenzivnu kavitaciju, koja je karakterizirana kao energetski gusto polje vibracija i sila smicanja. Ove sile pružaju izvrsno miješanje, miješanje i smanjenje veličine čestica. Ultrazvučna homogenizacija proizvodi ravnomjerno mješovite suspenzije. Stoga se ultrazvukom koristi za proizvodnju homogene koloidne suspenzije s uskim krivuljama distribucije.
- Disperzija nanočestica: Ultrasonicators su zaposleni za disperziju, deaglomeraciju i mokro glodanje nanočestica. Niskofrekventni ultrazvučni valovi mogu generirati utjecajnu kavitaciju, koja razgrađuje aglomeracije i smanjuje veličinu čestica. Konkretno, visoko smicanje tekućih mlazova ubrzava čestice u tekućini, koje se međusobno sudaraju (sudar interčestica) tako da se čestice posljedično lome i erodiraju. To rezultira ravnomjernom i stabilnom raspodjelom čestica koje sprječavaju taloženje. To je ključno u raznim područjima, uključujući nanotehnologiju, znanost o materijalima i lijekove.
- Emulgiranje i miješanje: Sonda tipa ultrasonicators 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 nemiješljivih tekućina, stvarajući stabilne i fino raspršene emulzije.
- Ekstrakcija: Zbog kavitacijskih sila smicanja, ultrasonicators su vrlo učinkoviti u ometanju staničnih struktura i poboljšati prijenos mase između krute i tekuće. Stoga se ultrazvučna ekstrakcija široko koristi za oslobađanje unutarstaničnog materijala kao što su bioaktivni spojevi za proizvodnju visokokvalitetnih botaničkih ekstrakata.
- Otplinjavanje i odzračivanje: Sonda tipa ultrasonicators koriste se za uklanjanje mjehurića plina ili otopljenih plinova iz tekućina. Primjena ultrazvučne kavitacije potiče koalescenciju mjehurića plina tako da rastu i plutaju do vrha tekućine. Ultrazvučna kavitacija čini otplinjavanje brzim i učinkovitim postupkom. To je vrijedno u raznim industrijama, kao što su boje, hidraulične tekućine ili prerada 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 brzinu reakcije i potiče proizvodnju slobodnih radikala, što dovodi do učinkovitijih i selektivnijih kemijskih transformacija.
- Priprema uzorka: Sonda tipa ultrasonicators se obično koriste u laboratorijima za pripremu uzoraka. Koriste se za homogenizaciju, raščlanjivanje i izdvajanje bioloških uzoraka, kao što su stanice, tkiva i virusi. Ultrazvučna energija koju generira sonda ometa stanične membrane, oslobađa stanične sadržaje i olakšava daljnju analizu.
- Raspad i poremećaj stanica: Sonda tipa ultrasonicators koriste se za dezintegraciju i ometanje stanica i tkiva u različite svrhe, kao što su ekstrakcija unutarstaničnih komponenti, mikrobna inaktivacija, ili priprema uzorka za analizu. Ultrazvučni valovi visokog intenziteta i time generirana kavitacija uzrokuju mehanička naprezanja i sile smicanja, što rezultira raspadom staničnih struktura. U biološkim istraživanjima i medicinskoj dijagnostici, ultrasonicators tipa sonde koriste se za staničnu lizu, proces razbijanja otvorenih stanica za oslobađanje njihovih unutarstaničnih komponenti. Ultrazvučna energija ometa stanične stijenke, membrane i organele, omogućujući ekstrakciju proteina, DNA, RNA i drugih staničnih sastojaka.
To su neke od ključnih primjena sonde tipa ultrasonicators, ali tehnologija ima još širi raspon drugih namjena, uključujući sonokemiju, smanjenje veličine čestica (mokro glodanje), sintezu čestica odozdo prema gore i sono-sintezu kemijskih tvari i materijala u različitim industrijama kao što su lijekovi, prerada hrane, biotehnologija i znanosti o okolišu.
Sekvenca velike brzine (od a do f) okvira koji ilustriraju sono-mehanički piling grafitne pahuljice u vodi koristeći UP200S, ultrasonicator od 200W s 3-mm sonotrode. Strelice pokazuju mjesto cijepanja čestica kavitacijskim mjehurićima koji prodiru u rascjep.
© Tyurnina i sur. 2020.
Ultrazvučna kavitacija na cascatrode sondi ultrasonicator UIP1000hdT (1000 vata, 20kHz) u staklenom reaktoru.
Video akustične kavitacije u tekućini
Sljedeći video pokazuje akustičnu kavitaciju na kaskatodi ultrasonicator UIP1000hdT u staklenom stupcu ispunjenom vodom. Stakleni stup osvijetljen je s dna crvenim svjetlom kako bi se poboljšala vizualizacija kavitacijskih mjehurića.
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Tablica u nastavku daje vam pokazatelj približne mogućnosti obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Batch Volumen | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 mL | 10 do 200 mL / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 mL / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l / min | UIP4000hdT |
| N.a. | 10 do 100 l / min | UIP16000 |
| N.a. | veći | grozd UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za miješanje aplikacija, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju na laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Književnost / 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 Laboratorija do industrijske veličine.