Nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása ultrahangos kürtökkel

Az ultrahangos kürtöket és szondákat széles körben használják sokféle folyadékfeldolgozási alkalmazáshoz, többek között homogenizáláshoz, diszpergáláshoz, nedves őrléshez, emulgeáláshoz, extrakcióhoz, dezintegráláshoz, oldáshoz és levegőmentesítéshez. Ismerje meg az ultrahangos kürtök, az ultrahangos szondák és alkalmazásaik alapjait.

Ultrahangos kürt és ultrahangos szonda

Az ultrahangos kürt és az ultrahangos szonda kifejezést gyakran felváltva használják, és arra az ultrahangos rúdra utalnak velük, amely az ultrahanghullámokat a folyadékba továbbítja. Az ultrahangos szonda egyéb elnevezései az akusztikus kürt, a szonotróda, az akusztikus hullámvezető vagy az ultrahangos ujj. Műszaki szempontból azonban különbség van az ultrahangos kürt és az ultrahangos szonda között.
A kürt és a szonda egyaránt az úgynevezett szondás ultrahangos készülék részei. Az ultrahangos kürt az ultrahangos átalakító fémrésze, amelyet piezoelektromosan létrehozott rezgések gerjesztenek. Az ultrahangos kürt meghatározott frekvencián, például 20kHz-en rezeg, ami másodpercenként 20 000 rezgést jelent. Az ultrahangos kürtök gyártásához a titán az előnyben részesített anyag kiváló akusztikus átviteli tulajdonságai, nagy kifáradási szilárdsága és felületi keménysége miatt.

Az ultrahangos szondát szonotródának vagy ultrahangos ujjnak is nevezik. Ez egy többnyire titánból készült fémrúd, amely menetes csatlakozással kapcsolódik az ultrahangos kürthöz. Az ultrahangos szonda az ultrahangos feldolgozóberendezés alapvető része, amely az ultrahanghullámokat az ultrahanggal kezelt közegbe továbbítja. Az ultrahangos szondák / szonotródák különféle alakokban kaphatók (például kúpos, csúcsos, elkeskenyedő kivitelben vagy Cascatrode formájában). Bár az ultrahangos szondákhoz leggyakrabban titánt használnak, rozsdamentes acélból, kerámiából, üvegből és más anyagokból készült szonotródák is kaphatók.

Mivel az ultrahangos kürt és a szonda az ultrahangos kezelés során állandó nyomó- vagy húzóterhelésnek van kitéve, anyaguk megválasztása döntő fontosságú. A kiváló minőségű titánötvözetet (grade 5) tartják a legmegbízhatóbb, legtartósabb és leghatékonyabb fémnek a mechanikai igénybevétel elviselésére, a nagy amplitúdók hosszú időn át történő fenntartására, valamint az akusztikus és mechanikai tulajdonságok továbbítására.

Az oldás az ultrahangos kezelés gyakori alkalmazása. A videó cukorkristályok gyors oldását mutatja be vízben a Hielscher UP200St készülékkel.

A nagy teljesítményű ultrahangos készülékek többnyire a 20–30kHz frekvenciatartományban működnek. 20 kHz-en az ultrahangos szonda jellemzően fél hullámhosszúságú rezonáns rúd, amely folyamatosan, másodpercenként 20 000 alkalommal tágul és húzódik össze. A tágulási és összehúzódási mozgások nagy teljesítményű ultrahangként jutnak a feldolgozási közegbe, vagyis a folyadékba vagy a szuszpenzióba, az alábbi alkalmazások megvalósítására:

• nagy nyíróerejű ultrahangos keverés
• ultrahangos nedves őrlés
• nanorészecskék ultrahangos diszpergálása
• ultrahangos nanoemulgeálás
• ultrahangos extrakció
• ultrahangos dezintegrálás
• ultrahangos sejtfeltárás és lízis
• ultrahangos gáztalanítás és levegőmentesítés
• szonokémia (szonoszintézis, szonokatalízis)

Hogyan működik a nagy teljesítményű ultrahang? – Az akusztikus kavitáció működési elve

A nagy teljesítményű ultrahangos alkalmazásokhoz, például homogenizáláshoz, részecskeméret-csökkentéshez, dezintegráláshoz vagy nanodiszperziók előállításához egy ultrahangos átalakító nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahangot hoz létre, amelyet ultrahangos kürtön és szondán (szonotródán) keresztül továbbítanak a folyadékba. Nagy teljesítményű ultrahangnak a 16–30kHz tartományba eső ultrahangot tekintik. Az ultrahangos szonda például 20kHz-en tágul és húzódik össze, így másodpercenként 20 000 rezgést továbbít a közegbe. Amikor az ultrahanghullámok áthaladnak a folyadékon, a váltakozó nagy nyomású (összenyomódási) / kis nyomású (ritkulási / tágulási) ciklusok apró üregeket (vákuumbuborékokat) hoznak létre, amelyek több nyomásciklus során növekednek. A folyadék és a buborékok összenyomódási fázisában a nyomás pozitív, míg a ritkulási fázis vákuumot (negatív nyomást) hoz létre. Az összenyomódási–tágulási ciklusok során a folyadékban lévő üregek addig növekednek, amíg el nem érik azt a méretet, amelynél már nem képesek további energiát elnyelni. Ekkor hevesen összeomlanak. Ezeknek az üregeknek az összeomlása különféle nagy energiájú hatásokat eredményez, amelyeket az akusztikus / ultrahangos kavitáció jelenségeként ismerünk. Az akusztikus kavitációt sokféle nagy energiájú hatás jellemzi, amelyek folyadékokra, szilárd/folyadék rendszerekre és gáz/folyadék rendszerekre egyaránt hatnak. A nagy energiasűrűségű zónát vagy kavitációs zónát úgynevezett forrópontzónának nevezik; ennek energiasűrűsége az ultrahangos szonda közvetlen közelében a legnagyobb, és a szonotródától való távolság növekedésével csökken. Az ultrahangos kavitáció fő jellemzői közé tartoznak a helyileg fellépő igen magas hőmérsékletek és nyomások, valamint az ezekhez kapcsolódó hőmérséklet- és nyomáskülönbségek, a turbulencia és a folyadékáramlás. Az ultrahangos üregek összeomlása során az ultrahangos forrópontokban akár 5000 Kelvin hőmérséklet, akár 200 atmoszféra nyomás és akár 1000km/h sebességű folyadéksugarak is mérhetők. Ezek a rendkívüli, nagy energiájú körülmények hozzájárulnak a szonomechanikai és szonokémiai hatásokhoz, amelyek különféle módokon fokozzák a folyamatokat és a kémiai reakciókat.
Az ultrahangos kezelés folyadékokra és szuszpenziókra gyakorolt fő hatásai a következők:

• Nagy nyíróerő: Az ultrahangos kezelés nagy nyíróerői megbontják a folyadékok és a folyadék–szilárd rendszerek szerkezetét, intenzív keveredést, homogenizálást és anyagátadást okozva.
• Ütközés: Az ultrahangos kavitáció által létrehozott folyadéksugarak és áramlások felgyorsítják a folyadékokban lévő szilárd részecskéket, ami ezt követően a részecskék közötti ütközésekhez vezet. Amikor a részecskék igen nagy sebességgel ütköznek, erodálódnak, széttöredeznek, finomra őrlődnek és diszpergálódnak, gyakran egészen nanoméretig. Biológiai anyagok, például növényi anyagok esetében a nagy sebességű folyadéksugarak és a váltakozó nyomásciklusok felszakítják a sejtfalakat, és felszabadítják a sejten belüli anyagokat. Ez a bioaktív vegyületek rendkívül hatékony extrakcióját és a biológiai anyagok homogén keveredését eredményezi.
• Keveredés: Az ultrahangos kezelés intenzív turbulenciát, nyíróerőket és mikromozgásokat okoz a folyadékban vagy a szuszpenzióban. Ezáltal az ultrahangos kezelés mindig fokozza az anyagátadást, és így felgyorsítja a reakciókat és a folyamatokat.

Az ultrahangos homogenizátorokat és a nagy nyíróerejű keverőket szinte minden olyan feldolgozóipari ágazatban használják, amely folyadékokkal vagy szuszpenziókkal dolgozik. Az intenzív ultrahangos kavitációs erők intenzív keveredést, nyírást, részecskeaprítást és anyagátadást hoznak létre. Ezáltal a folyadékokat homogenizálják, diszpergálják, emulgeálják, extrahálják, oldják és/vagy kémiai reakciókat indítanak el. Összességében az ultrahangos kezelés olyan folyamatintenzifikáló módszer, amely növeli a kihozatalt, javítja a konverziós arányokat és hatékonyabbá teszi a folyamatokat.
Az iparban elterjedt ultrahangos alkalmazások az élelmiszer- és gyógyszeripar, a finomvegyipar, az energetika és a petrolkémia, az újrahasznosítás, a biofinomítók stb. számos területét lefedik, és a következőket foglalják magukban:

• ultrahangos biodízel-szintézis
• gyümölcslevek ultrahangos homogenizálása
• vakcinák ultrahangos előállítása
• Li-ion akkumulátorok ultrahangos újrahasznosítása
• nanoanyagok ultrahangos szintézise
• gyógyszerkészítmények ultrahangos formulálása
• CBD ultrahangos nanoemulgeálása
• növényi anyagok ultrahangos extrakciója
• ultrahangos minta-előkészítés laboratóriumokban
• folyadékok ultrahangos gáztalanítása
• nyersolaj ultrahangos kéntelenítése
• és még sok más …

Ultrahangos kürtök és szondák nagy teljesítményt igénylő alkalmazásokhoz

A Hielscher Ultrasonics nagy tapasztalattal rendelkező gyártója és forgalmazója a nagy teljesítményű ultrahangos készülékeknek, amelyeket világszerte számos iparágban használnak nagy igénybevétellel járó alkalmazásokhoz.
A készülékenként 50 watt és 16kW közötti teljesítményű, minden méretben rendelkezésre álló ultrahangos feldolgozóberendezésekkel, a különféle méretű és alakú szondákkal, valamint a különböző térfogatú és geometriájú ultrahangos reaktorokkal a Hielscher Ultrasonics megfelelő berendezéseket kínál az Ön alkalmazásához ideális ultrahangos rendszer összeállításához.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: