Ultrahangos kavitáció folyadékokban
A nagy intenzitású ultrahang ultrahangos hullámai akusztikus kavitációt generálnak folyadékokban. A kavitáció lokálisan szélsőséges hatásokat okoz, például akár 1000 km / h folyadéksugarakat, akár 2000 atm nyomást és akár 5000 Kelvin hőmérsékletet. Ezeket az ultrahanggal generált erőket számos folyadékfeldolgozási alkalmazáshoz használják, mint például homogenizálás, diszpergálás, emulgeálás, extrakció, sejtbontás, valamint a kémiai reakciók fokozása.
Az ultrahangos kavitáció működési elve
A folyadékok nagy intenzitású szonikálásakor a folyékony közegbe terjedő hanghullámok váltakozó nagynyomású (kompressziós) és alacsony nyomású (ritka) ciklusokat eredményeznek, a frekvenciától függő sebességgel. Az alacsony nyomású ciklus alatt a nagy intenzitású ultrahangos hullámok kis vákuumbuborékokat vagy üregeket hoznak létre a folyadékban. Amikor a buborékok elérik azt a térfogatot, amelyen már nem képesek energiát elnyelni, hevesen összeomlanak egy nagynyomású ciklus során. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik. Az implózió során nagyon magas hőmérsékletet (kb. 5000K) és nyomást (kb. 2000 atm) érnek el helyben. A kavitációs buborék implóziója akár 280 m / s sebességű folyékony fúvókákat is eredményez.

Szonda típusú ultrahangos készülékek, például a UP400St Használja az akusztikus kavitáció működési elvét.

Az akusztikus kavitáció (amelyet az ultrahang generál) lokálisan szélsőséges körülményeket teremt, úgynevezett sonomechanikai és szonokémiai hatásokat. Ezeknek a hatásoknak köszönhetően az ultrahangos kezelés elősegíti a kémiai reakciókat, amelyek magasabb hozamhoz, gyorsabb reakciósebességhez, új utakhoz és jobb általános hatékonysághoz vezetnek.
Az ultrahangos készülékek legfontosabb alkalmazásai akusztikus kavitációval
A szonda típusú ultrahangos készülékek, más néven ultrahangos szondák, hatékonyan generálnak intenzív akusztikus kavitációt folyadékokban. Ezért széles körben használják őket különböző alkalmazásokban a különböző iparágakban. A szonda típusú ultrahangos készülékek által generált akusztikus kavitáció legfontosabb alkalmazásai a következők:
- Homogenizálás: Az ultrahangos szondák intenzív kavitációt generálhatnak, amelyet a rezgés és a nyíróerők energia-sűrű mezőjeként jellemeznek. Ezek az erők kiváló keverést, keverést és részecskeméret-csökkentést biztosítanak. Az ultrahangos homogenizálás egyenletesen kevert szuszpenziókat eredményez. Ezért szonikálást alkalmaznak homogén kolloid szuszpenzió előállítására szűk eloszlási görbékkel.
- Nanorészecske diszperzió: Ultrahangos készülékeket alkalmaznak a nanorészecskék diszperziójára, deagglomerációjára és nedves őrlésére. Az alacsony frekvenciájú ultrahanghullámok hatásos kavitációt generálhatnak, amely lebontja az agglomerátumokat és csökkenti a részecskeméretet. Különösen a folyadéksugarak nagy nyírása gyorsítja fel a folyadékban lévő részecskéket, amelyek ütköznek egymással (részecskék közötti ütközés), így a részecskék ennek következtében eltörnek és erodálódnak. Ez a részecskék egyenletes és stabil eloszlását eredményezi, megakadályozva az üledékképződést. Ez kulcsfontosságú különböző területeken, beleértve a nanotechnológiát, az anyagtudományt és a gyógyszeripart.
- Emulgeálás és keverés: A szonda típusú ultrahangos készülékeket emulziók létrehozására és folyadékok keverésére használják. Az ultrahangos energia kavitációt, mikroszkopikus buborékok kialakulását és összeomlását okozza, ami intenzív helyi nyíróerőket generál. Ez az eljárás segíti a nem elegyedő folyadékok emulgeálását, stabil és finoman diszpergált emulziók előállítását.
- Extrakció: A kavitációs nyíróerők miatt az ultrahangos készülékek rendkívül hatékonyak a sejtszerkezetek megzavarásában és a szilárd és folyadék közötti tömegátadás javításában. Ezért az ultrahangos extrakciót széles körben használják intracelluláris anyagok, például bioaktív vegyületek felszabadítására kiváló minőségű botanikai kivonatok előállításához.
- Gáztalanítás és légtelenítés: A szonda típusú ultrahangos készülékeket gázbuborékok vagy oldott gázok folyadékokból történő eltávolítására használják. Az ultrahangos kavitáció alkalmazása elősegíti a gázbuborékok összeolvadását, hogy növekedjenek és lebegjenek a folyadék tetejére. Az ultrahangos kavitáció gyors és hatékony eljárássá teszi a gáztalanítást. Ez értékes a különböző iparágakban, például a festékekben, a hidraulikafolyadékokban vagy az élelmiszer- és italgyártásban, ahol a gázok jelenléte negatívan befolyásolhatja a termék minőségét és stabilitását.
- Sonocatalysis: Az ultrahangos szondák szonokatalízisre használhatók, olyan folyamat, amely ötvözi az akusztikus kavitációt a katalizátorokkal a kémiai reakciók fokozása érdekében. Az ultrahangos hullámok által generált kavitáció javítja a tömegátadást, növeli a reakciósebességet és elősegíti a szabad gyökök termelését, ami hatékonyabb és szelektívebb kémiai átalakulásokhoz vezet.
- A minta előkészítése: A szonda típusú ultrahangos készülékeket általában laboratóriumokban használják a minta előkészítéséhez. Ezeket biológiai minták, például sejtek, szövetek és vírusok homogenizálására, bontására és kivonására használják. A szonda által generált ultrahangos energia megzavarja a sejtmembránokat, felszabadítja a sejttartalmat és megkönnyíti a további elemzést.
- Szétesés és sejtzavar: A szonda típusú ultrahangos készülékeket a sejtek és szövetek szétesésére és megzavarására használják különböző célokra, például intracelluláris komponensek kivonására, mikrobiális inaktiválásra vagy minta előkészítésére elemzésre. A nagy intenzitású ultrahangos hullámok és az így generált kavitáció mechanikai feszültséget és nyíróerőket okoz, ami a sejtszerkezetek szétesését eredményezi. A biológiai kutatásban és az orvosi diagnosztikában szonda típusú ultrahangos készülékeket használnak a sejtlízishez, a nyitott sejtek megszakításának folyamatához, hogy felszabadítsák intracelluláris komponenseiket. Az ultrahangos energia megzavarja a sejtfalakat, membránokat és organellákat, lehetővé téve a fehérjék, DNS, RNS és más sejtösszetevők kivonását.
Ezek a szonda típusú ultrahangos készülékek kulcsfontosságú alkalmazásai, de a technológia még szélesebb körű egyéb felhasználásokkal rendelkezik, beleértve a sonochemistry-t, a részecskeméret-csökkentést (nedves marás), az alulról felfelé irányuló részecskeszintézist és a vegyi anyagok és anyagok szono-szintézisét különböző iparágakban, például gyógyszeriparban, élelmiszer-feldolgozásban, biotechnológiában és környezettudományokban.

A képkockák nagy sebességű szekvenciája (a-tól f-ig), amely szemlélteti a grafitpehely vízben történő szonomechanikus hámlását az UP200S, egy 200 W-os ultrahangos készülék 3 mm-es sonotrode-val. A nyilak a hasító részecskék helyét mutatják a hasításba behatoló kavitációs buborékokkal.
© Tyurnina és mtsai. 2020
Videó az akusztikus kavitációról folyadékban
A következő videó bemutatja az akusztikus kavitációt az UIP1000hdT ultrahangos készülék kaszkatródján vízzel töltött üvegoszlopban. Az üvegoszlopot alulról vörös fény világítja meg a kavitációs buborékok megjelenítésének javítása érdekében.
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
---|---|---|
1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Irodalom / Hivatkozások
- 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 gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz ipari méret.