Ultrahangos kavitáció folyadékokban
Az ultrahangos kavitáció a nagy intenzitású ultrahangos folyadékkezelés mozgatórugója. Amikor erős ultrahangot vezetnek egy folyadékba, mikroszkopikus gőzbuborékok keletkeznek, növekednek és hevesen összeomlanak. Ez az akusztikus kavitáció intenzív helyi nyíróerőket, mikrosugarakat, lökéshullámokat, nyomásváltozásokat és mikrokeverési hatásokat hoz létre, amelyek felgyorsíthatják a homogenizálást, a diszpergálást, az emulgeálást, az extrakciót, a gáztalanítást, a sejtek szétzúzását és a szonokémiai reakciókat.
A Hielscher szondás ultrahangos készülékei szabályozott akusztikus kavitációval juttatják az ultrahangos energiát közvetlenül a folyadékokba, szuszpenziókba és iszapokba. A kis laboratóriumi mintáktól a folyamatos ipari átfolyó gyártásig a Hielscher rendszerek lehetővé teszik az amplitúdó, a szonotróda geometriája, a nyomás, a hőmérséklet, az áramlási sebesség és a tartózkodási idő beállítását a kavitációs eredmények reprodukálhatósága érdekében.
- Laboratóriumok számára: a szonikációs paraméterek kidolgozása és optimalizálása kis térfogatú mintákon.
- Kísérleti üzemek esetében: a kavitációval működtetett folyamatok érvényesítése valós feldolgozási körülmények között.
- Gyártáshoz: az ultrahangos kavitációt szakaszos, recirkulációs vagy folyamatos inline folyamatokba integrálni.
Kérjük, adja meg a folyadék típusát, a tételmennyiséget vagy az áramlási sebességet, a viszkozitást, a szilárdanyag-tartalmat, a hőmérsékleti határértékeket és a kívánt feldolgozási eredményt. Mi pedig ajánlani fogjuk az Ön kavitációs alkalmazásához legmegfelelőbb ultrahangos berendezést, szonotródot és áramlási cellát.
Szondás ultrahangos készülékek, például az UP400St Használja az akusztikus kavitáció működési elvét.
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.
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.
Ultrahangos keverő vagy ultrahangos fürdő: melyik kavitációs módszer a megfelelő?
A szondás ultrahangos készülékek és az ultrahangos fürdők egyaránt akusztikus kavitációt hoznak létre, de intenzitásuk, szabályozhatóságuk és a folyamat megbízhatósága tekintetében jelentősen eltérnek egymástól. Míg az ultrahangos fürdők tisztításra alkalmasak, a szondás ultrahangos készülékek az ultrahangos energiát közvetlenül a folyadékba vezetik, és sokkal erősebb, fókuszált kavitációs zónát hoznak létre. Ezért a szondás ultrahangos készülékek a preferált választás olyan reprodukálható folyadékfeldolgozási alkalmazásokhoz, mint a homogenizálás, az emulgeálás, az extrakció, a sejtfelbomlás, a nanorészecskék diszpergálása és a szonokémiai reakciók.
| Összehasonlítási szempontok | szonda szonda szonikátor | ultrahangos fürdő |
|---|---|---|
| kavitáció intenzitása | Közvetlenül a szonotróda hegyénél nagy intenzitású akusztikus kavitációt hoz létre. | A kád teljes térfogatában eloszló, gyengébb kavitációt eredményez. |
| Energiaátvitel | Az ultrahangos energiát közvetlenül a folyadékba, a szuszpenzióba vagy a szuszpenziós folyadékba továbbítja. | Az energiát közvetve, a fürdőfolyadék és az edény falán keresztül továbbítja. |
| Folyamatirányítás | Lehetővé teszi az amplitúdó, a felvett teljesítmény, az impulzusmód, a hőmérséklet és a feldolgozási idő pontos beállítását. | Csak korlátozott mértékben lehet szabályozni a mintát elérő tényleges ultrahangos energiát. |
| Reprodukálhatóság | A folyamatparaméterek meghatározása és figyelemmel kísérése esetén reprodukálható ultrahangos kezelési eredményeket biztosít. | Az eredmények eltérőek lehetnek a kavitáció egyenetlen eloszlása, az edény helyzete, az edény anyaga, a töltési szint és a fürdő terhelése miatt. |
| A feldolgozás hatékonysága | Kiválóan alkalmas homogenizálásra, diszpergálásra, emulgeálásra, extrakcióra, sejtfelbontásra és szonokémiára. | Elsősorban tisztításra alkalmas. |
| Minta térfogata | Kis laboratóriumi mintákhoz, valamint kísérleti és ipari mennyiségekhez egyaránt rendelkezésre áll. | Általában kis edényekhez vagy a kádba helyezett több konténerhez használják. |
| Méretnövelés | A rendszer laboratóriumi kísérletektől a kísérleti üzemig, majd a folyamatos ipari gyártási folyamatig skálázható. | Nehéz megbízhatóan méretezni, mivel az energiaeloszlás és a kavitációs intenzitás nem könnyen átvihető. |
| Alkalmas hordozók | Folyadékok, emulziók, szuszpenziók, iszapos oldatok és magas szilárdtartalmú készítmények esetében hatékony. | Leginkább alacsony viszkozitású folyadékokhoz, valamint egyszerű tisztítási vagy gáztalanítási feladatokhoz alkalmas. |
| Tipikus alkalmazások | Nanorészecskék diszpergálása, nanoemulziók, extrakció, sejtfelbomlás, homogenizálás, deagglomerálás, nedves őrlés és szonokémiai reakciók. | Üvegedények tisztítása, folyadékok gáztalanítása, porok oldása és a minták enyhe keverése. |
| A legjobb választás | Szabályozott, nagy teljesítményű és megismételhető ultrahangos folyadékkezelés. | Egyszerű tisztítás vagy alacsony intenzitású ultrahangos kezelés. |
A szonikátorok és az akusztikus kavitáció főbb alkalmazási területei
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
Használja ki az ultrahangos kavitáció előnyeit!
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 |
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.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszperzióhoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti és ipari méretekben.
Gyakran Ismételt Kérdések
Mi az ultrahangos kavitáció?
Az ultrahangos kavitáció a nagy intenzitású ultrahangnak kitett folyadékban kialakuló mikroszkopikus buborékok kialakulását, növekedését és hirtelen összeomlását jelenti. E buborékok összeomlása intenzív helyi nyíróerőt, folyadék-mikrosugarakat, lökéshullámokat, nagy nyomásgradienseket és erős mikrokeverési hatásokat eredményez.
Mi a különbség az ultrahangos kavitáció és az akusztikus kavitáció között?
Az akusztikus kavitáció a hanghullámok által kiváltott kavitáció általános elnevezése. Az ultrahangos kavitáció az ultrahangos frekvenciák által generált akusztikus kavitáció, amely jellemzően a hallható tartomány felett helyezkedik el. Az ipari folyadékfeldolgozásban mindkét kifejezést gyakran használják a nagy teljesítményű ultrahangos készülékek által előidézett kavitációra.
Hogyan javítja az ultrahangos kavitáció a folyadékok feldolgozását?
Az ultrahangos kavitáció a folyadék belsejében kialakuló intenzív mechanikai és kémiai hatások révén javítja a folyadékok feldolgozását. A mechanikai hatások elősegítik az elegyítést, a homogenizálást, az emulgeálást, a részecskék szétválasztását, a nedves őrlést, az extrakciót és a sejtek felbomlását. Reaktív rendszerekben a kavitáció elősegítheti a szonokémiai hatásokat és javíthatja a tömegátadást.
Mely alkalmazásokban alkalmazzák az ultrahangos kavitációt?
Az ultrahangos kavitációt homogenizáláshoz, diszpergáláshoz, emulgeáláshoz, nanoemulgeáláshoz, extrakcióhoz, gáztalanításhoz, agglomeráció felbontásához, részecskeméret-csökkentéshez, sejtfelbontáshoz, mikrobiális sejtfal-megsemmisítéshez, szonokémiához, szonokatalízishez és fejlett folyadékfázisú reakciókhoz használják.
Miért hatékonyak a szondás ultrahangos készülékek a kavitációhoz?
A szondás ultrahangos készülékek a szonotróda segítségével közvetlenül a folyadékba továbbítják az ultrahangos energiát. Ez a közvetlen energiacsatolás a szonda felületének közelében intenzív kavitációs zónát hoz létre, és lehetővé teszi olyan fontos folyamatparaméterek pontos beállítását, mint az amplitúdó, a felvett teljesítmény, a hőmérséklet, a nyomás és a feldolgozási idő.
Alkalmas-e az ultrahangos fürdő erős kavitációra?
Az ultrahangos fürdők kavitációt hoznak létre, de az energiasűrűségük általában jóval alacsonyabb és kevésbé koncentrált, mint a szondás ultrahangos készülékek esetében. A fürdők tisztításra és enyhe kezelésekre alkalmasak, míg a szondás ultrahangos készülékeket inkább a reprodukálható homogenizáláshoz, extrakcióhoz, emulgeáláshoz, diszpergáláshoz, sejtfelbontáshoz és ipari folyadékfeldolgozáshoz használják.
Olvassa el és nézze meg, miben különböznek egymástól a szondás ultrahangos készülékek és az ultrahangos fürdők!
Mely paraméterek befolyásolják az ultrahangos kavitáció intenzitását?
A fontos paraméterek közé tartozik az amplitúdó, az ultrahangteljesítmény, a szonotróda felülete, a folyadék térfogata, a viszkozitás, a szilárdanyag-tartalom, a nyomás, a hőmérséklet, a tartály geometriája, az áramlási cella geometriája, az áramlási sebesség és a tartózkodási idő. Ezen paraméterek beállításával a kavitációs intenzitás a folyamat céljához igazítható.
Az ultrahangos kavitáció alkalmazható-e a laboratóriumi körülményekről a gyártási környezetre?
Igen. Az ultrahangos kavitációs eljárások laboratóriumi méretekben kidolgozhatók, majd az amplitúdó, az energia-beviteli teljesítmény, a szonotróda geometriája, az áramlási sebesség és a tartózkodási idő szabályozásával kiterjeszthetők kísérleti vagy ipari méretekre. A Hielscher ultrahangos berendezéseket és reaktorokat kínál laboratóriumi vizsgálatokhoz, kísérleti tesztekhez és folyamatos ipari gyártáshoz.
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.