Ուլտրաձայնային կավիտացիա հեղուկներում
Բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ուլտրաձայնային ալիքները հեղուկներում առաջացնում են ակուստիկ կավիտացիա: Կավիտացիան տեղական էքստրեմալ էֆեկտներ է առաջացնում, ինչպիսիք են հեղուկ շիթերը մինչև 1000 կմ/ժ արագությամբ, մինչև 2000 ատմ ճնշում և մինչև 5000 Կելվին ջերմաստիճան: Այս ուլտրաձայնային գեներացվող ուժերը օգտագործվում են հեղուկների վերամշակման բազմաթիվ ծրագրերի համար, ինչպիսիք են համասեռացումը, ցրումը, էմուլսացումը, արդյունահանումը, բջիջների խանգարումը, ինչպես նաև քիմիական ռեակցիաների ինտենսիվացումը:
Ուլտրաձայնային կավիտացիայի աշխատանքային սկզբունքը
Բարձր ինտենսիվությամբ հեղուկներ հնչյունավորելիս ձայնային ալիքները, որոնք տարածվում են հեղուկ միջավայրում, հանգեցնում են բարձր ճնշման (սեղմման) և ցածր ճնշման (հազվադեպ) ցիկլերի փոփոխման՝ հաճախականությունից կախված արագությամբ: Ցածր ճնշման ցիկլի ընթացքում բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքները հեղուկում ստեղծում են փոքր վակուումային փուչիկներ կամ դատարկություններ: Երբ փուչիկները հասնում են այնպիսի ծավալի, որով նրանք այլևս չեն կարող էներգիա կլանել, նրանք կատաղի փլուզվում են բարձր ճնշման ցիկլի ընթացքում: Այս երեւույթը կոչվում է կավիտացիա: Պայթյունի ժամանակ տեղական մակարդակում հասնում են շատ բարձր ջերմաստիճաններ (մոտ 5000K) և ճնշում (մոտ 2000ատմ): Կավիտացիոն պղպջակի պայթյունը նաև հանգեցնում է մինչև 280 մ/վ արագությամբ հեղուկ շիթերի:
Զոնդի տիպի ուլտրաձայնիչներ, ինչպիսիք են UP400St օգտագործել ակուստիկ կավիտացիայի աշխատանքի սկզբունքը.
Ակուստիկ կավիտացիան (առաջացած ուժային ուլտրաձայնի միջոցով) ստեղծում է տեղական ծայրահեղ պայմաններ, այսպես կոչված, սոնոմեխանիկական և սոնոքիմիական ազդեցություններ: Այս էֆեկտների շնորհիվ, sonication-ը նպաստում է քիմիական ռեակցիաներին, որոնք հանգեցնում են ավելի բարձր եկամտաբերության, ավելի արագ ռեակցիայի արագության, նոր ուղիների և ընդհանուր արդյունավետության բարելավմանը:
Ուլտրաձայնային սարքերի հիմնական կիրառությունները, օգտագործելով ակուստիկ կավիտացիա
Զոնդի տիպի ուլտրաձայնային սարքերը, որոնք նաև հայտնի են որպես ուլտրաձայնային զոնդեր, արդյունավետորեն առաջացնում են հեղուկների ինտենսիվ ակուստիկ կավիտացիա: Հետևաբար, դրանք լայնորեն օգտագործվում են տարբեր ոլորտներում տարբեր կիրառություններում: Զոնդի տիպի ուլտրաձայնային սարքերի կողմից առաջացած ակուստիկ կավիտացիայի ամենակարևոր կիրառություններից մի քանիսը ներառում են.
Հզոր ուլտրաձայնային կավիտացիա Hielscher Ultrasonic Cascatrode-ում
- Համասեռացում. Ուլտրաձայնային զոնդերը կարող են առաջացնել ինտենսիվ կավիտացիա, որը բնութագրվում է որպես թրթռման և կտրող ուժերի էներգիայի խիտ դաշտ: Այս ուժերը ապահովում են հիանալի խառնում, խառնում և մասնիկների չափի կրճատում: Ուլտրաձայնային համասեռացումը առաջացնում է միատեսակ խառը կասեցումներ: Հետևաբար, sonication-ը օգտագործվում է միատարր կոլոիդային կախոց արտադրելու համար՝ բաշխման նեղ կորերով:
- Նանոմասնիկների ցրում. Ուլտրաձայնային սարքերն օգտագործվում են նանոմասնիկների ցրման, դեագլոմերացիայի և խոնավ աղացման համար: Ցածր հաճախականության ուլտրաձայնային ալիքները կարող են առաջացնել ազդեցիկ կավիտացիա, որը քայքայում է ագլոմերատները և նվազեցնում մասնիկների չափը: Մասնավորապես, հեղուկի շիթերի բարձր կտրվածքը արագացնում է հեղուկի մասնիկները, որոնք բախվում են միմյանց (միջմասնիկների բախում) այնպես, որ մասնիկները, հետևաբար, կոտրվում և քայքայում են: Սա հանգեցնում է մասնիկների միասնական և կայուն բաշխմանը, որը կանխում է նստվածքը: Սա շատ կարևոր է տարբեր ոլորտներում, ներառյալ նանոտեխնոլոգիան, նյութերի գիտությունը և դեղագործությունը:
- Էմուլսացում և խառնում. Զոնդի տիպի ուլտրաձայնիչներ օգտագործվում են էմուլսիաներ ստեղծելու և հեղուկներ խառնելու համար: Ուլտրաձայնային էներգիան առաջացնում է կավիտացիա, միկրոսկոպիկ փուչիկների ձևավորում և փլուզում, որն առաջացնում է ինտենսիվ տեղային կտրող ուժեր: Այս գործընթացը օգնում է էմուլգացնել չխառնվող հեղուկները՝ արտադրելով կայուն և նուրբ ցրված էմուլսիաներ:
- Արդյունահանում: Կավիտացիոն ճեղքման ուժերի շնորհիվ ուլտրաձայնային սարքերը շատ արդյունավետ են բջջային կառուցվածքները խաթարելու և պինդ և հեղուկի միջև զանգվածի փոխանցումը բարելավելու համար: Հետևաբար, ուլտրաձայնային արդյունահանումը լայնորեն օգտագործվում է ներբջջային նյութերը, ինչպիսիք են կենսաակտիվ միացությունները, բարձրորակ բուսաբանական էքստրակտներ արտադրելու համար:
- Գազազերծում և օդազերծում. Զոնդի տիպի ուլտրաձայնային սարքերը օգտագործվում են հեղուկներից գազի փուչիկները կամ լուծված գազերը հեռացնելու համար: Ուլտրաձայնային կավիտացիայի կիրառումը նպաստում է գազի փուչիկների միաձուլմանը, որպեսզի նրանք աճեն և լողան դեպի հեղուկի վերին մասը: Ուլտրաձայնային կավիտացիան գազազերծումը դարձնում է արագ և արդյունավետ ընթացակարգ: Սա արժեքավոր է տարբեր ոլորտներում, ինչպիսիք են ներկերի, հիդրավլիկ հեղուկների կամ սննդի և ըմպելիքների վերամշակման մեջ, որտեղ գազերի առկայությունը կարող է բացասաբար ազդել արտադրանքի որակի և կայունության վրա:
- Sonocatalysis: Ուլտրաձայնային զոնդերը կարող են օգտագործվել սոնոկատալիզի համար, մի գործընթաց, որը համատեղում է ակուստիկ կավիտացիան կատալիզատորների հետ՝ քիմիական ռեակցիաները ուժեղացնելու համար: Ուլտրաձայնային ալիքների կողմից առաջացած կավիտացիան բարելավում է զանգվածի փոխանցումը, մեծացնում է ռեակցիայի արագությունը և նպաստում ազատ ռադիկալների արտադրությանը՝ հանգեցնելով ավելի արդյունավետ և ընտրովի քիմիական փոխակերպումների:
- Նմուշի պատրաստում. Զոնդի տիպի ուլտրաձայնային սարքերը սովորաբար օգտագործվում են լաբորատորիաներում նմուշների պատրաստման համար: Դրանք օգտագործվում են միատարրացնելու, տարանջատելու և կենսաբանական նմուշներ հանելու համար, ինչպիսիք են բջիջները, հյուսվածքները և վիրուսները։ Զոնդի կողմից առաջացած ուլտրաձայնային էներգիան խաթարում է բջջային մեմբրանները՝ ազատելով բջջային պարունակությունը և հեշտացնելով հետագա վերլուծությունը:
- Տարրալուծում և բջիջների խանգարում. Զոնդի տիպի ուլտրաձայնային սարքերը օգտագործվում են բջիջները և հյուսվածքները քայքայելու և խաթարելու համար տարբեր նպատակներով, ինչպիսիք են ներբջջային բաղադրիչների արդյունահանումը, մանրէների անակտիվացումը կամ նմուշի պատրաստումը վերլուծության համար: Բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքները և դրա հետևանքով առաջացած կավիտացիան առաջացնում են մեխանիկական սթրես և կտրող ուժեր, ինչը հանգեցնում է բջջային կառուցվածքների քայքայմանը: Կենսաբանական հետազոտությունների և բժշկական ախտորոշման մեջ զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքերը օգտագործվում են բջիջների լիզիսի համար՝ բաց բջիջները կոտրելու գործընթաց՝ դրանց ներբջջային բաղադրիչներն ազատելու համար: Ուլտրաձայնային էներգիան խաթարում է բջջային պատերը, թաղանթները և օրգանելները՝ հնարավորություն տալով արդյունահանել սպիտակուցներ, ԴՆԹ, ՌՆԹ և բջջային այլ բաղադրիչներ:
Սրանք զոնդերի տիպի ուլտրաձայնային սարքերի հիմնական կիրառություններից մի քանիսն են, սակայն տեխնոլոգիան ունի այլ օգտագործման ավելի լայն շրջանակ, ներառյալ սոնոքիմիան, մասնիկների չափի կրճատումը (խոնավ ֆրեզեր), ներքևից վեր մասնիկների սինթեզը և քիմիական նյութերի սոնոսինթեզը: և նյութեր տարբեր ոլորտներում, ինչպիսիք են դեղագործությունը, սննդի վերամշակումը, կենսատեխնոլոգիան և բնապահպանական գիտությունները:
Շրջանակների արագընթաց հաջորդականություն (a-ից f), որը ցույց է տալիս ջրի մեջ գրաֆիտի փաթիլի սոնո-մեխանիկական շերտավորումը օգտագործելով UP200S, 200W ultrasonicator 3 մմ sonotrode-ով: Սլաքները ցույց են տալիս մասնիկների պառակտման տեղը՝ կավիտացիոն փուչիկներով, որոնք թափանցում են ճեղքվածք:
© Tyurnina et al. 2020 թ
Ուլտրաձայնային կավիտացիա UIP1000hdT (1000 վտ, 20 կՀց) ուլտրաձայնային սարքի կասկատրոդային զոնդում ապակե ռեակտորում:
Տեսանյութ ակուստիկ կավիտացիայի հեղուկում
Հետևյալ տեսանյութը ցույց է տալիս ակուստիկ կավիտացիան UIP1000hdT ուլտրաձայնային սարքի կասկատրոդում՝ ջրով լցված ապակե սյունակում: Ապակե սյունը ներքևից լուսավորված է կարմիր լույսով, որպեսզի բարելավվի կավիտացիոն փուչիկների պատկերացումը:
Կապ մեզ հետ: / Հարցրեք մեզ:
Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.
| Խմբաքանակի ծավալը | Հոսքի արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 1-ից 500 մլ | 10-ից 200 մլ / րոպե | UP100H |
| 10-ից 2000 մլ | 20-ից 400 մլ / րոպե | UP200Ht, UP400 Փ |
| 0.1-ից 20լ | 0.2-ից 4լ/րոպե | UIP2000hdT |
| 10-ից 100 լ | 2-ից 10 լ / րոպե | UIP4000hdT |
| ԱԺ | 10-ից 100 լ / րոպե | UIP16000 |
| ԱԺ | ավելի մեծ | կլաստերի UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics-ը արտադրում է բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբով կիրառական կիրառությունների խառնուրդի, ցրման, էմուլսացման և արդյունահանման համար:
Գրականություն / Հղումներ
- 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-ը արտադրում է բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ լաբորատորիա դեպի արդյունաբերական չափս.