Ուլտրաձայնային կավիտացիա հեղուկներում
Ուլտրաձայնային кавիտացիան բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային հեղուկների մշակման շարժառիթ ուժն է: Երբ հզոր ուլտրաձայնը փոխանցվում է հեղուկին, միկրոսկոպիկ գոլորշու բջիջներ առաջանում են, աճում են և ուժեղ պայթում են: Այս ակուստիկ кавիտացիան ստեղծում է ուժեղ տեղային շերտավորման ուժեր, միկրոձեռներ, հարվածային ալիքներ, ճնշման փոփոխություններ և միկրոմշակման ազդեցություններ, որոնք կարող են արագացնել հոմոգենիզացումը, խառնվելը, էմուլսիֆիկացումը, արտացոլումը, գազազրկումը, բջիջների խզումը և սոնոխիմիական ռեակցիաները.
Հիելշեր պրոբ տեսակ սոնիկատորները օգտագործում են վերահսկվող акуստիկ կավիտացիա՝ բարձր հաճախականության էներգիան ուղղակի փոխանցելու հեղուկներին, սուսպենսիաներին և կուլիչներին։ Փոքր լաբորատոր նմուշներից մինչև շարունակական արդյունաբերական հոսք ունեցող արտադրություն՝ Հիելշերի համակարգերը թույլ են տալիս կարգավորել amplitուդան, սոնոտրոդի ձևը, ճնշումը, ջերմաստիճանը, հոսքի արագությունը և մնացորդային ժամանակը՝ վերադարձվող կավիտացիոն արդյունքների համար.
- Լաբորատորիաների համար: փոքր ծավալներում զարգացնել և օպտիմալացնել սոնիկացման պարամետրերը.
- Փորձարարական գործարանների համար: վավերացնել կավիտացիայով կառավարվող գործընթացները իրական մշակման պայմաններում.
- Արդյունաբերության համար: մասշտաբել ուլտրաձայնային կավիտացիան խմբաքանակային, ռեկուրջացնող կամ շարունակական վարդակային գործընթացներում.
Tell us your liquid, batch volume or flow rate, viscosity, solids content, temperature limits and target process result. We will recommend the optimal sonicator, sonotrode and flow-cell configuration for your cavitation application.
Probe-type sonicators such as the UP400St օգտագործել ակուստիկ կավիտացիայի աշխատանքի սկզբունքը.
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:
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:
Probe Sonicator or Ultrasonic Bath: Which Cavitation Method Is Right?
Զոնդ sonicators եւ ուլտրաձայնային բաղնիքներ երկուսն էլ առաջացնում են ակուստիկ cavitation, բայց նրանք զգալիորեն տարբերվում են ինտենսիվությամբ, վերահսկողության եւ գործընթացի հուսալիությամբ: Թեեւ ուլտրաձայնային լոգանքները օգտակար են մաքրման համար, զոնդի տիպի sonicators զուգակցում են ուլտրաձայնային էներգիան անմիջապես հեղուկի մեջ եւ ստեղծում են շատ ավելի ուժեղ, կենտրոնացած կավիտացիոն գոտի: Սա դարձնում է զոնդ sonicators նախընտրելի ընտրությունը վերարտադրելի հեղուկ մշակման ծրագրերի համար, ինչպիսիք են համասեռացումը, էմուլգացիան, արդյունահանումը, բջջային խափանումը, նանոմասնիկների ցրումը եւ սոնոքիմիական ռեակցիաները.
| Համեմատության չափանիշները | probe sonicator | ուլտրաձայնային բաղնիք |
|---|---|---|
| կավիտացիայի ինտենսիվությունը | Արտադրում է բարձր ինտենսիվության ակուստիկ cavitation ուղղակիորեն sonotrode հուշում. | Արտադրում է թույլ cavitation բաշխված ամբողջ բաղնիքի ծավալը. |
| Էներգիայի փոխանցում | Փոխանցում ուլտրաձայնային էներգիան ուղղակիորեն մեջ հեղուկ, կասեցման կամ slurry. | Transfers energy indirectly through the bath liquid and vessel wall. |
| գործընթացի վերահսկում | Allows precise adjustment of amplitude, power input, pulse mode, temperature and processing time. | Offers limited control over the actual ultrasonic energy reaching the sample. |
| վերարտադրելիություն | Provides reproducible sonication results when process parameters are defined and monitored. | Results can vary due to uneven cavitation distribution, vessel position, vessel material, fill level, and bath loading. |
| Processing efficiency | Highly efficient for homogenizing, dispersing, emulsifying, extraction, cell disruption and sonochemistry. | Suitable mainly for cleaning. |
| Նմուշի ծավալը | Available for small laboratory samples as well as pilot and industrial volumes. | Typically used for small vessels or multiple containers placed inside the bath. |
| սանդղակի բարձրացում | Կարող է գրանցվել լաբորատոր փորձարկումներից մինչև փորձնական փորձեր և շարունակական արդյունաբերական ուղիղ գծով գործողություն։ | Դժվար է վստահելիորեն մասշտաբավորել, քանի որ էներգիայի բաշխումը և պատգամավորության ինտենսիվությունը հեշտությամբ փոխանցելի չեն։ |
| Հարմար միջավայրեր | Արդյունավետ է հեղուկների, էմուլսիաների, ցրման, սլյուրերի և բարձր լուծված նյութի ձևակերպումների համար։ | Լավագույնս հարմար է ցածր մածուցիկությամբ հեղուկների և պարզ մաքրության կամ օդազերծման գործառույթների համար։ |
| Տիպիկ կիրառություններ | Մանիկապարտիկների համալիրում, նանոեմուլսիաներ, հանություն, բջջային լիզիս, հոմոգենացում, դեագլոմերացում, խոնավ կտրում և սոնոխիմիական ռեակցիաներ։ | Սպասման ապակե գործիքների մաքրում, հեղուկների օդազերծում, փոշիների լուծում և նուրբ նմուշային խառնաշփոթ։ |
| Լավագույն ընտրություն է | Կառավարելի, հզոր և վերարտադրելի բարձրացուցիչ հեղուկների մշակում։ | Պարզ մաքրում կամ ցածր ինտենսիվ ultrasonic բուժում։ |
Սոնիկատորների և ակուստիկ կավիտացիայի հիմնական կիրառություններ
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.
- 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
Take Advantage of Ultrasonic Cavitation!
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 |
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:
Hielscher Ultrasonics-ը արտադրում է բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբով կիրառական կիրառությունների խառնուրդի, ցրման, էմուլսացման և արդյունահանման համար:
Հաճախակի տրվող հարցեր
Ի՞նչ է ուլտրաձայնային կավիտացիան:
Ուլտրաձայնային կավիտացիան բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային հեղուկի ենթարկված միկրոսկոպիկ փուչիկների ձեւավորումն է, աճը եւ բռնի փլուզումը: Այս փուչիկների փլուզումը ստեղծում է ինտենսիվ տեղական կտրվածք, հեղուկ միկրոջեթեր, հարվածային ալիքներ, բարձր ճնշման գրադիենտներ եւ ուժեղ միկրո-խառնուրդային էֆեկտներ:
Ո՞րն է տարբերությունը ուլտրաձայնային կավիտացիայի եւ ակուստիկ կավիտացիայի միջեւ:
Ակուստիկ կավիտացիան ձայնային ալիքների հետեւանքով առաջացած կավիտացիայի ընդհանուր տերմինն է։ Ուլտրաձայնային կավիտացիան ուլտրաձայնային հաճախականությունների կողմից առաջացած ակուստիկ կավիտացիա է, որը սովորաբար բարձր է լսելի միջակայքից: Արդյունաբերական հեղուկ մշակման մեջ երկու տերմիններն էլ հաճախ օգտագործվում են բարձր էներգիայի ուլտրաձայնային սարքերի կողմից արտադրվող կավիտացիայի համար:
Ինչպե՞ս է ուլտրաձայնային կավիտացիան բարելավում հեղուկի մշակումը:
Ուլտրաձայնային կավիտացիան բարելավում է հեղուկի մշակումը՝ հեղուկի ներսում ստեղծելով ինտենսիվ մեխանիկական եւ քիմիական ազդեցություններ: Մեխանիկական հետեւանքները աջակցում են mixing, համասեռացում, էմուլգացիա, մասնիկների deagglomeration, թաց ֆրեզերային, արդյունահանման եւ բջջային խափանման. Ռեակտիվ համակարգերում կավիտացիան կարող է նաեւ նպաստել սոնոքիմիական ազդեցություններին եւ բարելավել զանգվածային փոխանցումը:
Ո՞ր ծրագրերն են օգտագործում ուլտրաձայնային կավիտացիան?
Ուլտրաձայնային կավիտացիան օգտագործվում է համասեռացման, ցրման, էմուլգացիայի, նանոէմուլգացիայի, արդյունահանման, գազազերծման, դեագլոմերացիայի, մասնիկների չափի կրճատման, բջջային լիզի, մանրէաբանական խափանման, սոնոքիմիայի, սոնոկատալիզի եւ առաջադեմ հեղուկ փուլի ռեակցիաների համար:
Ինչու են զոնդի տիպի ուլտրաձայնային սարքերը արդյունավետ են կավիտացիայի համար?
Զոնդի տիպի ուլտրաձայնային սարքերը ուլտրաձայնային էներգիան փոխանցում են անմիջապես հեղուկի մեջ sonotrode- ի միջոցով: Այս ուղղակի էներգիայի զուգավորումը ստեղծում է ինտենսիվ կավիտացիայի գոտի զոնդի մակերեւույթի մոտ եւ թույլ է տալիս ճշգրիտ ճշգրտում կարեւոր գործընթացի պարամետրերի, ինչպիսիք են ամպլիտուդը, հզորության մուտքագրումը, ջերմաստիճանը, ճնշումը եւ մշակման ժամանակը:
Արդյո՞ք ուլտրաձայնային բաղնիքը հարմար է ուժեղ կավիտացիայի համար?
Ուլտրաձայնային լոգարանները առաջացնում են կավիտացիա, բայց էներգիայի խտությունը սովորաբար շատ ավելի ցածր և պակաս կենտրոնացված է, քան պրոբ-տիպ սոնիկատորների դեպքում։ Լոգարանները օգտակար են մաքրելու և մեղմ բուժման համար, մինչդեռ պրոբ-տիպ ուլտրաձայնային սարքերն առավել նախընտրելի են կրկնելի հոմոգենիզացիայի, արտազատման, էմուլսիֆիկացման, բաշխման, բջջային ոտնահարման և արդյունաբերական հեղուկների մշակման համար։
Կարդացեք և դիտեք, թե ինչպես են տարբերում պրոբ-տիպ սոնիկատորները ու ուլտրաձայնային լոգարանները։
Որոն բնութագրիչները ազդում են ուլտրաձայնային կավիտացիայի ինտենսիվության վրա։
Կարևոր պարամետրերի մեջ մտնում են ամպլիտուդը, ուլտրաձայնային հզորությունը, սոնոտրոդի մակերեսը, հեղուկի ծավալը, խտությունը, լուծված նյութերի պարունակությունը, ճնշումը, температура, տարայի ձևը, հոսքի բջջի ձևը, հոսքի արագությունը և բնակության ժամանակը։ Այս պարամտրերը հարմարեցնելով՝ կարելի է կավիտացիայի ինտենսիվությունը հարմարվել գործընթացի նպատակներին։
Կարո՞ղ է ուլտրաձայնային կավիտացիան մասշտաբավորվել լաբորատորիայից մինչեւ արտադրություն?
Այո: Ուլտրաձայնային կավիտացիայի գործընթացները կարող են մշակվել լաբորատոր ծավալներով եւ փոխանցվել պիլոտային կամ արդյունաբերական մասշտաբով՝ վերահսկելով ամպլիտուդը, էներգիայի մուտքագրումը, sonotrode երկրաչափությունը, հոսքի արագությունը եւ բնակության ժամանակը: Hielscher-ն առաջարկում է ուլտրաձայնային սարքեր եւ ռեակտորներ լաբորատոր փորձարկման, փորձնական փորձարկումների եւ շարունակական արդյունաբերական արտադրության 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.