Ultrasonik Kavitasi dalam Cairan
Gelombang ultrasonik ultrasound intensitas tinggi menghasilkan kavitasi akustik dalam cairan. Kavitasi menyebabkan efek ekstrem secara lokal, seperti jet cair hingga 1000km / jam, tekanan hingga 2000 atm dan suhu hingga 5000 Kelvin. Kekuatan ultrasonically dihasilkan ini digunakan untuk berbagai aplikasi pengolahan cair seperti homogenisasi, menyebarkan, emulsifikasi, ekstraksi, gangguan sel, serta intensifikasi reaksi kimia.
Prinsip Kerja Kavitasi Ultrasonik
Ketika mengsonikasi cairan pada intensitas tinggi, gelombang suara yang merambat ke dalam media cair mengakibatkan tekanan balik yang tinggi (kompresi) dan siklus bertekanan rendah (penjernihan), dengan tingkat yang tergantung pada frekuensi. Selama siklus bertekanan rendah, intensitas gelombang ultrasonik yang tinggi membuat gelembung-gelembung vakum kecil atau void dalam cairan. Ketika gelembung mencapai volume di mana mereka tak dapat lagi menyerap energi, mereka runtuh dengan keras selama dalam siklus bertekanan tinggi. Fenomena ini disebut kavitasi. Selama ledakan yang sangat tinggi suhu (sekitar. 5, 000K) dan tekanan (kira-kira 2, 000atm) dapat dicapai secara lokal. Ledakan gelembung kavitasi juga mengakibatkan cair jet dengan kecepatan hingga 280 m/s.
Probe-jenis ultrasonicators seperti UP400St Gunakan prinsip kerja kavitasi akustik.
Kavitasi akustik (dihasilkan oleh ultrasound daya) menciptakan kondisi ekstrem lokal, yang disebut efek sonomekanik dan sonokimia. Karena efek ini, sonikasi mempromosikan reaksi kimia yang mengarah ke hasil yang lebih tinggi, kecepatan reaksi yang lebih cepat, jalur baru, dan peningkatan efisiensi keseluruhan.
Aplikasi Kunci Ultrasonicators menggunakan Kavitasi Akustik
Probe-type ultrasonicators, juga dikenal sebagai probe ultrasonik, efisien menghasilkan kavitasi akustik intens dalam cairan. Oleh karena itu, mereka banyak digunakan dalam berbagai aplikasi di berbagai industri. Beberapa aplikasi yang paling penting dari kavitasi akustik yang dihasilkan oleh ultrasonikator tipe probe meliputi:
Kavitasi ultrasonik yang kuat di Hielscher Ultrasonic Cascatrode
- Homogenisasi: Probe ultrasonik dapat menghasilkan kavitasi intens, yang ditandai sebagai medan getaran padat energi dan gaya geser. Kekuatan ini memberikan pencampuran, pencampuran, dan pengurangan ukuran partikel yang sangat baik. Homogenisasi ultrasonik menghasilkan suspensi campuran seragam. Oleh karena itu, sonikasi digunakan untuk menghasilkan suspensi koloid homogen dengan kurva distribusi sempit.
- Dispersi Nanopartikel: Ultrasonicators digunakan untuk dispersi, deagglomeration dan penggilingan basah nanopartikel. Gelombang ultrasound frekuensi rendah dapat menghasilkan kavitasi yang berdampak, yang memecah aglomerat dan mengurangi ukuran partikel. Secara khusus, geser tinggi dari jet cair mempercepat partikel dalam cairan, yang bertabrakan satu sama lain (tabrakan interpartikulat) sehingga partikel akibatnya pecah dan terkikis. Ini menghasilkan distribusi partikel yang seragam dan stabil yang mencegah sedimentasi. Ini sangat penting dalam berbagai bidang, termasuk nanoteknologi, ilmu material, dan farmasi.
- Emulsifikasi dan Pencampuran: Ultrasonikator tipe probe digunakan untuk membuat emulsi dan mencampur cairan. Energi ultrasonik menyebabkan kavitasi, pembentukan dan runtuhnya gelembung mikroskopis, yang menghasilkan gaya geser lokal yang intens. Proses ini membantu dalam emulsifying cairan yang tidak dapat bercampur, menghasilkan emulsi yang stabil dan terdispersi halus.
- Ekstraksi: Karena gaya geser kavitasi, ultrasonicators sangat efisien dalam mengganggu struktur seluler dan untuk meningkatkan perpindahan massa antara padat dan cair. Oleh karena itu, ekstraksi ultrasonik banyak digunakan untuk melepaskan bahan intraseluler seperti senyawa bioaktif untuk produksi ekstrak botani berkualitas tinggi.
- Degassing dan Deaerasi: Ultrasonikator tipe probe digunakan untuk menghilangkan gelembung gas atau gas terlarut dari cairan. Penerapan kavitasi ultrasonik mempromosikan penggabungan gelembung gas sehingga mereka tumbuh dan mengapung ke atas cairan. Kavitasi ultrasonik membuat degasifikasi prosedur yang cepat dan efisien. Ini berharga di berbagai industri, seperti dalam cat, cairan hidrolik, atau pemrosesan makanan dan minuman, di mana keberadaan gas dapat berdampak negatif terhadap kualitas dan stabilitas produk.
- Sonokatalisis: Probe ultrasonik dapat digunakan untuk sonokatalisis, sebuah proses yang menggabungkan kavitasi akustik dengan katalis untuk meningkatkan reaksi kimia. Kavitasi yang dihasilkan oleh gelombang ultrasonik meningkatkan perpindahan massa, meningkatkan laju reaksi, dan meningkatkan produksi radikal bebas, yang mengarah ke transformasi kimia yang lebih efisien dan selektif.
- Persiapan sampel: Probe-type ultrasonicators biasanya digunakan di laboratorium untuk persiapan sampel. Mereka digunakan untuk homogenisasi, terpilah, dan ekstrak sampel biologis, seperti sel, jaringan, dan virus. Energi ultrasonik yang dihasilkan oleh probe mengganggu membran sel, melepaskan konten seluler dan memfasilitasi analisis lebih lanjut.
- Disintegrasi dan Gangguan Sel: Ultrasonikator tipe probe digunakan untuk menghancurkan dan mengganggu sel dan jaringan untuk berbagai keperluan, seperti ekstraksi komponen intraseluler, inaktivasi mikroba, atau persiapan sampel untuk analisis. Gelombang ultrasonik intensitas tinggi dan kavitasi yang dihasilkan menyebabkan tekanan mekanis dan gaya geser, yang mengakibatkan disintegrasi struktur sel. Dalam penelitian biologi dan diagnostik medis, ultrasonikator tipe probe digunakan untuk lisis sel, proses memecah sel terbuka untuk melepaskan komponen intraseluler mereka. Energi ultrasonik mengganggu dinding sel, membran, dan organel, memungkinkan ekstraksi protein, DNA, RNA, dan konstituen seluler lainnya.
Ini adalah beberapa aplikasi utama ultrasonikator tipe probe, tetapi teknologi ini memiliki kegunaan lain yang lebih luas, termasuk sonochemistry, pengurangan ukuran partikel (penggilingan basah), sintesis partikel bottom-up, dan sintesis sono zat kimia dan bahan di berbagai industri seperti farmasi, pengolahan makanan, bioteknologi, dan ilmu lingkungan.
Urutan frame berkecepatan tinggi (dari a ke f) yang menggambarkan pengelupasan sono-mekanis dari serpihan grafit dalam air menggunakan UP200S, ultrasonikator 200W dengan sonotrode 3 mm. Panah menunjukkan tempat pemisahan partikel dengan gelembung kavitasi menembus perpecahan.
© Tyurnina dkk 2020
Kavitasi ultrasonik pada probe cascatrode dari ultrasonicator UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz) dalam reaktor kaca.
Video Kavitasi Akustik dalam Cairan
Video berikut menunjukkan kavitasi akustik pada kaskatrode ultrasonikator UIP1000hdT dalam kolom kaca berisi air. Kolom kaca diterangi dari bawah oleh cahaya merah untuk meningkatkan visualisasi gelembung kavitasi.
Hubungi Kami! / Tanya Kami!
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
| Batch Volume | Flow Rate | Direkomendasikan perangkat |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10-2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 hingga 20L | 0.2 sampai 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 sampai 100L | 2-10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 sampai 100L/menit | UIP16000 |
| n.a. | kristal yang lebbig | cluster UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizers ultrasonik kinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi dan ekstraksi pada laboratorium, pilot dan skala industri.
Literatur/referensi
- 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 memproduksi homogenizers ultrasonik kinerja tinggi dari laboratorium hingga ukuran industri.