液体中の超音波キャビテーション

高強度の超音波は、液体中に音響キャビテーションを生成します。キャビテーションは、最大1000km/hrの液体ジェット、最大2000気圧の圧力、最大5000ケルビンの温度など、局所的に極端な影響を及ぼします。これらの超音波で生成された力は、均質化、分散、乳化、抽出、細胞破壊、化学反応の強化など、多数の液体処理アプリケーションに使用されます。

超音波キャビテーションの働き原則

高強度で液体を超音波処理すると、液体媒体に伝播する音波により、周波数に応じた速度で高圧(圧縮)サイクルと低圧(希薄化)サイクルが交互に発生します。低圧サイクルでは、高強度の超音波が液体中に小さな真空気泡または空隙を生成します。気泡がエネルギーを吸収できなくなった体積に達すると、高圧サイクル中に気泡は激しく崩壊します。この現象はキャビテーションと呼ばれます。爆縮時には、非常に高温(約5,000K)と圧力(約2,000気圧)が局地的に到達します。キャビテーション気泡の爆縮は、最大280m/sの速度の液体ジェットももたらします。

音響キャビテーション(パワー超音波によって生成される)は、局所的に極端な条件、いわゆる音響機械的および音響化学的効果を作り出します。これらの効果により、超音波処理は化学反応を促進し、より高い収率、より速い反応速度、新しい経路、および全体的な効率の向上につながります。

音響キャビテーションを使用した超音波装置の主な用途

プローブ型超音波装置は、超音波プローブとも呼ばれ、液体中に激しい音響キャビテーションを効率的に生成します。そのため、さまざまな業界のさまざまなアプリケーションで広く使用されています。プローブ型超音波装置によって生成される音響キャビテーションの最も重要なアプリケーションには、次のものがあります。
 

1. 均一化： 超音波プローブは、振動とせん断力のエネルギー密度の高いフィールドとして特徴付けられる強力なキャビテーションを生成することができます。これらの力は、優れた混合、ブレンド、および粒子サイズの縮小を提供します。超音波均質化は、均一に混合された懸濁液を生成する。したがって、超音波処理は、狭い分布曲線を有する均質なコロイド懸濁液を製造するために使用される。
2. ナノ粒子分散体: 超音波装置は、ナノ粒子の分散、解凝集および湿式粉砕に使用されます。低周波の超音波は、衝撃的なキャビテーションを発生させ、凝集体を分解して粒子サイズを縮小します。特に、液体ジェットの高せん断は、液体中の粒子を加速し、粒子が互いに衝突(粒子間衝突)するため、粒子が破壊されて侵食されます。これにより、粒子が均一かつ安定して分布し、沈降を防ぐことができます。これは、ナノテクノロジー、材料科学、医薬品など、さまざまな分野で非常に重要です。
3. 乳化と混合: プローブ型超音波装置は、エマルジョンを作成し、液体を混合するために使用されます。超音波エネルギーは、微細な気泡の形成と崩壊であるキャビテーションを引き起こし、激しい局所的なせん断力を発生させます。このプロセスは、非混和性液体の乳化を助け、安定して細かく分散したエマルジョンを生成します。
4. 抽出： キャビテーションせん断力のために、超音波装置は細胞構造を破壊し、固体と液体の間の物質移動を改善するのに非常に効率的です。したがって、超音波抽出は、高品質の植物抽出物を製造するための生理活性化合物などの細胞内物質を放出するために広く使用されています。
5. 脱気と脱気: プローブ型超音波装置は、液体から気泡または溶存ガスを除去するために使用されます。超音波キャビテーションの適用は、気泡の合体を促進し、気泡が成長し、液体の上部に浮かぶようにします。超音波キャビテーションは、脱気を迅速かつ効率的な手順にします。これは、塗料、油圧作動油、食品および飲料加工など、ガスの存在が製品の品質と安定性に悪影響を与える可能性のあるさまざまな業界で価値があります。
6. ソノカタリシス: 超音波プローブは、音響キャビテーションと触媒を組み合わせて化学反応を強化するプロセスであるソノカタリズムに使用できます。超音波によって生成されるキャビテーションは、物質移動を改善し、反応速度を増加させ、フリーラジカルの生成を促進するため、より効率的で選択的な化学変換につながります。
7. サンプル調製: プローブ型超音波装置は、サンプル調製のために実験室で一般的に使用されています。これらは、細胞、組織、ウイルスなどの生体サンプルの均質化、分解、抽出に使用されます。プローブによって生成された超音波エネルギーは細胞膜を破壊し、細胞内容物を放出し、さらなる分析を容易にします。
8. 崩壊と細胞の破壊: プローブ型超音波装置は、細胞内成分の抽出、微生物の不活性化、または分析のためのサンプル調製など、さまざまな目的のために細胞や組織を崩壊させ破壊するために使用されます。高強度の超音波とそれによって発生するキャビテーションは、機械的応力とせん断力を引き起こし、細胞構造の崩壊をもたらします。生物学研究および医療診断では、プローブ型超音波装置は、細胞溶解、それらの細胞内成分を放出するために開いた細胞を破壊するプロセスに使用されます。超音波エネルギーは、細胞壁、膜、および細胞小器官を破壊し、タンパク質、DNA、RNA、およびその他の細胞成分の抽出を可能にします。

 
これらはプローブ型超音波装置の主要な用途の一部ですが、この技術は、ソノケミストリー、粒子サイズ縮小(湿式粉砕)、ボトムアップ粒子合成、および医薬品、食品加工、バイオテクノロジー、環境科学などのさまざまな産業における化学物質および材料のソノ合成を含む、他の用途のさらに広い範囲を持っています。

水中のグラファイトフレークのソノメカニカル剥離を示すフレームの高速シーケンス(aからfまで) UP200S、200mmソノトロードを備えた3W超音波装置を使用します。 矢印は、キャビテーション気泡が分割を貫通する粒子の分割位置を示しています。
© Tyurnina et al. 2020

液体中の音響キャビテーションのビデオ

次のビデオは、超音波装置のカスケードでの音響キャビテーションを示しています UIP1000hdT 水で満たされたガラス柱の。ガラス柱は、キャビテーション気泡の視覚化を向上させるために、下部から赤色光で照らされています。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。