ულტრაბგერითი დისპერგირება და დეაგლომერაცია

მყარი ნივთიერებების სითხეებში დისპერგირება და დეაგლომერაცია მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერისა და ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი აპარატების გამოყენების მნიშვნელოვანი სფეროა. ულტრაბგერითი კავიტაცია წარმოქმნის უკიდურესად ძლიერ ძვრის ძალებს, რომლებიც ნაწილაკების აგლომერატებს ცალკეულ დისპერგირებულ ნაწილაკებად შლის. ლოკალურად კონცენტრირებული ძლიერი ძვრის ძალების გამო, ულტრაბგერითი დამუშავება იდეალურია მიკრონული და ნანოზომის დისპერსიების მისაღებად ექსპერიმენტებისთვის, კვლევისა და განვითარებისთვის და, რა თქმა უნდა, სამრეწველო წარმოებისთვის.

ფხვნილების სითხეებში შერევა ხშირი ეტაპია სხვადასხვა პროდუქტის, როგორიცაა საღებავი, მელანი, კოსმეტიკა, სასმელები, ჰიდროგელები ან პოლირების საშუალებები, ფორმულირებისას. ცალკეული ნაწილაკები ერთმანეთთან შეკავშირებულია სხვადასხვა ფიზიკური და ქიმიური ბუნების მიზიდვის ძალებით, მათ შორის ვან დერ ვაალსის ძალებით და სითხის ზედაპირული დაჭიმულობით. ეს ეფექტი უფრო ძლიერია მაღალი სიბლანტის სითხეებში, როგორიცაა პოლიმერები ან ფისები. მიზიდვის ძალები უნდა დაიძლიოს ნაწილაკების დეაგლომერაციისა და სითხეში დისპერგირებისთვის. წაიკითხეთ ქვემოთ, თუ რატომ არის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები სუბმიკრონული და ნანოზომიერი ნაწილაკების დისპერგირებისთვის ლაბორატორიასა და მრეწველობაში უპირატესი დისპერგირების აღჭურვილობა.

მყარი ნივთიერებების ულტრაბგერითი დისპერგირება სითხეებში

ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების მუშაობის პრინციპი ეფუძნება აკუსტიკური კავიტაციის ფენომენს. ცნობილია, რომ აკუსტიკური კავიტაცია ქმნის ინტენსიურ ფიზიკურ ძალებს, მათ შორის ძალიან ძლიერ ძვრის ძალებს. მექანიკური დაძაბულობის გამოყენება შლის ნაწილაკების აგლომერატებს. ასევე, სითხე წნევის ზემოქმედებით აღწევს ნაწილაკებს შორის.
მიუხედავად იმისა, რომ ფხვნილების სითხეებში დისპერგირებისთვის კომერციულად ხელმისაწვდომია სხვადასხვა ტექნოლოგია, როგორიცაა მაღალი წნევის ჰომოგენიზატორები, შემრევიანი ბურთულოვანი წისქვილები, ურთიერთშეჯახებადი ჭავლების წისქვილები და როტორ-სტატორული შემრევები, ულტრაბგერით დისპერგატორებს აქვთ მნიშვნელოვანი უპირატესობები. წაიკითხეთ ქვემოთ, თუ როგორ მუშაობს ულტრაბგერითი დისპერგირება და რა უპირატესობები აქვს მას.

 

ვიდეოში ნაჩვენებია წითელი საღებავის ულტრაბგერითი დისპერგირება UP400St-ითა და S24d 22mm ზონდით.

 

ულტრაბგერითი კავიტაციისა და დისპერგირების მუშაობის პრინციპი

ულტრაბგერითი დამუშავების დროს მაღალსიხშირიანი ბგერითი ტალღები სითხეში ქმნის შეკუმშვისა და გაიშვიათების მონაცვლე ზონებს. გარემოში გავლისას ბგერითი ტალღები წარმოქმნის ბუშტუკებს, რომლებიც სწრაფად ფართოვდება და შემდეგ მკვეთრად კოლაფსირდება. ამ პროცესს აკუსტიკური კავიტაცია ეწოდება. ბუშტუკების კოლაფსი წარმოქმნის მაღალი წნევის დარტყმით ტალღებს, მიკროჭავლებსა და ძვრის ძალებს, რომლებსაც შეუძლია დიდი ნაწილაკებისა და აგლომერატების უფრო მცირე ნაწილაკებად დაშლა. ულტრაბგერითი დისპერგირების პროცესებში დისპერსიაში არსებული ნაწილაკები თავად ასრულებს საფქვავი გარემოს ფუნქციას. ულტრაბგერითი კავიტაციის ძვრის ძალებით აჩქარებული ნაწილაკები ერთმანეთს ეჯახება და მცირე ფრაგმენტებად იშლება. რადგან ულტრაბგერით დამუშავებულ დისპერსიას საფქვავი მარცვლები ან ბურთულები არ ემატება, სრულად გამოირიცხება საფქვავი გარემოს გამოყოფისა და გაწმენდის შრომატევადი პროცედურები, რომლებიც დიდ დროს მოითხოვს, აგრეთვე დაბინძურება.
ეს ულტრაბგერით დამუშავებას განსაკუთრებით ეფექტურს ხდის ნაწილაკების დისპერგირებისა და დეაგლომერაციისთვის, მათ შორის იმ ნაწილაკებისაც, რომელთა დაშლა სხვა მეთოდებით რთულია. შედეგად ნაწილაკები უფრო თანაბრად ნაწილდება, რაც აუმჯობესებს პროდუქტის ხარისხსა და ფუნქციურ მახასიათებლებს.
გარდა ამისა, ულტრაბგერითი დამუშავებით მარტივად შეიძლება ისეთი ნანომასალების დამუშავება, დისპერგირება და სინთეზი, როგორიცაა ნანოსფეროები, ნანოკრისტალები, ნანოფურცლები, ნანობოჭკოები, ნანომავთულები, ბირთვი-გარსის ტიპის ნაწილაკები და სხვა რთული სტრუქტურები.
გარდა ამისა, ულტრაბგერითი დამუშავება შესაძლებელია შესრულდეს საკმაოდ მცირე დროში, რაც არის მნიშვნელოვანი უპირატესობა სხვა დისპერგირების ტექნიკებთან შედარებით.

ულტრაბგერითი დისპერგატორების უპირატესობები შერევის ალტერნატიულ ტექნოლოგიებთან შედარებით

ულტრაბგერით დისპერგატორებს რამდენიმე უპირატესობა აქვს შერევის ალტერნატიულ ტექნოლოგიებთან შედარებით, როგორიცაა მაღალი წნევის ჰომოგენიზატორები, ბურთულოვანი დაფქვა ან როტორ-სტატორული შერევა. ზოგიერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი უპირატესობაა:

• ნაწილაკების ზომის შემცირების გაუმჯობესება: ულტრაბგერითი დისპერგატორები ეფექტურად ამცირებენ ნაწილაკების ზომას ნანომეტრულ დიაპაზონამდე, რაც ბევრი სხვა შერევის ტექნოლოგიისთვის შეუძლებელია. ეს მათ იდეალურს ხდის იმ გამოყენებებისთვის, სადაც მცირე ზომის ნაწილაკები კრიტიკულია.
• უფრო სწრაფი შერევა: ულტრაბგერით დისპერგატორებს შეუძლიათ მასალების შერევა და დისპერგირება ბევრ სხვა ტექნოლოგიასთან შედარებით უფრო სწრაფად, რაც ზოგავს დროს და ზრდის პროდუქტიულობას.
• დაბინძურების გარეშე: ულტრაბგერით დისპერგატორებს არ სჭირდებათ საფქვავი გარემოს, როგორიცაა მარცვლები ან ბურთულები, გამოყენება, რომლებიც ცვეთის შედეგად აბინძურებს დისპერსიას.
• უკეთესი პროდუქტის ხარისხი: ულტრაბგერით დისპერგატორებს შეუძლიათ უფრო ერთგვაროვანი ნარევებისა და სუსპენზიების მიღება, რაც უზრუნველყოფს პროდუქტის უკეთეს და სტაბილურ ხარისხს. განსაკუთრებით გამდინარე რეჟიმში, დისპერსიული სუსპენზია ულტრაბგერითი კავიტაციის ზონას მკაცრად კონტროლირებად პირობებში გადის, რაც ძალიან ერთგვაროვან დამუშავებას უზრუნველყოფს.
• ენერგიის ნაკლები ხარჯვა: ულტრაბგერითი დისპერგატორები, როგორც წესი, ნაკლებ ენერგიას მოითხოვენ სხვა ტექნოლოგიებთან შედარებით, რაც საექსპლუატაციო ხარჯებს ამცირებს.
• მრავალფეროვნება: ულტრაბგერითი დისპერგატორები შეიძლება გამოყენებულ იქნას გამოყენების ფართო სპექტრისთვის, მათ შორის ჰომოგენიზაციისთვის, ემულსიფიკაციისთვის, დისპერგირებისთვის და დეაგლომერაციისთვის. მათ ასევე შეუძლიათ მრავალფეროვანი მასალების დამუშავება, მათ შორის აბრაზიული მასალები, ბოჭკოები, კოროზიული სითხეები და აირებიც კი.

პროცესის ამ უპირატესობების, ასევე საიმედოობისა და მარტივი ექსპლუატაციის გამო, ულტრაბგერითი დისპერგატორები აღემატება შერევის ალტერნატიულ ტექნოლოგიებს, რაც მათ პოპულარულ არჩევანს ხდის მრავალი სამრეწველო გამოყენებისთვის.

ულტრაბგერითი დისპერგირება და დეაგლომერაცია ნებისმიერ მასშტაბში

Hielscher სთავაზობს ულტრაბგერით მოწყობილობებს ნებისმიერი მოცულობის დისპერგირებისა და დეაგლომერაციისთვის პარტიული ან ინლაინ დამუშავებისთვის. ულტრაბგერითი ლაბორატორიული მოწყობილობები გამოიყენება 1,5mL-დან დაახლოებით 2L-მდე მოცულობებისთვის. სამრეწველო ულტრაბგერითი მოწყობილობები გამოიყენება პროცესის შემუშავებასა და წარმოებაში 0,5-დან დაახლოებით 2000L-მდე პარტიებისთვის ან 0,1L-დან 20m³-მდე მოცულობითი ხარჯისთვის საათში.

Hielscher Ultrasonics-ის სამრეწველო ულტრაბგერით პროცესორებს შეუძლიათ ძალიან მაღალი ამპლიტუდებით მუშაობა, რაც უზრუნველყოფს ნაწილაკების საიმედო დისპერგირებასა და დაფქვას ნანომასშტაბამდე. 200µm-მდე ამპლიტუდებით უწყვეტი მუშაობა მარტივად არის შესაძლებელი 24/7 რეჟიმში. უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალურად შექმნილი ულტრაბგერითი სონოტროდები.

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დამუშავების დაახლოებით მოცულობაზე:

ნახშირბადის ნანომილების ულტრაბგერითი დისპერგირება – Hielscher ულტრაბგერითი აპარატი UP400S (400W) სწრაფად და ეფექტიანად შლის ნახშირბადის ნანომილების (CNTs) გადახლართულ გროვებს და ცალკეულ ნანომილებს დისპერგირებს.

ულტრაბგერითი დისპერგირების უპირატესობები: მარტივი მასშტაბირება

განსხვავებით სხვა დისპერგირების ტექნოლოგიებისგან, ულტრაბგერითი დამუშავება მარტივად შეიძლება მასშტაბირდეს ლაბორატორიულიდან წარმოების მასშტაბამდე. ლაბორატორიული ტესტები საშუალებას მოგცემთ ზუსტად შეარჩიოთ საჭირო მოწყობილობის ზომა. საბოლოო მასშტაბში გამოყენებისას, პროცესის შედეგები იდენტურია ლაბორატორიული შედეგების.

ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები: მდგრადი და მარტივად გასაწმენდი

ულტრაბგერითი სიმძლავრე სონოტროდის მეშვეობით გადაეცემა სითხეს. ეს, ჩვეულებრივ, ბრუნვითი სიმეტრიის მქონე ნაწილია, რომელიც საავიაციო ხარისხის ტიტანის მთლიანი ნამზადისგან მექანიკური დამუშავებით მზადდება. ის ასევე ერთადერთი მოძრავი / მრხევი ნაწილია, რომელიც სითხესთან კონტაქტშია. ეს არის ერთადერთი ნაწილი, რომელიც ცვეთას განიცდის, და მისი შეცვლა რამდენიმე წუთში მარტივად შეიძლება. რხევებისგან განმაცალკევებელი ფლანგები საშუალებას იძლევა, სონოტროდი ნებისმიერი ორიენტაციით დამაგრდეს ღია ან დახურულ, წნევის ქვეშ მუშაობისთვის განკუთვნილ ჭურჭელში ან გამდინარე უჯრედში. საკისრები საჭირო არ არის. სითხესთან კონტაქტში მყოფი ყველა სხვა ნაწილი, როგორც წესი, უჟანგავი ფოლადისგან მზადდება. გამდინარე უჯრედის რეაქტორებს მარტივი გეომეტრია აქვს და მათი დაშლა და გაწმენდა ადვილია, მაგალითად, გამორეცხვითა და მოწმენდით. მათ არ აქვს მცირე ნახვრეტები ან დამალული კუთხეები.

ადგილზე ულტრაბგერითი წმენდა

ულტრაბგერის გამოყენება ზედაპირებისა და ნაწილების გასაწმენდად კარგად არის ცნობილი. დისპერგირებისთვის გამოყენებული ულტრაბგერის ინტენსივობა ბევრად უფრო მაღალია, ვიდრე ტიპური ულტრაბგერითი გაწმენდისთვის. ულტრაბგერითი მოწყობილობის სითხესთან შეხებაში მყოფი ნაწილების გაწმენდისას ულტრაბგერითი სიმძლავრე შეიძლება გამოყენებულ იქნას რეცხვისა და გამოვლების გასაადვილებლად, რადგან ულტრაბგერითი / აკუსტიკური კავიტაცია აშორებს ნაწილაკებსა და სითხის ნარჩენებს სონოტროდსა და გამდინარე კამერის კედლებს.

---

---

ლიტერატურა / რეფერენსები

• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Poinern G.E., Brundavanam R., Thi-Le X., Djordjevic S., Prokic M., Fawcett D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. Int J Nanomedicine. 2011; 6: 2083–2095.
• László Vanyorek, Dávid Kiss, Ádám Prekob, Béla Fiser, Attila Potyka, Géza Németh, László Kuzsela, Dirk Drees, Attila Trohák, Béla Viskolcz (2019): Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants. Journal of Materials Research and Technology, Volume 8, Issue 3, 2019. 3244-3250.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.