초음파는 음향 캐비테이션과 매우 강렬한 물리적 힘을 생성하는 기계적 처리 방법입니다. 따라서 초음파는 혼합, 균질화, 밀링, 분산, 유화, 추출, 탈기 및 소노 화학 반응과 같은 수많은 응용 분야에 사용됩니다.
아래에서는 일반적인 초음파 응용 분야 및 공정에 대한 모든 것을 배우게됩니다.

초음파 균질화

초음파 균질 기는 균일 성과 분산 안정성을 향상시키기 위해 액체의 작은 입자를 줄입니다. 입자(분산상)는 액상에 현탁된 고체 또는 액체 액적일 수 있다. 초음파 균질화는 부드럽고 단단한 입자의 감소에 매우 효율적입니다. Hielscher는 모든 액체 부피의 균질화 및 배치 또는 인라인 처리를위한 초음파 발생기를 제조합니다. 실험실 초음파 장치는 1.5mL에서 약 4L까지의 부피에 사용할 수 있습니다. 초음파 산업 장치는 공정 개발 및 상업 생산에서 시간당 0.5 ~ 약 2000L 또는 0.1L에서 20 입방 미터까지의 유속을 처리 할 수 있습니다.
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초음파 분산 및 응집 제거

고체를 액체로 분산시키고 응집 해제하는 것은 프로브 형 초음파 발생기의 중요한 응용 프로그램입니다. 초음파 / 음향 캐비테이션은 입자 응집체를 개별적이고 단일 분산 된 입자로 분해하는 높은 전단력을 생성합니다. 분말을 액체에 혼합하는 것은 페인트, 바니시, 화장품, 식품 및 음료 또는 연마 매체와 같은 다양한 제품을 배합하는 일반적인 단계입니다. 개별 입자는 van-der-Waals-force 및 액체 표면 장력을 포함한 다양한 물리적, 화학적 성질의 인력에 의해 함께 유지됩니다. 초음파는 입자를 액체 매체에 응집 해제하고 분산시키기 위해 이러한 인력을 극복합니다. 액체에서 분말의 분산 및 탈응집을 위해 고강도 초음파는 고압 균질 기, 고전단 믹서, 비드 밀 또는 로터 고정자 믹서에 대한 흥미로운 대안입니다.
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초음파 유화

화장품 및 스킨 로션, 제약 연고, 바니시, 페인트 및 윤활제 및 연료와 같은 광범위한 중간 및 소비자 제품은 에멀젼에 전적으로 또는 부분적으로 기반을두고 있습니다. 에멀젼은 둘 이상의 비혼화성 액상의 분산액이다. 고집적 초음파는 두 번째 단계 (연속 상)의 작은 물방울에 액상 (분산 상)을 분산시키기에 충분한 강렬한 전단을 공급합니다. 분산 구역에서 캐비테이션 버블을 파열하면 주변 액체에 집중적 인 충격파가 발생하고 높은 액체 속도 (높은 전단)의 액체 제트기가 형성됩니다. 초음파는 대상 에멀젼 크기에 정확하게 적응할 수 있으므로 마이크로 에멀젼 및 나노 에멀젼의 안정적인 생산을 가능하게합니다.
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초음파 습식 분쇄 및 연마

초음파는 입자의 습식 밀링 및 마이크로 분쇄를위한 효율적인 수단입니다. 특히 초미세 크기의 슬러리의 제조를 위해, 초음파는 많은 장점을 갖는다. 콜로이드 밀 (예 : 볼 밀, 비드 밀), 디스크 밀 또는 제트 밀과 같은 전통적인 크기 감소 장비보다 우수합니다. 초음파는 고농도 및 고점도 슬러리를 처리 할 수 있으므로 처리 할 부피가 줄어 듭니다. 물론, 초음파 밀링은 세라믹, 안료, 황산바륨, 탄산칼슘 또는 금속 산화물과 같은 미크론 크기 및 나노 크기 물질을 처리하는 데 적합합니다. 특히 나노 재료의 경우, 초음파는 매우 충격적인 전단력이 균일하게 작은 나노 입자를 생성하므로 성능이 뛰어납니다.
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초음파 세포 붕괴 및 용해

초음파 처리는 섬유질, 셀룰로오스 물질을 미세입자로 분해하고 세포 구조의 벽을 깰 수 있습니다. 이것은 액체로 전분 또는 설탕과 같은 세포 내 물질의 더 많은 것을 풀어 놓습니다. 이 효과는 유기물의 발효, 소화 및 기타 변환 공정에 사용될 수 있습니다. 밀링 및 분쇄 후 초음파는 전분을 설탕으로 변환하는 효소에 사용할 수 있는 전분뿐만 아니라 세포 벽 파편과 같은 세포 내 물질을 더 많이 만듭니다. 또한 액화 또는 당화 중에 효소에 노출된 표면적을 증가시다. 이것은 일반적으로 효모 발효 및 그밖 변환 프로세스의 속도 그리고 수율을 증가합니다, 예를 들면 biomass에서 에탄올 생산을 향상하기 위하여.
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식물의 초음파 추출

세포 및 세포 내 입자에 저장된 생리 활성 화합물의 추출은 고강도 초음파의 널리 사용되는 응용 프로그램입니다. 초음파 추출은 식물과 곰팡이의 세포 매트릭스에서 2 차 대사 산물 (예 : 폴리 페놀), 다당류, 단백질, 에센셜 오일 및 기타 활성 성분을 분리하는 데 사용됩니다. 유기 화합물의 물 및 용매 추출에 적합한 초음파 처리는 식물이나 씨앗에 포함 된 식물의 수율을 크게 향상시킵니다. 초음파 추출은 의약품, 기능 식품 / 영양 보충제, 향료 및 생물학적 첨가제의 생산에 사용됩니다. 초음파는 바이오 리파이너리에서 생리 활성 성분의 추출에도 사용되는 녹색 추출 기술로, 예를 들어 산업 공정에서 형성된 비 활용 부산물 스트림에서 귀중한 화합물을 방출합니다. 초음파는 실험실 및 생산 규모에서 식물 추출을위한 매우 효과적인 기술입니다.
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초음파의 Sonochemical 응용

초음파 화학은 화학 반응 및 공정에 초음파를 적용합니다. 액체에 있는 sonochemical 효력을 일으키는 기계장치는 음향 캐비테이션의 현상입니다. 화학 반응 및 공정에 대한 화학적 효과는 반응 속도 또는 출력의 증가, 보다 효율적인 에너지 사용, 위상 전달 촉매의 성능 향상, 금속 및 고체 활성화 또는 시약 또는 촉매의 반응성 증가를 포함합니다.
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바이오 디젤에 대한 오일의 초음파 트랜스 에스테르 화

초음파는 식물성 기름과 동물성 지방을 바이오 디젤로 에스테르 교환 할 때 화학 반응 속도와 수율을 증가시킵니다. 이를 통해 생산을 배치 처리에서 연속 흐름 처리로 변경할 수 있으며 투자 및 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 초음파 바이오 디젤 제조의 주요 장점 중 하나는 소비 된 식용유 및 기타 품질이 좋지 않은 오일 소스와 같은 폐유의 사용입니다. 초음파 에스테르 교환 처리는 저품질 공급 원료조차도 고품질 바이오 디젤 (지방산 메틸 에스테르 / FAME)으로 변환 할 수 있습니다. 식물성 오일 또는 동물성 지방으로부터 바이오디젤의 제조는, 상응하는 메틸 에스테르 또는 에틸 에스테르를 수득하기 위해 메탄올 또는 에탄올로 지방산의 염기-촉매화된 에스테르 교환화를 수반한다. 초음파는 99 %를 초과하는 바이오 디젤 수율을 달성 할 수 있습니다. 초음파는 처리 시간과 분리 시간을 크게 줄입니다.
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액체의 초음파 탈기 및 탈기

액체의 가스 제거는 프로브 형 초음파 발생기의 또 다른 중요한 응용 프로그램입니다. 초음파 진동과 캐비테이션은 액체에 용해 된 가스의 합체를 일으 킵니다. 미세한 기체 기포가 합쳐짐에 따라, 그들은 더 큰 기포를 형성하여 거기에서 액체의 상부 표면으로 빠르게 떠 다니며 제거 할 수 있습니다. 따라서 초음파 탈기 및 탈기는 용존 가스의 수준을 자연 평형 수준 이하로 줄일 수 있습니다.
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초음파 와이어, 케이블 및 스트립 청소

초음파 세척은 와이어 및 케이블, 테이프 또는 튜브와 같은 연속 재료의 청소를위한 환경 친화적 인 대안입니다. 강력한 초음파 캐비테이션의 효과는 재료 표면에서 오일 또는 그리스, 비누, 스테아린산 염 또는 먼지와 같은 윤활 잔류 물을 제거합니다. Hielscher 초음파는 연속 프로파일의 인라인 청소를위한 다양한 초음파 시스템을 제공합니다.
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초음파 처리를 우수한 처리 방법으로 만드는 이유는 무엇입니까?

초음파 처리 또는 액체를 교반하기 위해 고주파 음파를 사용하는 것은 다양한 이유로 효율적인 처리 방법입니다. 약 20kHz의 고강도 및 저주파에서 초음파 처리가 액체 및 슬러리의 처리에 특히 영향을 미치고 유리한 몇 가지 이유가 있습니다.

1. 공동 현상: 초음파 처리의 주요 메커니즘 중 하나는 작은 거품의 생성과 붕괴, 캐비테이션 (cavitation)이라고 불리는 현상입니다. 20kHz에서 음파는 기포를 효율적으로 생성 및 축소하기에 적합한 주파수입니다. 이러한 기포의 붕괴는 고에너지 충격파를 생성하여 입자를 분해하고 초음파 처리되는 액체의 세포를 방해할 수 있습니다.
2. 진동 및 진동 : 생성된 음향 캐비테이션 외에도 초음파 프로브의 진동은 액체에 추가적인 교반 및 혼합을 생성하여 질량 전달 및/또는 탈기를 촉진합니다.
3. 침투: 20kHz의 음파는 파장이 비교적 길기 때문에 액체 깊숙이 침투할 수 있습니다. 초음파 캐비테이션은 초음파 프로브 주변에 나타나는 국소화 현상입니다. 프로브까지의 거리가 멀어질수록 캐비테이션 강도가 감소합니다. 그러나 20kHz에서의 초음파 처리는 파장이 짧고 침투 깊이가 더 제한적일 수 있는 고주파 초음파 처리에 비해 더 많은 양의 액체를 효율적으로 처리할 수 있습니다.
4. 낮은 에너지 소비: 초음파 처리는 고압 균질화 또는 기계적 교반과 같은 다른 처리 방법에 비해 상대적으로 낮은 에너지 소비로 달성 될 수 있습니다. 따라서 액체를 처리하기 위한 보다 에너지 효율적이고 비용 효율적인 방법이 됩니다.
5. 선형 확장성: 초음파 공정은 더 크거나 작은 부피로 완전히 선형으로 확장 될 수 있습니다. 이를 통해 제품 품질이 지속적으로 안정적으로 유지될 수 있으므로 생산 공정 적응을 신뢰할 수 있습니다.
6. 배치 및 인라인 흐름: 초음파는 배치 또는 연속 인라인 공정으로 수행 될 수 있습니다. 배치의 초음파 처리를 위해, 초음파 프로브는 열린 용기 또는 닫힌 배치 반응기에 삽입됩니다. 연속 흐름 흐름의 초음파 처리를 위해 초음파 흐름 셀이 설치됩니다. 액체 매체는 단일 패스 또는 재순환으로 sonotrode (초음파 진동 막대)를 통과하며 초음파에 노출되는 매우 균일하고 효율적입니다.

전반적으로, 캐비테이션의 강렬한 힘, 낮은 에너지 소비 및 공정 확장 성은 저주파, 고출력 초음파 처리를 액체 처리를위한 효율적인 방법으로 만듭니다.

초음파 처리의 작동 원리 및 사용

초음파는 대규모 생산을 위해 수많은 산업에서 채택 된 상업용 가공 기술입니다. 높은 신뢰성과 확장성뿐만 아니라 낮은 유지 보수 비용과 높은 에너지 효율로 인해 초음파 프로세서는 전통적인 액체 처리 장비에 대한 좋은 대안이됩니다. 초음파는 추가적인 흥미로운 기회를 제공합니다 : 캐비테이션 - 기본 초음파 효과 - 생물학적, 화학적 및 물리적 과정에서 독특한 결과를 생성합니다. 예를 들어, 초음파 분산 및 유화는 쉽게 안정적인 나노 크기의 제형을 생산합니다. 또한 식물 추출 분야에서 초음파는 생리 활성 화합물을 분리하는 비 열 기술입니다.

저강도 또는 고주파 초음파가 주로 분석, 비파괴 테스트 및 이미징에 사용되지만 고강도 초음파는 액체 및 페이스트 처리에 사용되며 강렬한 초음파는 혼합, 유화, 분산 및 응집 제거, 세포 붕해 또는 효소 비활성화에 사용됩니다. 액체를 고강도로 초음파 처리 할 때 음파가 액체 매체를 통해 전파됩니다. 이로 인해 고압 (압축) 및 저압 (희소) 사이클이 번갈아 가며 주파수에 따라 속도가 달라집니다. 저압주기 동안 고강도 초음파는 액체에 작은 진공 기포 또는 공극을 만듭니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수 할 수없는 부피에 도달하면 고압주기 동안 격렬하게 붕괴됩니다. 이 현상을 캐비테이션이라고합니다. 내파 중에는 매우 높은 온도 (약 5,000K)와 압력 (약 2,000atm)이 국부적으로 도달합니다. 캐비테이션 버블의 내파는 또한 초당 최대 280 미터 속도의 액체 제트기를 초래합니다.

액체의 초음파 캐비테이션은 빠르고 완전한 가스 제거를 일으킬 수 있습니다. 자유 화학 이온 (라디칼)을 생성하여 다양한 화학 반응을 개시; 반응물의 혼합을 촉진하여 화학 반응을 가속화; 응집체를 분산시키거나 중합체 사슬에서 화학 결합을 영구적으로 깨뜨림으로써 중합 및 탈중합 반응을 강화한다; 유화 속도 증가; 확산 속도 향상; 미크론 크기 또는 나노 크기 물질의 고농축 에멀젼 또는 균일 한 분산액을 생산합니다. 동물, 식물, 효모 또는 박테리아 세포에서 효소와 같은 물질의 추출을 돕는다. 감염된 조직에서 바이러스를 제거; 마지막으로, 미생물을 포함한 감수성 입자를 침식하고 분해합니다. (Kuldiloke 2002 참조)

고강도 초음파는 저점도 액체에서 격렬한 교반을 일으켜 액체에 물질을 분산시키는 데 사용할 수 있습니다. (앙스밍거, 1988년 참조) 액체/고체 또는 가스/고체 계면에서, 캐비테이션 버블의 비대칭 내파는 확산 경계층을 감소시키고, 대류 질량 전달을 증가시키며, 일반적인 혼합이 불가능한 시스템에서 확산을 상당히 가속화하는 극한의 난기류를 일으킬 수 있다. (니보르그, 1965년 참조)

문학

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• 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.
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