액체의 초음파 캐비테이션
초음파 캐비테이션은 고강도 초음파 액체 처리의 원동력입니다. 강력한 초음파가 액체에 전달되면 미세한 기포가 형성되고 성장하다가 격렬하게 붕괴됩니다. 이러한 음향 캐비테이션은 국부적으로 강력한 전단력, 미세 제트, 충격파, 압력 변화 및 미세 혼합 효과를 발생시켜 균질화, 분산, 유화, 추출, 탈기, 세포 파괴 및 초음파 화학 반응을 가속화할 수 있습니다.
Hielscher의 프로브형 초음파 처리기는 제어된 음향 캐비테이션을 이용하여 초음파 에너지를 액체, 현탁액 및 슬러리 내에 직접 전달합니다. 소규모 실험실 시료부터 연속적인 산업용 유동식 생산에 이르기까지, Hielscher 시스템을 사용하면 진폭, 소노트로드 형상, 압력, 온도, 유량 및 체류 시간을 조절하여 재현성 높은 캐비테이션 결과를 얻을 수 있습니다.
- 연구실을 위한: 소량의 시료에서 초음파 처리 조건을 개발하고 최적화한다.
- 시범 공장의 경우: 실제 가공 조건에서 캐비테이션 기반 공정을 검증한다.
- 제작용: 초음파 캐비테이션 공정을 배치식, 재순환식 또는 연속 인라인 공정으로 적용합니다.
처리할 액체의 종류, 배치 용량 또는 유량, 점도, 고형분 함량, 온도 범위 및 목표 공정 결과를 알려주십시오. 귀하의 캐비테이션 용도에 가장 적합한 초음파 처리기, 소노트로드 및 유동 셀 구성을 추천해 드리겠습니다.
UP400St와 같은 프로브형 초음파 분쇄기 Acoustic Cavitation의 작동 원리를 사용하십시오.
초음파 캐비테이션의 작동 원리
높은 강도로 액체를 초음파 처리 할 때 액체 매체로 전파되는 음파는 주파수에 따라 고압 (압축) 및 저압 (희박) 사이클을 번갈아 가며 속도를 높입니다. 저압 사이클 동안 고강도 초음파는 액체에 작은 진공 기포 또는 공극을 생성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 부피에 도달하면 고압 사이클 동안 격렬하게 붕괴됩니다. 이 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 내파 중에는 국부적으로 매우 높은 온도(약 5,000K)와 압력(약 2,000atm)에 도달합니다. 캐비테이션 버블의 내파는 또한 최대 280m/s 속도의 액체 제트를 초래합니다.
음향 캐비테이션 (파워 초음파에 의해 생성됨)은 소위 초음파 역학 및 초음파 화학 효과라고 불리는 국부적으로 극한 조건을 생성합니다. 이러한 효과로 인해 초음파 처리는 화학 반응을 촉진하여 더 높은 수율, 더 빠른 반응 속도, 새로운 경로 및 전반적인 효율성 향상으로 이어집니다.
프로브 초음파 처리기 또는 초음파 세척조: 어떤 캐비테이션 방식이 적합할까?
프로브형 초음파 처리기와 초음파 세척기는 모두 음향 캐비테이션을 발생시키지만, 강도, 제어 및 공정 신뢰성 면에서 상당한 차이가 있습니다. 초음파 세척기는 세척 용도로 유용하지만, 프로브형 초음파 처리는 초음파 에너지를 액체에 직접 전달하여 훨씬 더 강력하고 집중된 캐비테이션 영역을 생성합니다. 이로 인해 프로브형 초음파 처리는 균질화, 유화, 추출, 세포 파쇄, 나노입자 분산 및 초음파 화학 반응과 같은 재현성이 요구되는 액체 처리 응용 분야에서 선호되는 선택입니다.
| 비교 기준 | 프로브 초음파 발생기 | 초음파 목욕 |
|---|---|---|
| 캐비테이션 강도 | 소노트로드 끝부분에서 직접 고강도 음향 캐비테이션을 발생시킵니다. | 욕조 전체에 걸쳐 분산된, 강도가 약한 캐비테이션을 발생시킵니다. |
| 에너지 전달 | 초음파 에너지를 액체, 현탁액 또는 슬러리에 직접 전달합니다. | 욕조 물과 용기 벽을 통해 간접적으로 에너지를 전달합니다. |
| 공정 제어 | 진폭, 입력 전력, 펄스 모드, 온도 및 처리 시간을 정밀하게 조절할 수 있습니다. | 시료에 도달하는 실제 초음파 에너지에 대한 제어 능력이 제한적입니다. |
| 재현성 | 공정 매개변수를 정의하고 모니터링할 경우 재현 가능한 초음파 처리 결과를 제공합니다. | 기포 발생의 불균일한 분포, 용기의 위치, 용기 재질, 충전량 및 욕조 내 적재량에 따라 결과가 달라질 수 있습니다. |
| 처리 효율 | 균질화, 분산, 유화, 추출, 세포 파쇄 및 초음파 화학에 매우 효과적입니다. | 주로 청소용으로 적합합니다. |
| 시료 부피 | 소량의 실험실 시료는 물론, 파일럿 및 산업용 규모까지 공급 가능합니다. | 일반적으로 욕조 안에 놓는 소형 용기나 여러 개의 용기에 사용됩니다. |
| 스케일 업 | 실험실 테스트 단계에서 시범 시험 및 지속적인 산업용 인라인 공정으로 확장할 수 있습니다. | 에너지 분포와 캐비테이션 강도는 쉽게 전이되지 않기 때문에 안정적으로 규모를 확장하기 어렵다. |
| 적합한 매체 | 액체, 유화액, 현탁액, 슬러리 및 고형분 함량이 높은 제형에 효과적입니다. | 점도가 낮은 액체 및 간단한 세척이나 탈기 작업에 가장 적합합니다. |
| 일반적인 애플리케이션 | 나노입자 분산, 나노에멀션, 추출, 세포 용해, 균질화, 응집 해체, 습식 분쇄 및 초음파 화학 반응. | 유리 기구 세척, 액체의 탈기, 분말 용해 및 시료의 가벼운 교반. |
| 최고의 선택 | 정밀하고 강력하며 재현성이 뛰어난 초음파 액체 처리. | 간단한 세척 또는 저강도 초음파 처리. |
초음파 분산기 및 음향 캐비테이션의 주요 응용 분야
초음파 프로브라고도하는 프로브 형 초음파기는 액체에서 강렬한 음향 캐비테이션을 효율적으로 생성합니다. 따라서 다양한 산업 분야의 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 프로브 형 초음파기에 의해 생성 된 음향 캐비테이션의 가장 중요한 응용 분야 중 일부는 다음과 같습니다.
- 균질: 초음파 프로브는 진동 및 전단력의 에너지 밀도가 높은 필드를 특징으로 하는 강렬한 캐비테이션을 생성할 수 있습니다. 이러한 힘은 탁월한 혼합, 혼합 및 입자 크기 감소를 제공합니다. 초음파 균질화는 균일하게 혼합 된 현탁액을 생성합니다. 따라서, 초음파 처리는 좁은 분포 곡선을 가진 균질 한 콜로이드 현탁액을 생성하는 데 사용됩니다.
- 나노 입자 분산: 초음파 발생기는 나노 입자의 분산, 응집 제거 및 습식 밀링에 사용됩니다. 저주파 초음파는 강력한 캐비테이션을 생성하여 응집체를 분해하고 입자 크기를 줄일 수 있습니다. 특히 액체 제트의 높은 전단은 액체 내의 입자를 가속하여 서로 충돌(미립자 충돌)하여 입자가 결과적으로 파손되고 침식됩니다. 그 결과 입자가 균일하고 안정적으로 분포되어 침전을 방지합니다. 이는 나노 기술, 재료 과학 및 제약을 포함한 다양한 분야에서 매우 중요합니다.
- 유화 작용과 섞기: 프로브 형 초음파는 에멀젼을 만들고 액체를 혼합하는 데 사용됩니다. 초음파 에너지는 캐비테이션, 미세한 기포의 형성 및 붕괴를 일으켜 강렬한 국부 전단력을 생성합니다. 이 공정은 혼합되지 않는 액체를 유화하는 데 도움이 되어 안정적이고 미세하게 분산된 에멀젼을 생성합니다.
- 추출: 캐비테이션 전단력으로 인해 초음파기는 세포 구조를 파괴하고 고체와 액체 사이의 질량 전달을 개선하는 데 매우 효율적입니다. 따라서 초음파 추출은 고품질 식물 추출물 생산을 위해 생체 활성 화합물과 같은 세포 내 물질을 방출하는 데 널리 사용됩니다.
- 탈기 및 탈기: 프로브 형 초음파기는 액체에서 가스 거품 또는 용해 된 가스를 제거하는 데 사용됩니다. 초음파 캐비테이션의 적용은 가스 기포의 유착을 촉진하여 기포가 자라서 액체 상단으로 떠오릅니다. 초음파 캐비테이션은 탈기화를 빠르고 효율적인 절차로 만듭니다. 이는 페인트, 유압 유체 또는 식품 및 음료 가공과 같은 다양한 산업에서 유용하며, 가스의 존재는 제품 품질과 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
- Sonocatalysis: 초음파 프로브는 화학 반응을 향상시키기 위해 음향 캐비테이션과 촉매를 결합하는 과정인 초음파 촉매 작용에 사용할 수 있습니다. 초음파에 의해 생성된 캐비테이션은 질량 전달을 개선하고 반응 속도를 높이며 자유 라디칼의 생성을 촉진하여 보다 효율적이고 선택적인 화학적 변형을 유도합니다.
- 시료 전처리: 프로브 형 초음파는 일반적으로 샘플 준비를 위해 실험실에서 사용됩니다. 그들은 세포, 조직 및 바이러스와 같은 생물학적 샘플을 균질화, 분해 및 추출하는 데 사용됩니다. 프로브에 의해 생성된 초음파 에너지는 세포막을 파괴하여 세포 내용물을 방출하고 추가 분석을 용이하게 합니다.
- 붕괴 및 세포 붕괴: 프로브 형 초음파기는 세포 내 구성 요소의 추출, 미생물 비활성화 또는 분석을위한 샘플 준비와 같은 다양한 목적으로 세포와 조직을 분해하고 파괴하는 데 사용됩니다. 고강도 초음파와 그로 인해 생성된 캐비테이션은 기계적 응력과 전단력을 유발하여 세포 구조의 붕괴를 초래합니다. 생물학 연구 및 의료 진단에서 프로브 형 초음파기는 세포 용해 (세포 내 구성 요소를 방출하기 위해 열린 세포를 부수는 과정)에 사용됩니다. 초음파 에너지는 세포벽, 막 및 세포 기관을 파괴하여 단백질, DNA, RNA 및 기타 세포 구성 요소를 추출할 수 있습니다.
이들은 프로브 형 초음파의 주요 응용 분야 중 일부이지만이 기술은 초음파 화학, 입자 크기 감소 (습식 밀링), 상향식 입자 합성 및 제약, 식품 가공, 생명 공학 및 환경 과학과 같은 다양한 산업 분야에서 화학 물질 및 재료의 초음파 합성을 포함한 훨씬 더 광범위한 다른 용도를 가지고 있습니다.
물에서 흑연 플레이크의 음파 기계적 박리를 보여주는 프레임의 고속 시퀀스(a에서 f까지) UP200S를 사용하여 200mm sonotrode가있는 3W 초음파기. 화살표는 캐비테이션 기포가 분할을 관통하는 입자의 위치를 보여줍니다.
© Tyurnina 외. 2020
초음파 캐비테이션의 장점을 활용하세요!
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
액체의 Acoustic Cavitation 비디오
다음 비디오는 물이 채워진 유리 기둥에서 초음파 장치 UIP1000hdT의 캐스 캐스로드에서 음향 캐비테이션을 보여줍니다. 유리 기둥은 캐비테이션 기포의 시각화를 개선하기 위해 바닥에서 빨간색 조명으로 비춰집니다.
Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모에서 혼합 응용 분야, 분산, 유화 및 추출을위한 고성능 초음파 균질화기를 제조합니다.
자주 묻는 질문
초음파 캐비테이션이란 무엇입니까?
초음파 캐비테이션이란 고강도 초음파에 노출된 액체 내에서 미세 기포가 형성되고 성장한 후 격렬하게 붕괴되는 현상을 말합니다. 이러한 기포의 붕괴는 국부적인 강렬한 전단력, 액체 미세 분사, 충격파, 높은 압력 구배 및 강력한 미세 혼합 효과를 유발합니다.
초음파 캐비테이션과 음향 캐비테이션의 차이점은 무엇인가요?
음향 캐비테이션은 음파에 의해 발생하는 캐비테이션을 총칭하는 용어입니다. 초음파 캐비테이션은 일반적으로 가청 주파수 범위 이상의 초음파 주파수에 의해 생성되는 음향 캐비테이션을 말합니다. 산업용 액체 처리 분야에서는 고출력 초음파 발생기에 의해 발생하는 캐비테이션을 지칭할 때 두 용어가 모두 흔히 사용됩니다.
초음파 캐비테이션은 액체 처리에 어떤 이점을 주는가?
초음파 캐비테이션은 액체 내부에서 강력한 기계적 및 화학적 효과를 유발하여 액체 처리 과정을 개선합니다. 이러한 기계적 효과는 혼합, 균질화, 유화, 입자 응집 해체, 습식 분쇄, 추출 및 세포 파괴를 돕습니다. 반응성 시스템에서 캐비테이션은 또한 초음파 화학적 효과를 촉진하고 물질 전달을 개선할 수 있습니다.
어떤 응용 분야에서 초음파 캐비테이션을 사용하나요?
초음파 캐비테이션은 균질화, 분산, 유화, 나노유화, 추출, 탈기, 응집 해체, 입자 크기 감소, 세포 용해, 미생물 파괴, 초음파 화학, 초음파 촉매 반응 및 첨단 액상 반응에 활용됩니다.
왜 프로브형 초음파 발생기가 캐비테이션에 효과적인가?
프로브형 초음파 발생기는 소노트로드를 통해 액체 내부로 초음파 에너지를 직접 전달합니다. 이러한 직접적인 에너지 전달로 인해 프로브 표면 근처에 강력한 캐비테이션 영역이 형성되며, 진폭, 입력 전력, 온도, 압력 및 처리 시간과 같은 주요 공정 매개변수를 정밀하게 조절할 수 있습니다.
초음파 세척기는 강한 캐비테이션에 적합한가요?
초음파 세척기는 캐비테이션을 일으키지만, 에너지 밀도는 일반적으로 프로브형 초음파 처리기에 비해 훨씬 낮고 집중도가 떨어집니다. 세척기는 세척 및 온화한 처리에 유용하며, 반면 프로브형 초음파 처리기는 재현성 있는 균질화, 추출, 유화, 분산, 세포 파쇄 및 산업용 액체 가공에 더 적합합니다.
프로브형 초음파 처리기와 초음파 세척기의 차이점을 글과 영상을 통해 확인해 보세요!
초음파 캐비테이션 강도에 영향을 미치는 요인은 무엇인가요?
주요 파라미터로는 진폭, 초음파 출력, 소노트로드 표면적, 액체 부피, 점도, 고형분 함량, 압력, 온도, 용기 형상, 유동 셀 형상, 유량 및 체류 시간이 있습니다. 이러한 파라미터를 조정함으로써 캐비테이션 강도를 공정 목표에 맞게 조절할 수 있습니다.
초음파 캐비테이션 기술을 실험실 단계에서 양산 단계로 확대 적용할 수 있을까?
네. 초음파 캐비테이션 공정은 진폭, 에너지 입력량, 소노트로드 형상, 유량 및 체류 시간을 조절함으로써 실험실 규모에서 개발된 후 파일럿 또는 산업 규모로 확장될 수 있습니다. Hielscher는 실험실 테스트, 파일럿 시험 및 연속적인 산업 생산을 위한 초음파 처리기와 반응기를 제공합니다.
문헌 / 참고문헌
- 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.
