액체 내 초음파 캐비테이션

초음파 캐비테이션은 고강도 초음파 액체 처리의 원동력입니다. 강력한 초음파가 액체에 전달되면 미세한 증기 기포가 형성되고 성장한 후 격렬하게 붕괴합니다. 이러한 음향 캐비테이션은 강한 국소 전단력, 마이크로제트, 충격파, 압력 변화 및 미세 혼합 효과를 발생시켜 균질화, 분산, 유화, 추출, 탈기, 세포 파쇄 및 초음파 화학 반응을 촉진할 수 있습니다.

Hielscher 프로브형 초음파 처리기는 제어된 음향 캐비테이션을 이용하여 액체, 현탁액 및 슬러리에 초음파 에너지를 직접 전달합니다. 소량의 실험실 시료부터 연속 산업용 유통식 생산에 이르기까지, Hielscher 시스템은 재현성 있는 캐비테이션 결과를 얻을 수 있도록 진폭, 소노트로드 형상, 압력, 온도, 유량 및 체류 시간을 조정할 수 있게 합니다.

• 실험실용: 소량의 시료에서 초음파 처리 매개변수를 개발하고 최적화합니다.
• 파일럿 플랜트용: 실제적인 처리 조건에서 캐비테이션을 이용한 공정을 검증합니다.
• 생산용: 초음파 캐비테이션을 배치, 재순환 또는 연속 인라인 공정으로 확장합니다.

초음파 캐비테이션의 작동 원리

액체를 고강도로 초음파 처리하면 액체 매질로 전파되는 음파에 의해 고압(압축) 주기와 저압(희박) 주기가 번갈아 발생하며, 그 반복 속도는 주파수에 따라 달라집니다. 저압 주기 동안 고강도 초음파는 액체 내에 작은 진공 기포 또는 공동을 형성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 부피에 도달하면 고압 주기 동안 격렬하게 붕괴합니다. 이 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 내파 중에는 국소적으로 매우 높은 온도(약 5,000K)와 압력(약 2,000atm)에 도달합니다. 캐비테이션 기포의 내파는 또한 최대 280m/s 속도의 액체 제트를 발생시킵니다.

음향 캐비테이션(고출력 초음파로 발생)은 국소적으로 극한 조건, 즉 초음파 기계적 효과와 초음파 화학적 효과를 만들어 냅니다. 이러한 효과로 인해 초음파 처리는 화학 반응을 촉진하여 더 높은 수율, 더 빠른 반응 속도, 새로운 반응 경로 및 향상된 전반적 효율을 가져옵니다.

초음파 처리기와 음향 캐비테이션의 주요 응용 분야

초음파 프로브라고도 하는 프로브형 초음파 처리기는 액체에서 강력한 음향 캐비테이션을 효율적으로 발생시킵니다. 따라서 여러 산업의 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 프로브형 초음파 처리기로 발생시킨 음향 캐비테이션의 가장 중요한 응용 분야 중 일부는 다음과 같습니다:
 

1. 균질화: 초음파 프로브는 진동과 전단력의 에너지 밀도가 높은 장을 특징으로 하는 강력한 캐비테이션을 발생시킬 수 있습니다. 이러한 힘은 우수한 혼합, 배합 및 입자 크기 감소 효과를 제공합니다. 초음파 균질화는 균일하게 혼합된 현탁액을 생성합니다. 따라서 초음파 처리는 분포 곡선의 폭이 좁은 균질한 콜로이드 현탁액을 생성하는 데 사용됩니다.
2. 나노입자 분산: 초음파 처리기는 나노입자의 분산, 응집 해체 및 습식 분쇄에 사용됩니다. 저주파 초음파는 응집체를 해체하고 입자 크기를 줄이는 강력한 캐비테이션을 발생시킬 수 있습니다. 특히 액체 제트의 높은 전단은 액체 내 입자를 가속하며, 이 입자들이 서로 충돌하여(입자 간 충돌) 결과적으로 파쇄되고 침식됩니다. 그 결과 입자가 균일하고 안정적으로 분포하여 침강이 방지됩니다. 이는 나노기술, 재료 과학 및 제약을 비롯한 다양한 분야에서 매우 중요합니다.
3. 유화 및 혼합: 프로브형 초음파 처리기는 에멀전을 생성하고 액체를 혼합하는 데 사용됩니다. 초음파 에너지는 미세한 기포가 형성되고 붕괴하는 현상인 캐비테이션을 일으키며, 이로 인해 강력한 국소 전단력이 발생합니다. 이 과정은 서로 섞이지 않는 액체의 유화를 도와 안정적이고 미세하게 분산된 에멀전을 생성합니다.
4. 추출: 캐비테이션에 의한 전단력 덕분에 초음파 처리기는 세포 구조를 파쇄하고 고체와 액체 사이의 물질 전달을 개선하는 데 매우 효율적입니다. 따라서 초음파 추출은 고품질 식물 추출물을 생산하기 위해 생리활성 화합물과 같은 세포 내 물질을 방출시키는 데 널리 사용됩니다.
5. 탈기 및 탈포: 프로브형 초음파 처리기는 액체에서 기포 또는 용존 기체를 제거하는 데 사용됩니다. 초음파 캐비테이션을 적용하면 기포의 합체가 촉진되어 기포가 커지고 액체 표면으로 떠오릅니다. 초음파 캐비테이션은 탈기를 빠르고 효율적인 절차로 만듭니다. 이는 기체의 존재가 제품의 품질과 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 도료, 유압유 또는 식음료 가공과 같은 다양한 산업에서 유용합니다.
6. 초음파 촉매 작용: 초음파 프로브는 음향 캐비테이션과 촉매를 결합하여 화학 반응을 촉진하는 공정인 초음파 촉매 작용에 사용할 수 있습니다. 초음파에 의해 생성되는 캐비테이션은 물질 전달을 개선하고 반응 속도를 높이며 자유 라디칼 생성을 촉진하여 더 효율적이고 선택적인 화학적 전환을 유도합니다.
7. 시료 준비: 프로브형 초음파 처리기는 실험실에서 시료 준비에 흔히 사용됩니다. 세포, 조직, 바이러스와 같은 생물학적 시료의 균질화, 응집 해체 및 추출에 사용됩니다. 프로브에서 발생하는 초음파 에너지는 세포막을 파쇄하여 세포 내용물을 방출하고 후속 분석을 용이하게 합니다.
8. 파쇄 및 세포 파쇄: 프로브형 초음파 처리기는 세포 내 성분 추출, 미생물 불활성화, 분석용 시료 준비 등 다양한 목적으로 세포와 조직을 파쇄하는 데 사용됩니다. 고강도 초음파와 이에 의해 생성되는 캐비테이션은 기계적 응력과 전단력을 발생시켜 세포 구조를 파쇄합니다. 생물학 연구와 의료 진단에서는 세포를 파괴하여 세포 내 성분을 방출하는 과정인 세포 용해에 프로브형 초음파 처리기를 사용합니다. 초음파 에너지는 세포벽, 세포막 및 세포 소기관을 파쇄하여 단백질, DNA, RNA 및 기타 세포 구성 성분을 추출할 수 있게 합니다.

 
이는 프로브형 초음파 처리기의 주요 응용 분야 중 일부이며, 이 기술은 제약, 식품 가공, 생명공학, 환경과학 등 다양한 산업에서 초음파 화학, 입자 크기 감소(습식 분쇄), 상향식 입자 합성, 화학 물질 및 소재의 초음파 합성 등 훨씬 더 폭넓은 용도로 사용됩니다.

물속에서 흑연 박편이 초음파의 기계적 작용으로 박리되는 과정을 보여 주는 고속 연속 프레임(a부터 f까지)으로, 3-mm 소노트로드를 장착한 200W 초음파 처리기 UP200S를 사용했습니다. 화살표는 입자가 갈라지는 위치를 나타내며, 캐비테이션 기포가 그 틈으로 침투합니다.
© Tyurnina et al. 2020

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다:

액체 내 음향 캐비테이션 동영상

다음 동영상은 물로 채운 유리 컬럼 안에서 초음파 처리기 UIP1000hdT의 cascatrode에서 발생하는 음향 캐비테이션을 보여 줍니다. 캐비테이션 기포를 더 잘 볼 수 있도록 유리 컬럼 아래에서 붉은빛을 비춥니다.