Ultraschall Kavitatioun a Flëssegkeeten

Ultraschallwellen vun héijer Intensitéit Ultraschall generéieren akustesch Kavitatioun a Flëssegkeeten. Kavitatioun verursaacht extrem Auswierkunge lokal, wéi Flëssegstrahlen vu bis zu 1000 km/h, Drock vu bis zu 2000 atm an Temperaturen vu bis zu 5000 Kelvin. Dës ultraschall generéiert Kräfte gi fir vill Flëssegkeetsveraarbechtungsapplikatioune benotzt wéi Homogeniséierung, Dispergéierung, Emulsifikatioun, Extraktioun, Zellstéierung, souwéi d'Intensivéierung vu chemesche Reaktiounen.

Den Aarbechtsprinzip vun der Ultraschallkavitatioun

Wann d'Sonicatioun vu Flëssegkeeten mat héijer Intensitéit, d'Schallwellen, déi sech an d'flësseg Medien propagéieren, resultéieren an alternéierend Héichdrock (Kompressioun) a Low-Drock (Rarefaction) Zyklen, mat Tariffer ofhängeg vun der Frequenz. Wärend dem nidderegen Drockzyklus kreéieren Héichintensitéit Ultraschallwellen kleng Vakuumblasen oder Void an der Flëssegkeet. Wann d'Blasen e Volumen erreechen, bei deem se keng Energie méi absorbéiere kënnen, kollapsen se während engem Héichdrockzyklus hefteg. Dëst Phänomen gëtt Kavitatioun genannt. Bei der Implosioun ginn lokal ganz héich Temperaturen (ongeféier 5.000K) an Drock (ongeféier 2.000atm) erreecht. D'Implosioun vun der Kavitatiounsblase resultéiert och zu Flëssegstrale vu bis zu 280m/s Geschwindegkeet.

Akustesch Kavitatioun (generéiert duerch Kraaft-Ultraschall) schaaft lokal extrem Konditiounen, sougenannte sonomechanisch a sonochemesch Effekter. Wéinst dësen Effekter fördert d'Sonicatioun chemesch Reaktiounen, déi zu méi héije Rendementer féieren, méi séier Reaktiounsgeschwindegkeet, nei Weeër a verbessert Gesamteffizienz.

Schlëssel Uwendungen vun Ultraschaller mat akustescher Kavitatioun

Sonde-Typ Ultraschaller, och bekannt als Ultraschallsonden, generéieren effizient intensiv akustesch Kavitatioun a Flëssegkeeten. Dofir gi se vill a verschiddenen Uwendungen a verschiddenen Industrien benotzt. E puer vun de wichtegsten Uwendungen vun akustescher Kavitatioun generéiert vu Sonde-Typ Ultraschaller enthalen:
 

1. Homogeniséierung: Ultrasonic Sonden kënnen eng intensiv Kavitatioun generéieren, déi sech als en energiedicht Feld vu Schwéngung a Schéierkraaft charakteriséiert. Dës Kräfte bidden exzellent Vermëschung, Vermëschung a Partikelgréisstreduktioun. Ultraschall Homogeniséierung produzéiert eenheetlech gemëschte Suspensiounen. Dofir gëtt Sonikatioun benotzt fir homogen kolloidal Suspension mat schmuele Verdeelungskurven ze produzéieren.
2. Nanopartikel Dispersioun: Ultraschaller gi fir d'Dispersioun, d'Deagglomeratioun an d'naass Milling vun Nanopartikel benotzt. Niddereg-Frequenz Ultraschallwellen kënnen Impakt Kavitatioun generéieren, déi Agglomeraten ofbriechen an d'Partikelgréisst reduzéiert. Besonnesch déi héich Schéier vun de Flëssegstrahlen beschleunegt Partikelen an der Flëssegkeet, déi matenee kollidéieren (interpartikuléiert Kollisioun), sou datt d'Partikelen doduerch briechen an erodéieren. Dëst resultéiert an enger eenheetlecher a stabiler Verdeelung vu Partikelen déi Sedimentatioun verhënnert. Dëst ass entscheedend a verschiddene Beräicher, dorënner Nanotechnologie, Materialwëssenschaft, a Pharmazeutik.
3. Emulsifikatioun a Mëschung: Sonde-Typ Ultraschaller gi benotzt fir Emulsiounen ze kreéieren a Flëssegkeeten ze vermëschen. D'Ultraschallenergie verursaacht Kavitatioun, d'Bildung an d'Zesummebroch vu mikroskopesche Blasen, déi intensiv lokal Schéierkraaft generéiert. Dëse Prozess hëlleft bei der Emulgéierung vun onmengbare Flëssegkeeten, fir stabil a fein dispergéiert Emulsiounen ze produzéieren.
4. Extraktioun: Wéinst kavitational Schéier Kräften, Ultrasonicators sinn héich efficace an Zell Strukturen ze Stéierungen an Mass Transfert tëscht Feststoff a Flëssegkeet verbesseren. Dofir gëtt d'Ultraschallextraktioun wäit benotzt fir intrazellulär Material wéi bioaktive Verbindungen fir d'Produktioun vu qualitativ héichwäerteg botaneschen Extrakten ze befreien.
5. Entgasung an Entlaaschtung: Sonde-Typ Ultraschaller gi benotzt fir Gasblasen oder opgeléiste Gase vu Flëssegkeeten ze entfernen. D'Uwendung vun der Ultraschallkavitatioun fördert d'Koaleszenz vu Gasblasen, sou datt se wuessen a schwiewen op d'Spëtzt vun der Flëssegkeet. Ultraschall Kavitatioun mécht d'Entgasung eng séier an effizient Prozedur. Dëst ass wäertvoll a verschiddenen Industrien, sou wéi an Faarwen, hydraulesch Flëssegkeeten, oder Liewensmëttel a Gedrénks Veraarbechtung, wou d'Präsenz vu Gase negativ Auswierkungen op Produktqualitéit a Stabilitéit kann.
6. Sonokatalyse: Ultrasonic Sonden kënne fir Sonokatalyse benotzt ginn, e Prozess deen akustesch Kavitatioun mat Katalysatoren kombinéiert fir chemesch Reaktiounen ze verbesseren. D'Kavitatioun, déi duerch Ultraschallwellen generéiert gëtt, verbessert d'Masstransfer, erhéicht d'Reaktiounsraten a fördert d'Produktioun vu fräie Radikale, wat zu méi effizient a selektiv chemesch Transformatiounen féiert.
7. Probe Virbereedung: Probe-Typ Ultraschaller ginn allgemeng an Laboratoiren fir Probepräparatioun benotzt. Si gi benotzt fir biologesch Proben, wéi Zellen, Stoffer a Viren ze homogeniséieren, ze disaggregeren an ze extrahieren. D'Ultraschallenergie generéiert vun der Sonde stéiert d'Zellmembranen, befreit cellulär Inhalter a erliichtert weider Analyse.
8. Zerfall an Zell Stéierungen: Probe-Typ Ultraschaller ginn benotzt fir Zellen a Stoffer fir verschidden Zwecker ze zerstéieren an ze stéieren, sou wéi Extraktioun vun intrazelluläre Komponenten, mikrobieller Inaktivéierung oder Probepräparatioun fir Analyse. Déi héich Intensitéit Ultraschallwellen an déi doduerch generéiert Kavitatioun verursaachen mechanesch Stress a Schéierkraaft, wat zu der Zersetzung vun Zellstrukturen resultéiert. An der biologescher Fuerschung an der medizinescher Diagnostik, Sonde-Typ Ultraschaller gi fir Zelllysis benotzt, de Prozess fir oppen Zellen ze briechen fir hir intrazellulär Komponenten ze befreien. Ultraschallenergie stéiert Zellmaueren, Membranen an Organellen, wat d'Extraktioun vu Proteinen, DNA, RNA an aner cellulär Bestanddeeler erméiglecht.

 
Dëst sinn e puer vun de Schlësselapplikatioune vun Sonde-Typ Ultraschaller, awer d'Technologie huet eng nach méi breet Palette vun anere Gebrauch, dorënner Sonochemie, Partikelgréisst Reduktioun (naass Milling), Bottom-up Partikelsynthese, a Sono-Synthese vu chemesche Substanzen a Materialien a verschiddenen Industrien wéi Pharmazeutik, Liewensmëttelveraarbechtung, Biotechnologie an Ëmweltwëssenschaften.

Eng Héichgeschwindeg Sequenz (vun a bis f) vu Frames, déi sono-mechanesch Peeling vun enger Grafitflacke am Waasser illustréieren mat der UP200S, en 200W Ultraschall mat 3-mm Sonotrode. Pfeile weisen d'Plaz fir d'Partikel opzedeelen mat Kavitatiounsblasen, déi d'Spalt penetréieren.
© Tyurnina et al. 2020

Video vun akustescher Kavitatioun a Flëssegkeet

De folgende Video weist d'akustesch Kavitatioun bei der Kaskatrode vum Ultraschaller UIP1000hdT an enger Waassergefëllte Glaskolonne. D'Glaskolonn gëtt vun ënnen duerch roude Luucht beliicht fir d'Visualiséierung vun de Kavitatiounsblasen ze verbesseren.

D'Tabell hei drënner gëtt Iech eng Indikatioun vun der geschätzter Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschaller: