Ultraskaņas kavitācija šķidrumos
Augstas intensitātes ultraskaņas ultraskaņas ultraskaņas viļņi rada akustisko kavitāciju šķidrumos. Kavitācija lokāli izraisa ārkārtējus efektus, piemēram, šķidruma strūklas līdz 1000 km/h, spiedienu līdz 2000 atm un temperatūru līdz 5000 Kelviniem. Šie ultrasoniski radītie spēki tiek izmantoti daudziem šķidruma apstrādes lietojumiem, piemēram, homogenizācijai, izkliedēšanai, emulgācijai, ekstrakcijai, šūnu darbības traucējumiem, kā arī ķīmisko reakciju pastiprināšanai.
Ultraskaņas kavitācijas darba princips
Apstrādājot šķidrumus ar augstu intensitāti, skaņas viļņi, kas izplatās šķidrā vidē, izraisa mainīgus augstspiediena (kompresijas) un zema spiediena (retināšanas) ciklus, kuru ātrums ir atkarīgs no frekvences. Zema spiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mazus vakuuma burbuļus vai tukšumus. Kad burbuļi sasniedz tilpumu, pie kura tie vairs nespēj absorbēt enerģiju, augstspiediena cikla laikā tie vardarbīgi sabrūk. Šo parādību sauc par kavitāciju. Implosijas laikā ļoti augsta temperatūra (aptuveni 5,000K) un spiediens (aptuveni 2,000atm) tiek sasniegti lokāli. Kavitācijas burbuļa implosija izraisa arī šķidruma strūklu ar ātrumu līdz 280m / s.
Zondes tipa ultrasonikatori, piemēram, UP400St Izmantojiet akustiskās kavitācijas darba principu.
Akustiskā kavitācija (ko rada jaudas ultraskaņa) rada lokāli ekstremālus apstākļus, tā sauktos sonomehāniskos un sonoķīmiskos efektus. Šo efektu dēļ ultraskaņas apstrāde veicina ķīmiskās reakcijas, kas noved pie augstākas ražas, ātrāka reakcijas ātruma, jauniem ceļiem un uzlabotas vispārējās efektivitātes.
Ultrasonikatoru galvenie pielietojumi, izmantojot akustisko kavitāciju
Zondes tipa ultrasonatori, kas pazīstami arī kā ultraskaņas zondes, efektīvi rada intensīvu akustisko kavitāciju šķidrumos. Tāpēc tos plaši izmanto dažādos lietojumos dažādās nozarēs. Daži no svarīgākajiem akustiskās kavitācijas lietojumiem, ko rada zondes tipa ultrasonikatori, ietver:
Spēcīga ultraskaņas kavitācija Hielscher ultraskaņas Cascatrode
- Homogenizācija: Ultraskaņas zondes var radīt intensīvu kavitāciju, ko raksturo kā enerģētiski blīvs vibrācijas un bīdes spēku lauks. Šie spēki nodrošina lielisku sajaukšanu, sajaukšanu un daļiņu izmēra samazināšanu. Ultraskaņas homogenizācija rada vienmērīgi sajauktas suspensijas. Tāpēc ultraskaņas apstrāde tiek izmantota, lai iegūtu viendabīgu koloidālu suspensiju ar šaurām izplatības līknēm.
- Nanodaļiņu dispersija: Ultrasonikatori tiek izmantoti nanodaļiņu dispersijai, deagglomerācijai un mitrai frēzēšanai. Zemas frekvences ultraskaņas viļņi var radīt iespaidīgu kavitāciju, kas noārda aglomerātus un samazina daļiņu izmēru. Jo īpaši šķidruma strūklu augstā bīde paātrina daļiņas šķidrumā, kas saduras viena ar otru (starpdaļiņu sadursme), lai daļiņas pēc tam saplīstu un sabojātu. Tas nodrošina vienmērīgu un stabilu daļiņu sadalījumu, novēršot sedimentāciju. Tas ir būtiski dažādās jomās, tostarp nanotehnoloģijās, materiālu zinātnē un farmācijā.
- Emulgācija un sajaukšana: Zondes tipa ultrasonikatori tiek izmantoti, lai izveidotu emulsijas un sajauktu šķidrumus. Ultraskaņas enerģija izraisa kavitāciju, mikroskopisko burbuļu veidošanos un sabrukumu, kas rada intensīvus vietējos bīdes spēkus. Šis process palīdz emulģēt nesajaucamus šķidrumus, radot stabilas un smalki izkliedētas emulsijas.
- Ekstrakcijas: Kavitācijas bīdes spēku dēļ ultrasonikatori ir ļoti efektīvi, lai izjauktu šūnu struktūras un uzlabotu masas pārnesi starp cietu un šķidru. Tāpēc ultraskaņas ekstrakcija tiek plaši izmantota, lai atbrīvotu intracelulāro materiālu, piemēram, bioaktīvos savienojumus augstas kvalitātes botānisko ekstraktu ražošanai.
- Degazēšana un atgaisošana: Zondes tipa ultrasonikatori tiek izmantoti, lai no šķidrumiem noņemtu gāzes burbuļus vai izšķīdušās gāzes. Ultraskaņas kavitācijas pielietojums veicina gāzes burbuļu saplūšanu, lai tie augtu un peldētu uz šķidruma augšdaļu. Ultraskaņas kavitācija padara degazifikāciju par ātru un efektīvu procedūru. Tas ir vērtīgi dažādās nozarēs, piemēram, krāsās, hidrauliskajos šķidrumos vai pārtikas un dzērienu pārstrādē, kur gāzu klātbūtne var negatīvi ietekmēt produktu kvalitāti un stabilitāti.
- Sonokatalīze: Ultraskaņas zondes var izmantot sonokatalīzei, procesam, kas apvieno akustisko kavitāciju ar katalizatoriem, lai uzlabotu ķīmiskās reakcijas. Ultraskaņas viļņu radītā kavitācija uzlabo masas pārnesi, palielina reakcijas ātrumu un veicina brīvo radikāļu veidošanos, izraisot efektīvākas un selektīvākas ķīmiskās transformācijas.
- Parauga sagatavošana: Zondes tipa ultrasonikatori parasti tiek izmantoti laboratorijās paraugu sagatavošanai. Tos izmanto, lai homogenizētu, sadalītu un ekstrahētu bioloģiskos paraugus, piemēram, šūnas, audus un vīrusus. Zondes radītā ultraskaņas enerģija traucē šūnu membrānas, atbrīvojot šūnu saturu un atvieglojot turpmāku analīzi.
- Sadalīšanās un šūnu darbības traucējumi: Zondes tipa ultrasonikatori tiek izmantoti, lai sadalītu un izjauktu šūnas un audus dažādiem mērķiem, piemēram, intracelulāro komponentu ekstrakcijai, mikrobu inaktivācijai vai paraugu sagatavošanai analīzei. Augstas intensitātes ultraskaņas viļņi un tādējādi radītā kavitācija izraisa mehānisku stresu un bīdes spēkus, kā rezultātā notiek šūnu struktūru sadalīšanās. Bioloģiskajos pētījumos un medicīniskajā diagnostikā zondes tipa ultrasonikatori tiek izmantoti šūnu līzei, atvērto šūnu sadalīšanas procesam, lai atbrīvotu to intracelulāros komponentus. Ultraskaņas enerģija traucē šūnu sienām, membrānām un organellām, ļaujot iegūt proteīnus, DNS, RNS un citas šūnu sastāvdaļas.
Tie ir daži no galvenajiem zondes tipa ultrasonikatoru lietojumiem, bet tehnoloģijai ir vēl plašāks citu lietojumu klāsts, tostarp sonoķīmija, daļiņu izmēra samazināšana (mitrā frēzēšana), daļiņu sintēze no apakšas uz augšu un ķīmisko vielu un materiālu sono-sintēze dažādās nozarēs, piemēram, farmācijā, pārtikas pārstrādē, biotehnoloģijā un vides zinātnēs.
Ātrgaitas kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sono-mehānisko lobīšanos ūdenī izmantojot UP200S, 200W ultrasonicator ar 3 mm sonotrode. Bultiņas parāda daļiņu sadalīšanas vietu ar kavitācijas burbuļiem, kas iekļūst sadalījumā.
© Tyurnina et al. 2020
Ultraskaņas kavitācija ultraskaņas aparāta UIP1000hdT (1000 vati, 20kHz) cascatrode zondē stikla reaktorā.
Video par akustisko kavitāciju šķidrumā
Nākamais video demonstrē akustisko kavitāciju ultrasonikatora UIP1000hdT kaskādē ar ūdeni piepildītā stikla kolonnā. Stikla kolonnu no apakšas apgaismo sarkanā gaisma, lai uzlabotu kavitācijas burbuļu vizualizāciju.
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
| 10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā.
Literatūra / Atsauces
- 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.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.