Ultraskaņas kavitācija šķidrumos
Ultraskaņas kavitācija ir augstas intensitātes šķidrumu apstrādes ar ultraskaņu virzītājspēks. Ievadot šķidrumā jaudīgu ultraskaņu, veidojas mikroskopiski tvaika burbulīši, kas aug un strauji saplok. Šī akustiskā kavitācija rada intensīvus lokālus bīdes spēkus, mikrostrūklas, triecienviļņus, spiediena izmaiņas un mikrosajaukšanas efektus, kas var paātrināt homogenizāciju, disperģēšanu, emulģēšanu, ekstrakciju, degazēšanu, šūnu sagraušanu un sonoķīmiskās reakcijas.
Hielscher zondes tipa sonikatori izmanto kontrolētu akustisko kavitāciju, lai pārnestu ultraskaņas enerģiju tieši šķidrumos, suspensijās un pulpās. No maziem laboratorijas paraugiem līdz nepārtrauktai rūpnieciskai ražošanai caurplūdes režīmā – Hielscher sistēmas ļauj regulēt amplitūdu, sonotrodes ģeometriju, spiedienu, temperatūru, plūsmas ātrumu un uzturēšanās laiku, lai iegūtu reproducējamus kavitācijas rezultātus.
- Laboratorijām: izstrādāt un optimizēt apstrādes ar ultraskaņu parametrus mazos tilpumos.
- Pilotiekārtām: validēt uz kavitāciju balstītus procesus reālistiskos apstrādes apstākļos.
- Ražošanai: palielināt ultraskaņas kavitācijas mērogu līdz periodiskiem, recirkulācijas vai nepārtrauktiem procesiem plūsmas līnijā.
Norādiet savu šķidrumu, partijas tilpumu vai plūsmas ātrumu, viskozitāti, cietvielu saturu, temperatūras ierobežojumus un vēlamo procesa rezultātu. Mēs ieteiksim optimālo sonikatora, sonotrodes un plūsmas šūnas konfigurāciju jūsu kavitācijas lietojumam.
Zondes tipa sonikatori, piemēram, UP400St, izmanto akustiskās kavitācijas darbības principu.
Ultraskaņas kavitācijas darbības princips
Apstrādājot šķidrumus ar augstas intensitātes ultraskaņu, skaņas viļņi, kas izplatās šķidrajā vidē, rada mainīgus augsta spiediena (saspiešanas) un zema spiediena (retinājuma) ciklus, kuru atkārtošanās ātrums ir atkarīgs no frekvences. Zema spiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mazus vakuuma burbulīšus vai dobumus. Kad burbulīši sasniedz tilpumu, pie kura tie vairs nespēj absorbēt enerģiju, tie augsta spiediena cikla laikā strauji saplok. Šo parādību sauc par kavitāciju. Implozijas laikā lokāli tiek sasniegta ļoti augsta temperatūra (aptuveni 5 000K) un spiediens (aptuveni 2 000atm). Kavitācijas burbulīša implozija rada arī šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 280m/s.
Akustiskā kavitācija (ko rada jaudas ultraskaņa) lokāli rada ekstremālus apstākļus, tā sauktos sonomehāniskos un sonoķīmiskos efektus. Šo efektu dēļ apstrāde ar ultraskaņu veicina ķīmiskās reakcijas, nodrošinot lielāku iznākumu, lielāku reakciju ātrumu, jaunus reakciju ceļus un uzlabotu kopējo efektivitāti.
Zondes tipa sonikators vai ultraskaņas vanna: kura kavitācijas metode ir piemērota?
Gan zondes tipa sonikatori, gan ultraskaņas vannas rada akustisko kavitāciju, taču tie būtiski atšķiras pēc intensitātes, vadības iespējām un procesa uzticamības. Ultraskaņas vannas ir noderīgas tīrīšanai, savukārt zondes tipa sonikatori ievada ultraskaņas enerģiju tieši šķidrumā un rada daudz spēcīgāku, koncentrētu kavitācijas zonu. Tāpēc zondes tipa sonikatori ir vēlamā izvēle reproducējamai šķidrumu apstrādei, piemēram, homogenizācijai, emulģēšanai, ekstrakcijai, šūnu sagraušanai, nanodaļiņu disperģēšanai un sonoķīmiskajām reakcijām.
| Salīdzināšanas kritēriji | Zondes tipa sonikators | Ultraskaņas vanna |
|---|---|---|
| Kavitācijas intensitāte | Rada augstas intensitātes akustisko kavitāciju tieši pie sonotrodes gala. | Rada vājāku kavitāciju, kas izkliedēta pa vannas tilpumu. |
| Enerģijas pārnese | Pārnes ultraskaņas enerģiju tieši šķidrumā, suspensijā vai pulpā. | Pārnes enerģiju netieši caur vannas šķidrumu un trauka sienu. |
| Procesa vadība | Ļauj precīzi regulēt amplitūdu, ievadīto jaudu, impulsu režīmu, temperatūru un apstrādes laiku. | Nodrošina ierobežotas iespējas kontrolēt ultraskaņas enerģiju, kas faktiski sasniedz paraugu. |
| Reproducējamība | Nodrošina reproducējamus apstrādes ar ultraskaņu rezultātus, ja procesa parametri ir noteikti un tiek uzraudzīti. | Rezultāti var atšķirties nevienmērīga kavitācijas sadalījuma, trauka novietojuma, trauka materiāla, uzpildes līmeņa un vannas noslodzes dēļ. |
| Apstrādes efektivitāte | Ļoti efektīvs homogenizēšanai, disperģēšanai, emulģēšanai, ekstrakcijai, šūnu sagraušanai un sonoķīmijai. | Piemērota galvenokārt tīrīšanai. |
| Parauga tilpums | Pieejams gan maziem laboratorijas paraugiem, gan pilotiekārtu un rūpnieciskiem apjomiem. | Parasti tiek izmantota maziem traukiem vai vairākiem vannā ievietotiem traukiem. |
| Mēroga palielināšana | Mērogu var palielināt no laboratorijas testiem līdz izmēģinājumiem pilotiekārtās un nepārtrauktai rūpnieciskai apstrādei plūsmā. | Mērogu ir grūti droši palielināt, jo enerģijas sadalījumu un kavitācijas intensitāti nav viegli pārnest uz citu mērogu. |
| Piemērotās vides | Efektīvs šķidrumiem, emulsijām, suspensijām, pulpām un kompozīcijām ar augstu cietvielu saturu. | Vislabāk piemērota šķidrumiem ar zemu viskozitāti un vienkāršiem tīrīšanas vai degazēšanas uzdevumiem. |
| Tipiski lietojumi | Nanodaļiņu disperģēšana, nanoemulsijas, ekstrakcija, šūnu līze, homogenizēšana, deaglomerācija, mitrā malšana un sonoķīmiskās reakcijas. | Stikla trauku tīrīšana, šķidrumu degazēšana, pulveru šķīdināšana un saudzīga paraugu maisīšana. |
| Vislabākā izvēle šādiem mērķiem | Kontrolēta, jaudīga un reproducējama šķidrumu apstrāde ar ultraskaņu. | Vienkārša tīrīšana vai zemas intensitātes apstrāde ar ultraskaņu. |
Ultraskaņas apstrādes ierīču un akustiskās kavitācijas galvenie lietojumi
Zondes tipa ultraskaņas ierīces, kas pazīstamas arī kā ultraskaņas zondes, efektīvi rada intensīvu akustisko kavitāciju šķidrumos. Tāpēc tās plaši izmanto dažādiem lietojumiem dažādās rūpniecības nozarēs. Daži no svarīgākajiem zondes tipa ultraskaņas ierīču radītās akustiskās kavitācijas lietojumiem ir:
- Homogenizēšana: Ultraskaņas zondes var radīt intensīvu kavitāciju, ko raksturo kā svārstību un bīdes spēku lauku ar augstu enerģijas blīvumu. Šie spēki nodrošina izcilu sajaukšanu, samaisīšanu un daļiņu izmēra samazināšanu. Homogenizējot ar ultraskaņu, iegūst vienmērīgi sajauktas suspensijas. Tāpēc apstrādi ar ultraskaņu izmanto, lai iegūtu viendabīgu koloidālu suspensiju ar šaurām sadalījuma līknēm.
- Nanodaļiņu disperģēšana: Ultraskaņas ierīces izmanto nanodaļiņu disperģēšanai, deaglomerācijai un mitrajai malšanai. Zemas frekvences ultraskaņas viļņi var radīt spēcīgu kavitāciju, kas sašķeļ aglomerātus un samazina daļiņu izmēru. Jo īpaši šķidruma strūklu radītā intensīvā bīde paātrina daļiņas šķidrumā, un tās saduras cita ar citu (starpdaļiņu sadursmes), tādējādi daļiņas sašķeļas un erodējas. Tas nodrošina vienmērīgu un stabilu daļiņu sadalījumu, novēršot sedimentāciju. Tam ir izšķiroša nozīme dažādās jomās, tostarp nanotehnoloģijā, materiālzinātnē un farmācijā.
- Emulģēšana un sajaukšana: Zondes tipa ultraskaņas ierīces izmanto emulsiju veidošanai un šķidrumu sajaukšanai. Ultraskaņas enerģija izraisa kavitāciju – mikroskopisku burbuļu veidošanos un sabrukšanu, kas rada intensīvus lokālus bīdes spēkus. Šis process palīdz emulģēt savstarpēji nesajaucamus šķidrumus, veidojot stabilas un smalki disperģētas emulsijas.
- Ekstrakcija: Kavitācijas radīto bīdes spēku dēļ ultraskaņas ierīces ir ļoti efektīvas šūnu struktūru sagraušanā un masas pārneses uzlabošanā starp cieto un šķidro fāzi. Tāpēc ekstrakciju ar ultraskaņu plaši izmanto, lai atbrīvotu šūnu iekšienē esošas vielas, piemēram, bioaktīvos savienojumus, augstas kvalitātes augu ekstraktu ražošanai.
- Degazēšana un deaerācija: Zondes tipa ultraskaņas ierīces izmanto, lai no šķidrumiem izvadītu gāzes burbuļus vai izšķīdušās gāzes. Ultraskaņas kavitācijas izmantošana veicina gāzes burbuļu saplūšanu, tāpēc tie palielinās un uzpeld šķidruma virspusē. Ultraskaņas kavitācija padara degazēšanu par ātru un efektīvu procedūru. Tas ir vērtīgi dažādās nozarēs, piemēram, krāsu un hidraulisko šķidrumu ražošanā vai pārtikas un dzērienu pārstrādē, kur gāzu klātbūtne var negatīvi ietekmēt produkta kvalitāti un stabilitāti.
- Sonokatalīze: Ultraskaņas zondes var izmantot sonokatalīzei – procesam, kurā akustisko kavitāciju apvieno ar katalizatoriem, lai veicinātu ķīmiskās reakcijas. Ultraskaņas viļņu radītā kavitācija uzlabo masas pārnesi, palielina reakciju ātrumu un veicina brīvo radikāļu veidošanos, nodrošinot efektīvākas un selektīvākas ķīmiskās pārvērtības.
- Paraugu sagatavošana: Zondes tipa ultraskaņas ierīces laboratorijās plaši izmanto paraugu sagatavošanai. Tās izmanto bioloģisko paraugu, piemēram, šūnu, audu un vīrusu, homogenizēšanai, dezagregēšanai un ekstrakcijai. Zondes radītā ultraskaņas enerģija sagrauj šūnu membrānas, atbrīvojot šūnu saturu un atvieglojot turpmāko analīzi.
- Dezintegrācija un šūnu sagraušana: Zondes tipa ultraskaņas ierīces izmanto šūnu un audu dezintegrācijai un sagraušanai dažādiem mērķiem, piemēram, intracelulāro komponentu ekstrakcijai, mikroorganismu inaktivācijai vai paraugu sagatavošanai analīzei. Augstas intensitātes ultraskaņas viļņi un to radītā kavitācija izraisa mehānisko spriegumu un bīdes spēkus, kas izraisa šūnu struktūru dezintegrāciju. Bioloģiskajos pētījumos un medicīniskajā diagnostikā zondes tipa ultraskaņas ierīces izmanto šūnu līzei – procesam, kurā šūnas tiek pārrautas, lai atbrīvotu to intracelulāros komponentus. Ultraskaņas enerģija sagrauj šūnu sieniņas, membrānas un organoīdus, ļaujot ekstrahēt olbaltumvielas, DNS, RNS un citas šūnu sastāvdaļas.
Šie ir daži no galvenajiem zondes tipa ultraskaņas ierīču lietojumiem, taču šai tehnoloģijai ir vēl plašāks citu lietojumu klāsts, tostarp sonoķīmija, daļiņu izmēra samazināšana (slapjā malšana), daļiņu sintēze no mazākām struktūrvienībām un ķīmisko vielu un materiālu sonosintēze dažādās nozarēs, piemēram, farmācijā, pārtikas pārstrādē, biotehnoloģijā un vides zinātnēs.
Ātrgaitas kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sonomehānisko eksfoliāciju ūdenī, izmantojot UP200S – 200W ultraskaņas ierīci ar 3-mm sonotrodi. Bultas norāda daļiņu šķelšanās vietu, kur kavitācijas burbuļi iekļūst plaisā.
© Tyurnina et al. 2020
Izmantojiet ultraskaņas kavitācijas priekšrocības!
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lielāks | ierīču grupa: UIP16000 |
Video par akustisko kavitāciju šķidrumā
Šajā video demonstrēta akustiskā kavitācija pie ultraskaņas ierīces UIP1000hdT kaskatrodes ar ūdeni piepildītā stikla kolonnā. Stikla kolonna no apakšas ir izgaismota ar sarkanu gaismu, lai uzlabotu kavitācijas burbuļu redzamību.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanai, disperģēšanai, emulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijas, pilotražošanas un rūpnieciskā mērogā.
Bieži uzdotie jautājumi
Kas ir ultraskaņas kavitācija?
Ultraskaņas kavitācija ir mikroskopisku burbuļu veidošanās, augšana un strauja sabrukšana šķidrumā, kas pakļauts augstas intensitātes ultraskaņas iedarbībai. Šo burbuļu sabrukšana rada intensīvu lokālu bīdi, šķidruma mikrostrūklas, triecienviļņus, lielus spiediena gradientus un spēcīgus mikrosajaukšanās efektus.
Kāda ir atšķirība starp ultraskaņas kavitāciju un akustisko kavitāciju?
Akustiskā kavitācija ir vispārīgs apzīmējums skaņas viļņu izraisītai kavitācijai. Ultraskaņas kavitācija ir akustiskā kavitācija, ko rada ultraskaņas frekvences, kuras parasti pārsniedz dzirdamo diapazonu. Rūpnieciskajā šķidrumu apstrādē abus terminus bieži izmanto, lai apzīmētu lieljaudas ultraskaņas ierīču radītu kavitāciju.
Kā ultraskaņas kavitācija uzlabo šķidrumu apstrādi?
Ultraskaņas kavitācija uzlabo šķidrumu apstrādi, radot intensīvu mehānisku un ķīmisku iedarbību šķidrumā. Mehāniskā iedarbība veicina sajaukšanu, homogenizāciju, emulģēšanu, daļiņu deaglomerāciju, mitro malšanu, ekstrakciju un šūnu sagraušanu. Reaģējošās sistēmās kavitācija var arī veicināt sonoķīmisko iedarbību un uzlabot masas pārnesi.
Kādos lietojumos izmanto ultraskaņas kavitāciju?
Ultraskaņas kavitāciju izmanto homogenizācijai, disperģēšanai, emulģēšanai, nanoemulģēšanai, ekstrakcijai, degazācijai, deaglomerācijai, daļiņu izmēra samazināšanai, šūnu līzei, mikroorganismu sagraušanai, sonoķīmijā, sonokatalīzē un progresīvās šķidrās fāzes reakcijās.
Kāpēc zondes tipa ultraskaņas ierīces efektīvi rada kavitāciju?
Zondes tipa ultraskaņas ierīces caur sonotrodi pārvada ultraskaņas enerģiju tieši šķidrumā. Šāda tieša enerģijas ievadīšana rada intensīvu kavitācijas zonu zondes virsmas tuvumā un ļauj precīzi regulēt svarīgus procesa parametrus, piemēram, amplitūdu, ievadīto jaudu, temperatūru, spiedienu un apstrādes laiku.
Vai ultraskaņas vanna ir piemērota spēcīgas kavitācijas radīšanai?
Ultraskaņas vannas rada kavitāciju, taču enerģijas blīvums parasti ir daudz zemāks un enerģija ir mazāk koncentrēta nekā zondes tipa ultraskaņas ierīcē. Vannas ir noderīgas tīrīšanai un saudzīgai apstrādei, savukārt zondes tipa ultraskaņas ierīcēm dod priekšroku reproducējamai homogenizācijai, ekstrakcijai, emulģēšanai, disperģēšanai, šūnu sagraušanai un rūpnieciskai šķidrumu apstrādei.
Lasiet un skatieties, kā atšķiras zondes tipa ultraskaņas ierīces un ultraskaņas vannas!
Kādi parametri ietekmē ultraskaņas kavitācijas intensitāti?
Svarīgi parametri ir amplitūda, ultraskaņas jauda, sonotrodes virsmas laukums, šķidruma tilpums, viskozitāte, cietvielu saturs, spiediens, temperatūra, trauka ģeometrija, plūsmas šūnas ģeometrija, plūsmas ātrums un uzturēšanās laiks. Šo parametru regulēšana ļauj pielāgot kavitācijas intensitāti procesa mērķim.
Vai ultraskaņas kavitāciju var mērogot no laboratorijas līdz ražošanai?
Jā. Ultraskaņas kavitācijas procesus var izstrādāt laboratorijas tilpumos un pārnest uz pilotmērogu vai rūpniecisko mērogu, kontrolējot amplitūdu, ievadīto enerģiju, sonotrodes ģeometriju, plūsmas ātrumu un uzturēšanās laiku. Hielscher piedāvā ultraskaņas ierīces un reaktorus laboratorijas testiem, pilotizmēģinājumiem un nepārtrauktai rūpnieciskai ražošanai.
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 laboratorijas līdz rūpnieciskam mērogam.