Ultraskaņas kavitācija šķidrumos
Ultraskaņas kavitācija ir galvenais dzinējspēks augstas intensitātes ultraskaņas šķidrumu apstrādē. Kad spēcīgs ultraskaņas vilnis tiek virzīts šķidrumā, veidojas mikroskopiski tvaika burbuļi, kas strauji aug un sabrūk. Šī akustiskā kavitācija rada intensīvas lokālas šķēres spēkus, mikrostrūklas, triecienviļņus, spiediena izmaiņas un mikrosajaukšanas efektus, kas var paātrināt homogenizāciju, disperģēšanu, emulgēšanu, ekstrakciju, degazāciju, šūnu sadalīšanu un sonokīmiskās reakcijas.
Hielscher zondes tipa ultraskaņas iekārtas izmanto kontrolētu akustisko kavitāciju, lai ultraskaņas enerģiju tieši pārvadītu šķidrumos, suspensijās un šķidrās pastās. No nelieliem laboratorijas paraugiem līdz nepārtrauktai rūpnieciskai caurplūdes ražošanai — Hielscher sistēmas ļauj regulēt amplitūdu, sonotroda ģeometriju, spiedienu, temperatūru, plūsmas ātrumu un uzturēšanās laiku, lai panāktu reproducējamus kavitācijas rezultātus.
- Laboratorijām: izstrādāt un optimizēt ultraskaņas apstrādes parametrus nelielos apjomos.
- Izmēģinājuma ražotnēm: pārbaudīt kavitācijas procesus reālos apstrādes apstākļos.
- Ražošanai: ultraskaņas kavitāciju pielietot periodiskos, recirkulācijas vai nepārtrauktos līnijas procesos.
Norādiet šķidruma veidu, partijas tilpumu vai plūsmas ātrumu, viskozitāti, cietvielu saturu, temperatūras robežvērtības un vēlamo procesa rezultātu. Mēs ieteiksim optimālo ultraskaņas iekārtu, sonotrodu un plūsmas kameras konfigurāciju jūsu kavitācijas vajadzībām.
Zondes tipa ultraskaņas ģeneratori, piemēram, UP400St Izmantojiet akustiskās kavitācijas darba principu.
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.
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.
Ultraskaņas zonde vai ultraskaņas vannīte: kura kavitācijas metode ir piemērotāka?
Gan zondes tipa ultraskaņas ģeneratori, gan ultraskaņas vannas rada akustisko kavitāciju, taču tās ievērojami atšķiras intensitātes, vadības un procesa uzticamības ziņā. Lai gan ultraskaņas vannas ir noderīgas tīrīšanai, zondes tipa ultraskaņas ģeneratori ultraskaņas enerģiju pievada tieši šķidrumam un rada daudz spēcīgāku, koncentrētu kavitācijas zonu. Tas padara zondes tipa ultraskaņas ģeneratorus par vēlamo izvēli reproducējamiem šķidrumu apstrādes pielietojumiem, piemēram, homogenizācijai, emulgēšanai, ekstrakcijai, šūnu sadalīšanai, nanodaļiņu dispersijai un sonohīmiskām reakcijām.
| Salīdzināšanas kritēriji | Zondes sonikators | ultraskaņas vanna |
|---|---|---|
| kavitācijas intensitāte | Radīta augstas intensitātes akustiskā kavitācija tieši pie sonotroda gala. | Rada vājāku kavitāciju, kas izplatās visā vannas tilpumā. |
| Enerģijas pārnešana | Pārvada ultraskaņas enerģiju tieši šķidrumā, suspensijā vai šķidrumā ar cietajām daļiņām. | Enerģija tiek pārvadīta netieši caur vannas šķidrumu un trauka sienu. |
| Procesa kontrole | Nodrošina precīzu amplitūdas, jaudas, impulsu režīma, temperatūras un apstrādes laika regulēšanu. | Nodrošina ierobežotu kontroli pār ultraskaņas enerģiju, kas faktiski sasniedz paraugu. |
| Reproducējamība | Nodrošina reproducējamus ultraskaņas apstrādes rezultātus, ja procesa parametri ir noteikti un tiek uzraudzīti. | Rezultāti var atšķirties atkarībā no nevienmērīgas kavitācijas izplatības, tvertnes novietojuma, tvertnes materiāla, pildījuma līmeņa un vannas noslogojuma. |
| Apstrādes efektivitāte | Ļoti efektīvs homogenizēšanai, disperģēšanai, emulgēšanai, ekstrakcijai, šūnu sadalīšanai un sonohimijai. | Piemērots galvenokārt tīrīšanai. |
| Parauga tilpums | Pieejams gan nelieliem laboratorijas paraugiem, gan izmēģinājuma un rūpnieciskajiem apjomiem. | Parasti izmanto nelieliem traukiem vai vairākiem konteineriem, kas novietoti vannā. |
| Paplašināšana | To var pielāgot gan laboratorijas testiem, gan izmēģinājuma ražošanai, gan nepārtrauktai rūpnieciskai ražošanai. | To ir grūti ticami pielāgot, jo enerģijas sadalījumu un kavitācijas intensitāti nav viegli pārnest. |
| Piemēroti materiāli | Piemērots šķidrumiem, emulsijām, suspensijām, šķidrumiem ar augstu cietvielu saturu un preparātiem ar augstu cietvielu saturu. | Vispiemērotākais zemas viskozitātes šķidrumiem un vienkāršiem tīrīšanas vai degazēšanas darbiem. |
| Tipiski lietojumi | Nanodaļiņu dispersija, nanoemulsijas, ekstrakcija, šūnu līze, homogenizācija, deaglomerācija, mitrā malšana un sonokīmiskās reakcijas. | Stikla trauku tīrīšana, šķidrumu degazēšana, pulveru izšķīdināšana un paraugu viegla sakratīšana. |
| Labākā izvēle | Kontrolēta, jaudīga un atkārtojama šķidrumu apstrāde ar ultraskaņu. | Vienkārša tīrīšana vai ultraskaņas apstrāde ar zemu intensitāti. |
Sonicatoru un akustiskās kavitācijas galvenās pielietojuma jomas
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:
- 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
Izmantojiet ultraskaņas kavitācijas priekšrocības!
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 |
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.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā.
Biežāk uzdotie jautājumi
Kas ir ultraskaņas kavitācija?
Ultraskaņas kavitācija ir mikroskopisku burbuļu veidošanās, izplešanās un strauja sabrukšana šķidrumā, kas tiek pakļauts augstas intensitātes ultraskaņai. Šo burbuļu sabrukšana rada intensīvu lokālu šķērsspiedienu, šķidruma mikrostrūklas, triecienviļņus, augstus spiediena gradientus un spēcīgu mikrosajaukšanas efektu.
Kāda ir atšķirība starp ultraskaņas kavitāciju un akustisko kavitāciju?
Akustiskā kavitācija ir vispārīgs termins, kas apzīmē kavitāciju, ko izraisa skaņas viļņi. Ultraskaņas kavitācija ir akustiskā kavitācija, ko rada ultraskaņas frekvences, parasti virs dzirdamā diapazona. Rūpnieciskajā šķidrumu apstrādē abus terminus bieži lieto, aprakstot kavitāciju, ko rada lieljaudas ultraskaņas ģeneratori.
Kā ultraskaņas kavitācija uzlabo šķidrumu apstrādi?
Ultraskaņas kavitācija uzlabo šķidrumu apstrādi, radot intensīvu mehānisku un ķīmisku iedarbību šķidruma iekšienē. Mehāniskā iedarbība veicina sajaukšanu, homogenizāciju, emulgēšanu, daļiņu deaglomerāciju, mitro malšanu, ekstrakciju un šūnu sadrupināšanu. Reaktīvās sistēmās kavitācija var arī veicināt sonokīmiskos procesus un uzlabot masas pārnesi.
Kādās ierīcēs tiek izmantota ultraskaņas kavitācija?
Ultraskaņas kavitāciju izmanto homogenizācijai, disperģēšanai, emulgēšanai, nanoemulgēšanai, ekstrakcijai, degazācijai, deaglomerācijai, daļiņu izmēra samazināšanai, šūnu līzei, mikroorganismu iznīcināšanai, sonohimijai, sonokatalīzei un sarežģītām šķidrā fāzes reakcijām.
Kāpēc zondes tipa ultraskaņas ģeneratori ir efektīvi kavitācijas radīšanai?
Zondes tipa ultraskaņas ģeneratori caur sonotrodu pārvada ultraskaņas enerģiju tieši šķidrumā. Šī tiešā enerģijas pārnese rada intensīvu kavitācijas zonu pie zondes virsmas un ļauj precīzi regulēt svarīgus procesa parametrus, piemēram, amplitūdu, jaudu, temperatūru, spiedienu un apstrādes laiku.
Vai ultraskaņas vannīte ir piemērota spēcīgai kavitācijai?
Ultraskaņas vannas rada kavitāciju, taču enerģijas blīvums tajās parasti ir daudz zemāks un mazāk koncentrēts nekā zondes tipa ultraskaņas iekārtās. Vannas ir noderīgas tīrīšanai un maigai apstrādei, savukārt zondes tipa ultraskaņas iekārtas tiek izmantotas atkārtojamai homogenizācijai, ekstrakcijai, emulgēšanai, dispersijai, šūnu sadalīšanai un rūpnieciskai šķidrumu apstrādei.
Lasiet un skatieties, kā atšķiras zondes tipa ultraskaņas ģeneratori un ultraskaņas vannas!
Kādi parametri ietekmē ultraskaņas kavitācijas intensitāti?
Svarīgākie parametri ir amplitūda, ultraskaņas jauda, sonotroda virsmas laukums, šķidruma tilpums, viskozitāte, cietvielu saturs, spiediens, temperatūra, tvertnes ģeometrija, plūsmas kameras ģeometrija, plūsmas ātrums un uzturēšanās laiks. Šo parametru regulēšana ļauj pielāgot kavitācijas intensitāti procesa mērķim.
Vai ultraskaņas kavitāciju var pārnest no laboratorijas uz ražošanu?
Jā. Ultraskaņas kavitācijas procesus var izstrādāt laboratorijas apjomā un pārnest uz eksperimentālo vai rūpniecisko mērogu, regulējot amplitūdu, enerģijas patēriņu, sonotroda ģeometriju, plūsmas ātrumu un uzturēšanās laiku. Hielscher piedāvā ultraskaņas iekārtas un reaktorus laboratorijas testēšanai, eksperimentāliem pētījumiem 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 Lab līdz rūpnieciskais izmērs.