Jaudīgas ultraskaņas izmantošana ar ultraskaņas ruporiem

Ultraskaņas ruporus jeb zondes plaši izmanto daudzveidīgos šķidrumu apstrādes procesos, tostarp homogenizācijā, disperģēšanā, mitrajā malšanā, emulģēšanā, ekstrakcijā, dezintegrācijā, šķīdināšanā un atgaisošanā. Iepazīstiet ultraskaņas ruporu, ultraskaņas zonžu un to lietojumu pamatus.

Ultraskaņas rupors un ultraskaņas zonde – atšķirības

Terminus «ultraskaņas rupors» un «ultraskaņas zonde» bieži lieto savstarpēji aizvietojami, apzīmējot ultraskaņas stieni, kas pārraida ultraskaņas viļņus šķidrumā. Citi ultraskaņas zondes apzīmējumi ir akustiskais rupors, sonotrode, akustiskais viļņvads vai ultraskaņas pirksts. Tomēr tehniskā ziņā ultraskaņas rupors un ultraskaņas zonde atšķiras.
Gan rupors, gan zonde ir tā sauktās zondes tipa ultraskaņas iekārtas daļas. Ultraskaņas rupors ir ultraskaņas pārveidotāja metāla daļa, kuru ierosina pjezoelektriski radītas svārstības. Ultraskaņas rupors svārstās noteiktā frekvencē, piemēram, 20kHz, kas nozīmē 20 000 svārstību sekundē. Ultraskaņas ruporu izgatavošanai priekšroku dod titānam tā izcilo akustiskās pārvades īpašību, augstās noguruma izturības un virsmas cietības dēļ.

Ultraskaņas zondi sauc arī par sonotrodi vai ultraskaņas pirkstu. Tas ir metāla stienis, kas visbiežāk izgatavots no titāna un ar vītni piestiprināts pie ultraskaņas rupora. Ultraskaņas zonde ir būtiska ultraskaņas procesora daļa, kas pārraida ultraskaņas viļņus apstrādājamajā vidē. Ultraskaņas zondes / sonotrodes ir pieejamas dažādās formās (piemēram, koniskas, ar smailu galu, sašaurinātas vai kā Cascatrode). Lai gan ultraskaņas zondēm visbiežāk izmanto titānu, ir pieejamas arī sonotrodes no nerūsējošā tērauda, keramikas, stikla un citiem materiāliem.

Tā kā apstrādes ar ultraskaņu laikā ultraskaņas rupors un zonde ir pastāvīgi pakļauti spiedes vai stiepes slodzei, rupora un zondes materiāla izvēlei ir izšķiroša nozīme. Augstas kvalitātes titāna sakausējums (5. klase) tiek uzskatīts par visuzticamāko, izturīgāko un efektīvāko metālu slodzes izturēšanai, lielu amplitūdu ilgstošai uzturēšanai un akustisko un mehānisko īpašību pārnesei.

Šķīdināšana ir izplatīts ultraskaņas lietojums. Video demonstrēta cukura kristālu ātra šķīdināšana ūdenī, izmantojot Hielscher UP200St.

Augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas lielākoties darbojas 20–30kHz frekvenču diapazonā. Pie 20 kHz ultraskaņas zonde parasti ir rezonējošs stienis, kura garums ir puse no viļņa garuma un kurš nepārtraukti izplešas un saraujas 20 000 reižu sekundē. Izplešanās un saraušanās kustības tiek pārraidītas apstrādājamajā vidē, proti, šķidrumā vai suspensijā, kā jaudīga ultraskaņa, lai veiktu tādus procesus kā

• ultraskaņas maisīšana ar augstu bīdes intensitāti
• ultraskaņas mitrā malšana
• nanodaļiņu disperģēšana ar ultraskaņu
• nanoemulģēšana ar ultraskaņu
• ultraskaņas ekstrakcija
• ultraskaņas dezintegrācija
• šūnu sagraušana un līze ar ultraskaņu
• degazēšana un atgaisošana ar ultraskaņu
• sonoķīmija (sonosintēze, sonokatalīze)

Kā darbojas jaudīga ultraskaņa? – Akustiskās kavitācijas darbības princips

Augstas veiktspējas ultraskaņas procesos, piemēram, homogenizācijā, daļiņu izmēra samazināšanā, dezintegrācijā vai nanodispersiju iegūšanā, ultraskaņas pārveidotājs ģenerē augstas intensitātes zemfrekvences ultraskaņu, ko caur ultraskaņas ruporu un zondi (sonotrodi) pārraida šķidrumā. Par jaudīgu ultraskaņu uzskata ultraskaņu 16–30kHz diapazonā. Ultraskaņas zonde izplešas un saraujas, piemēram, ar 20kHz frekvenci, tādējādi pārraidot vidē attiecīgi 20 000 svārstību sekundē. Ultraskaņas viļņiem izplatoties šķidrumā, mainīgi augstspiediena (saspiešanas) / zemspiediena (retinājuma / izplešanās) cikli rada sīkus dobumus (vakuuma burbuļus), kas aug vairāku spiediena ciklu laikā. Šķidruma un burbuļu saspiešanas fāzē spiediens ir pozitīvs, savukārt retinājuma fāzē rodas vakuums (negatīvs spiediens). Saspiešanas un izplešanās ciklu laikā dobumi šķidrumā aug, līdz sasniedz izmēru, pie kura tie vairs nevar absorbēt enerģiju. Šajā brīdī tie strauji sabrūk uz iekšu. Šo dobumu sabrukšana izraisa dažādas augstas enerģijas iedarbības, ko pazīst kā akustiskās / ultraskaņas kavitācijas parādību. Akustisko kavitāciju raksturo daudzveidīgas augstas enerģijas iedarbības, kas ietekmē šķidrumus, cietvielas/šķidruma sistēmas, kā arī gāzes/šķidruma sistēmas. Zonu ar augstu enerģijas blīvumu jeb kavitācijas zonu dēvē par tā saukto karsto punktu zonu; tās enerģijas blīvums ir visaugstākais ultraskaņas zondes tiešā tuvumā un samazinās, palielinoties attālumam no sonotrodes. Ultraskaņas kavitācijas galvenās īpašības ir lokāli ļoti augsta temperatūra un spiediens, kā arī attiecīgas temperatūras un spiediena starpības, turbulence un šķidruma plūsmas. Ultraskaņas dobumiem sabrūkot ultraskaņas karstajos punktos, var izmērīt temperatūru līdz 5000 kelviniem, spiedienu līdz 200 atmosfērām un šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 1000km/h. Šie izteiktie augstas enerģijas apstākļi veicina sonomehāniskus un sonoķīmiskus efektus, kas dažādos veidos intensificē procesus un ķīmiskās reakcijas.
Galvenie apstrādes ar ultraskaņu iedarbības veidi uz šķidrumiem un suspensijām ir šādi:

• Augsta bīdes intensitāte: Ultraskaņas radītie lielie bīdes spēki saārda šķidrumus un šķidruma–cietvielas sistēmas, izraisot intensīvu maisīšanu, homogenizāciju un masas pārnesi.
• Triecieni: Ultraskaņas kavitācijas radītās šķidruma strūklas un plūsmas paātrina cietās daļiņas šķidrumos, kas pēc tam izraisa daļiņu savstarpējas sadursmes. Daļiņām saduroties ļoti lielā ātrumā, tās erodē, sašķeļas, tiek smalki samaltas un disperģētas, bieži līdz nanoizmēram. Bioloģiskos materiālos, piemēram, augu materiālos, ātrās šķidruma strūklas un mainīgie spiediena cikli sagrauj šūnu sieniņas un atbrīvo šūnu iekšējo saturu. Tas nodrošina ļoti efektīvu bioaktīvo savienojumu ekstrakciju un viendabīgu bioloģisko materiālu sajaukšanu.
• Maisīšana: Apstrāde ar ultraskaņu šķidrumā vai suspensijā izraisa intensīvu turbulenci, bīdes spēkus un mikrokustības. Tādējādi apstrāde ar ultraskaņu vienmēr intensificē masas pārnesi un līdz ar to paātrina reakcijas un procesus.

Ultraskaņas homogenizatorus un maisītājus ar augstu bīdes intensitāti izmanto gandrīz jebkurā pārstrādes nozarē, kurā strādā ar šķidrumiem vai suspensijām. Spēcīgie ultraskaņas kavitācijas spēki rada intensīvu maisīšanu, bīdi, daļiņu sadrupšanu un masas pārnesi. Tādējādi šķidrumi tiek homogenizēti, disperģēti, emulģēti, ekstrahēti, šķīdināti un/vai tiek ierosinātas ķīmiskās reakcijas. Kopumā apstrāde ar ultraskaņu ir procesu intensifikācijas metode, kas palielina iznākumu, uzlabo konversijas pakāpi un padara procesus efektīvākus.
Plaši izplatīti ultraskaņas lietojumi rūpniecībā aptver daudzas pārtikas un farmācijas, smalkās ķīmijas, enerģētikas un naftas ķīmijas, pārstrādes, biorafinēšanas un citas nozares un ietver šādus procesus:

• biodīzeļdegvielas sintēze ar ultraskaņu
• augļu sulu homogenizācija ar ultraskaņu
• vakcīnu ražošana ar ultraskaņu
• Li-ion akumulatoru pārstrāde ar ultraskaņu
• nanomateriālu sintēze ar ultraskaņu
• farmaceitisko preparātu formulēšana ar ultraskaņu
• CBD nanoemulģēšana ar ultraskaņu
• augu materiālu ekstrakcija ar ultraskaņu
• paraugu sagatavošana laboratorijās ar ultraskaņu
• šķidrumu degazēšana ar ultraskaņu
• jēlnaftas atsērošana ar ultraskaņu
• un daudzi citi …

Ultraskaņas rupori un zondes augstas veiktspējas lietojumiem

Hielscher Ultrasonics ir jaudīgu ultraskaņas iekārtu ražotājs un izplatītājs ar ilggadēju pieredzi; šīs iekārtas visā pasaulē izmanto darbam lielas slodzes apstākļos daudzās rūpniecības nozarēs.
Piedāvājot dažāda lieluma ultraskaņas procesorus ar jaudu no 50 vatiem līdz 16kW uz ierīci, dažādu izmēru un formu zondes, kā arī dažāda tilpuma un ģeometrijas ultraskaņas reaktorus, Hielscher Ultrasonics ir piemērots aprīkojums, lai konfigurētu ideālu ultraskaņas sistēmu jūsu lietojumam.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu: