Ultrasone cavitatie in vloeistoffen
Ultrasone golven met een hoge intensiteit genereren akoestische cavitatie in vloeistoffen. Cavitatie veroorzaakt lokaal extreme effecten, zoals vloeistofstralen tot 1000 km/u, drukken tot 2000 atm en temperaturen tot 5000 Kelvin. Deze ultrasonisch gegenereerde krachten worden gebruikt voor tal van vloeistofverwerkingstoepassingen zoals homogenisatie, dispergeren, emulgeren, extractie, celdisruptie en intensivering van chemische reacties.
Het werkingsprincipe van ultrasone cavitatie
Bij het sonificeren van vloeistoffen met hoge intensiteit resulteren de geluidsgolven die zich voortplanten in het vloeibare medium in afwisselende hogedrukcycli (compressie) en lagedrukcycli (rarefactie), waarbij de snelheid afhangt van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de belletjes een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen, storten ze heftig in elkaar tijdens een hogedrukcyclus. Dit fenomeen wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden plaatselijk zeer hoge temperaturen (ongeveer 5.000 K) en drukken (ongeveer 2.000 atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel resulteert ook in vloeistofstralen met een snelheid tot 280m/s.
Sonde-type ultrasone apparaten zoals de UP400St gebruiken het werkingsprincipe van akoestische cavitatie.
Akoestische cavitatie (gegenereerd door ultrageluid) creëert lokaal extreme omstandigheden, zogenaamde sonomechanische en sonochemische effecten. Door deze effecten bevordert sonicatie chemische reacties die leiden tot een hoger rendement, snellere reactiesnelheid, nieuwe routes en verbeterde algehele efficiëntie.
Belangrijkste toepassingen van ultrasone apparaten met akoestische cavitatie
Ultrasone sondes, ook wel ultrasone sondes genoemd, genereren efficiënt intense akoestische cavitatie in vloeistoffen. Daarom worden ze op grote schaal gebruikt in diverse toepassingen in verschillende industrieën. Enkele van de belangrijkste toepassingen van akoestische cavitatie gegenereerd door ultrasone sondes zijn:
Krachtige ultrasone cavitatie bij Hielscher ultrasone cascatrode
- Homogenisatie: Ultrasone sondes kunnen intense cavitatie opwekken, die gekenmerkt wordt als een energiedicht veld van trillings- en schuifkrachten. Deze krachten zorgen voor een uitstekende menging, vermenging en verkleining van de deeltjesgrootte. Ultrasone homogenisatie produceert uniform gemengde suspensies. Daarom wordt sonificatie gebruikt om homogene colloïdale suspensies met smalle verdelingscurven te produceren.
- Nanodeeltjesdispersie: Ultrasone apparaten worden gebruikt voor het dispergeren, deagglomereren en nat malen van nanodeeltjes. Ultrasone golven met een lage frequentie kunnen krachtige cavitatie opwekken, waardoor agglomeraten worden afgebroken en de deeltjes kleiner worden. Met name de hoge afschuiving van de vloeistofstralen versnelt de deeltjes in de vloeistof, die met elkaar botsen (botsing tussen de deeltjes) zodat de deeltjes breken en eroderen. Dit resulteert in een uniforme en stabiele verdeling van de deeltjes waardoor bezinking wordt voorkomen. Dit is cruciaal op verschillende gebieden, waaronder nanotechnologie, materiaalkunde en farmaceutica.
- Emulgeren en mengen: Ultrasone sondes worden gebruikt om emulsies te creëren en vloeistoffen te mengen. De ultrasone energie veroorzaakt cavitatie, de vorming en ineenstorting van microscopische belletjes, waardoor intense lokale schuifkrachten worden opgewekt. Dit proces helpt bij het emulgeren van niet-mengbare vloeistoffen en produceert stabiele en fijn gedispergeerde emulsies.
- Extractie: Door de caviterende schuifkrachten zijn ultrasone apparaten zeer efficiënt in het verstoren van celstructuren en het verbeteren van de massaoverdracht tussen vaste en vloeibare stoffen. Daarom wordt ultrasone extractie op grote schaal gebruikt om intracellulair materiaal zoals bioactieve stoffen vrij te maken voor de productie van hoogwaardige botanische extracten.
- Ontgassing en Ontluchting: Ultrasone sondes worden gebruikt om gasbellen of opgeloste gassen uit vloeistoffen te verwijderen. De toepassing van ultrasone cavitatie bevordert het samensmelten van gasbellen zodat ze groeien en naar de bovenkant van de vloeistof drijven. Ultrasone cavitatie maakt ontgassing een snelle en efficiënte procedure. Dit is waardevol in verschillende industrieën, zoals in verf, hydraulische vloeistoffen of voedsel- en drankverwerking, waar de aanwezigheid van gassen de productkwaliteit en -stabiliteit negatief kan beïnvloeden.
- Sonokatalyse: Ultrasone sondes kunnen worden gebruikt voor sonokatalyse, een proces waarbij akoestische cavitatie wordt gecombineerd met katalysatoren om chemische reacties te verbeteren. De cavitatie die wordt opgewekt door ultrasone golven verbetert de massaoverdracht, verhoogt de reactiesnelheid en bevordert de productie van vrije radicalen, wat leidt tot efficiëntere en selectievere chemische transformaties.
- Monstervoorbereiding: Ultrasone sondetoestellen worden vaak gebruikt in laboratoria voor monstervoorbereiding. Ze worden gebruikt om biologische monsters, zoals cellen, weefsels en virussen, te homogeniseren, uit elkaar te halen en te extraheren. De ultrasone energie die door de sonde wordt gegenereerd verstoort de celmembranen, waardoor de celinhoud vrijkomt en verdere analyse mogelijk wordt.
- Desintegratie en celdisruptie: Ultrasone sondetoestellen worden gebruikt om cellen en weefsels te desintegreren en te verstoren voor verschillende doeleinden, zoals extractie van intracellulaire componenten, microbiële inactivatie of monstervoorbereiding voor analyse. De ultrasone golven met hoge intensiteit en de daardoor gegenereerde cavitatie veroorzaken mechanische spanning en schuifkrachten, wat resulteert in het uiteenvallen van celstructuren. In biologisch onderzoek en medische diagnostiek worden ultrasone apparaten van het probe-type gebruikt voor cellyse, het proces waarbij cellen openbreken om hun intracellulaire componenten vrij te maken. Ultrasone energie verstoort celwanden, membranen en organellen, waardoor eiwitten, DNA, RNA en andere cellulaire bestanddelen kunnen worden geëxtraheerd.
Dit zijn enkele van de belangrijkste toepassingen van ultrasone sondetoestellen, maar de technologie kent een nog breder scala aan andere toepassingen, waaronder sonochemie, verkleining van de deeltjesgrootte (wet-milling), bottom-up deeltjessynthese en sono-synthese van chemische stoffen en materialen in diverse industrieën zoals farmaceutica, voedselverwerking, biotechnologie en milieuwetenschappen.
Een reeks beelden op hoge snelheid (van a tot f) ter illustratie van de sonomexfoliatie van een grafietschilfer in water met behulp van de UP200S, een ultrasoonapparaat van 200 W met een sonotrode van 3 mm. Pijlen tonen de plaats van splijtende deeltjes met cavitatiebellen die in de splijting dringen.
© Tyurnina et al. 2020
Ultrasone cavitatie bij de cascatrode sonde van de ultrasone UIP1000hdT (1000 watt, 20 kHz) in een glazen reactor.
Video van akoestische cavitatie in vloeistof
De volgende video demonstreert akoestische cavitatie aan de cascatrode van de ultrasone UIP1000hdT in een met water gevulde glazen kolom. De glazen kolom wordt vanaf de bodem verlicht met rood licht om de cavitatiebellen beter zichtbaar te maken.
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- 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 produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.