Zastosowanie ultradźwięków dużej mocy za pomocą sonotrod

Sonotrody lub sondy ultradźwiękowe są szeroko stosowane w różnorodnych procesach obróbki cieczy, w tym homogenizacji, dyspergowaniu, mieleniu na mokro, emulgowaniu, ekstrakcji, dezintegracji, rozpuszczaniu i odpowietrzaniu. Poznaj podstawowe informacje o sonotrodach, sondach ultradźwiękowych i ich zastosowaniach.

Sonotroda a sonda ultradźwiękowa

Terminy sonotroda i sonda ultradźwiękowa są często używane zamiennie i odnoszą się do pręta ultradźwiękowego, który przekazuje fale ultradźwiękowe do cieczy. Inne określenia sondy ultradźwiękowej to sonotroda akustyczna, sonotroda, falowód akustyczny lub palec ultradźwiękowy. Jednak z technicznego punktu widzenia istnieje różnica między sonotrodą a sondą ultradźwiękową.
Zarówno sonotroda, jak i sonda odnoszą się do części tak zwanego sonikatora sondowego. Sonotroda jest metalową częścią przetwornika ultradźwiękowego, wzbudzaną przez drgania generowane piezoelektrycznie. Sonotroda drga z określoną częstotliwością, np. 20kHz, co oznacza 20 000 drgań na sekundę. Tytan jest preferowanym materiałem do wytwarzania sonotrod ze względu na doskonałe właściwości przewodzenia fal akustycznych, wysoką wytrzymałość zmęczeniową i twardość powierzchni.

Sonda ultradźwiękowa jest również nazywana sonotrodą lub palcem ultradźwiękowym. Jest to metalowy pręt, najczęściej wykonany z tytanu, połączony gwintowo z sonotrodą przetwornika. Sonda ultradźwiękowa jest niezbędną częścią procesora ultradźwiękowego, która przekazuje fale ultradźwiękowe do ośrodka poddawanego sonikacji. Sondy ultradźwiękowe / sonotrody są dostępne w różnych kształtach (np. stożkowe, z końcówką, zwężające się lub w postaci Cascatrode). Chociaż tytan jest najczęściej stosowanym materiałem do produkcji sond ultradźwiękowych, dostępne są również sonotrody wykonane ze stali nierdzewnej, ceramiki, szkła i innych materiałów.

Ponieważ sonotroda i sonda podczas sonikacji są stale poddawane ściskaniu lub rozciąganiu, dobór ich materiału ma kluczowe znaczenie. Wysokiej jakości stop tytanu (gatunek 5) jest uznawany za najbardziej niezawodny, trwały i skuteczny metal do wytrzymywania naprężeń, utrzymywania wysokich amplitud przez długi czas oraz przekazywania właściwości akustycznych i mechanicznych.

Rozpuszczanie jest częstym zastosowaniem sonikacji. Film przedstawia szybkie rozpuszczanie kryształów cukru w wodzie za pomocą Hielscher UP200St.

Sonikatory o wysokiej wydajności pracują przeważnie w zakresie częstotliwości 20–30kHz. Przy 20 kHz sonda ultradźwiękowa jest zazwyczaj prętem rezonansowym o długości równej połowie długości fali, który nieustannie wydłuża się i kurczy 20 000 razy na sekundę. Ruchy wydłużania i kurczenia są przekazywane do ośrodka procesowego, tj. płynu lub zawiesiny, w postaci ultradźwięków dużej mocy w celu realizacji takich zastosowań jak

• ultradźwiękowe mieszanie przy wysokim ścinaniu
• ultradźwiękowe mielenie na mokro
• ultradźwiękowe dyspergowanie nanocząstek
• ultradźwiękowe nanoemulgowanie
• ekstrakcja ultradźwiękowa
• dezintegracja ultradźwiękowa
• ultradźwiękowe rozbijanie komórek i liza
• ultradźwiękowe odgazowywanie i odpowietrzanie
• sonochemia (sonosynteza, sonokataliza)

Jak działają ultradźwięki dużej mocy? – Zasada działania kawitacji akustycznej

W zastosowaniach ultradźwiękowych wymagających wysokiej wydajności, takich jak homogenizacja, zmniejszanie wielkości cząstek, dezintegracja lub wytwarzanie nanodyspersji, ultradźwięki o wysokim natężeniu i niskiej częstotliwości są generowane przez przetwornik ultradźwiękowy i przekazywane do cieczy przez sonotrodę przetwornika i sondę (sonotrodę). Za ultradźwięki dużej mocy uznaje się ultradźwięki w zakresie 16–30kHz. Sonda ultradźwiękowa wydłuża się i kurczy np. z częstotliwością 20kHz, przekazując tym samym do ośrodka odpowiednio 20 000 drgań na sekundę. Gdy fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez ciecz, naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (ściskania) / niskiego ciśnienia (rozrzedzania / rozszerzania) tworzą drobne kawerny (pęcherzyki próżniowe), które rosną w ciągu kilku cykli ciśnienia. Podczas fazy ściskania cieczy i pęcherzyków ciśnienie jest dodatnie, natomiast faza rozrzedzania wytwarza próżnię (ciśnienie ujemne). Podczas cykli ściskania i rozszerzania kawerny w cieczy rosną, aż osiągną rozmiar, przy którym nie mogą pochłaniać dalszej energii. W tym momencie gwałtownie implodują. Implozja tych kawern wywołuje różnorodne efekty o wysokiej energii, znane jako zjawisko kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej. Kawitacja akustyczna charakteryzuje się różnorodnymi efektami o wysokiej energii, które oddziałują na ciecze, układy ciało stałe/ciecz, a także układy gaz/ciecz. Strefa o wysokiej gęstości energii, czyli strefa kawitacyjna, jest znana jako tak zwana strefa gorących punktów, w której gęstość energii jest największa w bezpośrednim sąsiedztwie sondy ultradźwiękowej i maleje wraz ze wzrostem odległości od sonotrody. Główne cechy kawitacji ultradźwiękowej obejmują lokalnie występujące bardzo wysokie temperatury i ciśnienia oraz ich różnice, turbulencje i przepływ cieczy. Podczas implozji kawern ultradźwiękowych w ultradźwiękowych gorących punktach można zmierzyć temperatury do 5000 kelwinów, ciśnienia do 200 atmosfer i strugi cieczy o prędkości do 1000km/h. Te wyjątkowe warunki o wysokiej energii przyczyniają się do efektów sonomechanicznych i sonochemicznych, które na różne sposoby intensyfikują procesy i reakcje chemiczne.
Główne oddziaływania sonikacji na ciecze i zawiesiny są następujące:

• Wysokie ścinanie: Silne ultradźwiękowe siły ścinające rozbijają ciecze i układy ciecz–ciało stałe, powodując intensywne mieszanie, homogenizację i przenoszenie masy.
• Uderzenia: Strugi cieczy i przepływy generowane przez kawitację ultradźwiękową przyspieszają cząstki stałe w cieczach, co następnie prowadzi do zderzeń między cząstkami. Gdy cząstki zderzają się z bardzo dużymi prędkościami, ulegają erozji, rozpadają się oraz zostają drobno zmielone i zdyspergowane, często aż do rozmiarów nanometrycznych. W przypadku materii biologicznej, takiej jak materiały roślinne, strugi cieczy o dużej prędkości i naprzemienne cykle ciśnienia rozbijają ściany komórkowe i uwalniają materiał wewnątrzkomórkowy. Prowadzi to do wysoce wydajnej ekstrakcji związków bioaktywnych i jednorodnego mieszania materii biologicznej.
• Mieszanie: Sonikacja powoduje intensywne turbulencje, siły ścinające i mikroruchy w cieczy lub zawiesinie. W ten sposób sonikacja zawsze intensyfikuje przenoszenie masy, przyspieszając tym samym reakcje i procesy.

Homogenizatory ultradźwiękowe i mieszalniki o wysokim ścinaniu są stosowane w niemal każdej gałęzi przemysłu przetwórczego wykorzystującej ciecze lub zawiesiny. Silne ultradźwiękowe siły kawitacyjne wywołują intensywne mieszanie, ścinanie, rozbijanie cząstek i przenoszenie masy. W efekcie ciecze są homogenizowane, dyspergowane, emulgowane, poddawane ekstrakcji, rozpuszczane i/lub inicjowane są reakcje chemiczne. Ogólnie sonikacja jest metodą intensyfikacji procesów, która zwiększa uzysk, poprawia stopień konwersji i podnosi wydajność procesów.
Typowe przemysłowe zastosowania ultradźwięków obejmują wiele gałęzi przemysłu spożywczego i farmaceutycznego, produkcji specjalistycznych substancji chemicznych, energetyki i petrochemii, recyklingu, biorafinerii itp. i obejmują:

• ultradźwiękową syntezę biodiesla
• ultradźwiękową homogenizację soków owocowych
• ultradźwiękową produkcję szczepionek
• ultradźwiękowy recykling akumulatorów litowo-jonowych
• ultradźwiękową syntezę nanomateriałów
• ultradźwiękowe opracowywanie formulacji farmaceutycznych
• ultradźwiękowe nanoemulgowanie CBD
• ultradźwiękową ekstrakcję surowców roślinnych
• ultradźwiękowe przygotowanie próbek w laboratoriach
• ultradźwiękowe odgazowywanie cieczy
• ultradźwiękowe odsiarczanie ropy naftowej
• i wiele innych …

Sonotrody i sondy ultradźwiękowe do zastosowań wymagających wysokiej wydajności

Hielscher Ultrasonics jest producentem i dystrybutorem sonikatorów dużej mocy z wieloletnim doświadczeniem, stosowanych na całym świecie w wymagających zastosowaniach w wielu branżach.
Dzięki procesorom ultradźwiękowym we wszystkich rozmiarach, od 50 watów do 16kW na urządzenie, sondom o różnych rozmiarach i kształtach oraz reaktorom ultradźwiękowym o różnych objętościach i geometriach Hielscher Ultrasonics dysponuje odpowiednim wyposażeniem do skonfigurowania idealnego układu ultradźwiękowego do Twojego zastosowania.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: