Fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności generują kawitację akustyczną w cieczach. Kawitacja powoduje lokalnie ekstremalne efekty, takie jak strumienie cieczy do 1000 km / h, ciśnienia do 2000 atm i temperatury do 5000 Kelwinów. Te generowane ultradźwiękowo siły są wykorzystywane do wielu zastosowań związanych z przetwarzaniem cieczy, takich jak homogenizacja, dyspergowanie, emulgowanie, ekstrakcja, rozrywanie komórek, a także intensyfikacja reakcji chemicznych.

Zasada działania kawitacji ultradźwiękowej

Gdy sonikacja cieczy o wysokiej intensywności, fale dźwiękowe, które propagują w ciekłych nośnikach powodować naprzemienne wysokiego ciśnienia (na ściskanie) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie) cykli, z szybkościami w zależności od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia i wysokiej intensywności fal ultradźwiękowych za pomocą małych pęcherzyków lub pustych przestrzeni próżni w cieczy. Kiedy pęcherzyki osiągają objętość, w której nie mogą już absorbować energię, zapaść gwałtownie podczas cyklu wysokociśnieniowej. Zjawisko to nazywane kawitacji. Podczas implozji bardzo wysokie temperatury (ok. 5,000K) i pod ciśnieniem (ok. 2,000atm) osiąga się na miejscu. Implozja pęcherzyka kawitacyjnego skutkuje również strumieniami cieczy do 280m / s prędkości.

Kawitacja akustyczna (generowana przez ultradźwięki mocy) tworzy lokalnie ekstremalne warunki, tzw. efekty sonomechaniczne i sonochemiczne. Ze względu na te efekty, sonikacja promuje reakcje chemiczne prowadzące do zwiększenia wydajności, szybkości reakcji, nowych ścieżek i poprawy ogólnej wydajności.

Kluczowe zastosowania ultradźwiękowców wykorzystujących kawitację akustyczną

Ultradźwięki typu sondowego, znane również jako sondy ultradźwiękowe, skutecznie generują intensywną kawitację akustyczną w cieczach. Dlatego są one szeroko stosowane w różnych aplikacjach w różnych branżach. Niektóre z najważniejszych zastosowań kawitacji akustycznej generowanej przez ultradźwięki typu sondy obejmują:
 

1. Homogenizacja: Sondy ultradźwiękowe mogą generować intensywną kawitację, która charakteryzuje się gęstym energetycznie polem wibracji i sił ścinających. Siły te zapewniają doskonałe mieszanie, mieszanie i redukcję wielkości cząstek. Homogenizacja ultradźwiękowa wytwarza równomiernie wymieszane zawiesiny. Dlatego sonikacja jest stosowana do wytwarzania jednorodnej zawiesiny koloidalnej o wąskich krzywych dystrybucji.
2. Dyspersja nanocząstek: Ultradźwięki są stosowane do dyspersji, deaglomeracji i mielenia na mokro nanocząstek. Fale ultradźwiękowe o niskiej częstotliwości mogą generować kawitację uderzeniową, która rozbija aglomeraty i zmniejsza rozmiar cząstek. W szczególności wysokie ścinanie strumieni cieczy przyspiesza cząstki w cieczy, które zderzają się ze sobą (zderzenie międzycząsteczkowe), tak że cząstki w konsekwencji pękają i ulegają erozji. Powoduje to równomierny i stabilny rozkład cząstek, zapobiegając ich sedymentacji. Ma to kluczowe znaczenie w różnych dziedzinach, w tym w nanotechnologii, materiałoznawstwie i farmaceutyce.
3. Emulgowanie i mieszanie: Ultradźwięki typu sondowego są używane do tworzenia emulsji i mieszania cieczy. Energia ultradźwiękowa powoduje kawitację, powstawanie i zapadanie się mikroskopijnych pęcherzyków, co generuje intensywne lokalne siły ścinające. Proces ten pomaga w emulgowaniu niemieszających się cieczy, wytwarzając stabilne i drobno zdyspergowane emulsje.
4. Ekstrakcja: Ze względu na kawitacyjne siły ścinające, ultradźwięki są bardzo skuteczne w zakłócaniu struktur komórkowych i poprawie transferu masy między ciałem stałym a cieczą. Dlatego ekstrakcja ultradźwiękowa jest szeroko stosowana do uwalniania materiału wewnątrzkomórkowego, takiego jak związki bioaktywne do produkcji wysokiej jakości ekstraktów botanicznych.
5. Odgazowywanie i odpowietrzanie: Ultradźwięki typu sondowego są stosowane do usuwania pęcherzyków gazu lub rozpuszczonych gazów z cieczy. Zastosowanie kawitacji ultradźwiękowej sprzyja koalescencji pęcherzyków gazu, dzięki czemu rosną one i unoszą się na powierzchni cieczy. Kawitacja ultradźwiękowa sprawia, że odgazowanie jest szybką i skuteczną procedurą. Jest to cenne w różnych gałęziach przemysłu, takich jak farby, płyny hydrauliczne lub przetwórstwo żywności i napojów, gdzie obecność gazów może negatywnie wpływać na jakość i stabilność produktu.
6. Sonokataliza: Sondy ultradźwiękowe mogą być wykorzystywane do sonokatalizy, procesu łączącego kawitację akustyczną z katalizatorami w celu wzmocnienia reakcji chemicznych. Kawitacja generowana przez fale ultradźwiękowe poprawia transfer masy, zwiększa szybkość reakcji i promuje produkcję wolnych rodników, prowadząc do bardziej wydajnych i selektywnych przemian chemicznych.
7. Przygotowanie próbki: Ultradźwięki typu sondowego są powszechnie stosowane w laboratoriach do przygotowywania próbek. Służą one do homogenizacji, dezagregacji i ekstrakcji próbek biologicznych, takich jak komórki, tkanki i wirusy. Energia ultradźwiękowa generowana przez sondę rozbija błony komórkowe, uwalniając zawartość komórkową i ułatwiając dalszą analizę.
8. Dezintegracja i uszkodzenie komórek: Ultradźwięki typu sondowego są wykorzystywane do dezintegracji i niszczenia komórek i tkanek do różnych celów, takich jak ekstrakcja składników wewnątrzkomórkowych, inaktywacja drobnoustrojów lub przygotowanie próbki do analizy. Fale ultradźwiękowe o wysokim natężeniu i generowana w ten sposób kawitacja powodują naprężenia mechaniczne i siły ścinające, powodując rozpad struktur komórkowych. W badaniach biologicznych i diagnostyce medycznej, ultradźwięki typu sondy są wykorzystywane do lizy komórek, procesu rozbijania otwartych komórek w celu uwolnienia ich składników wewnątrzkomórkowych. Energia ultradźwiękowa rozbija ściany komórkowe, błony i organelle, umożliwiając ekstrakcję białek, DNA, RNA i innych składników komórkowych.

 
Są to niektóre z kluczowych zastosowań ultrasonografów typu sondowego, ale technologia ta ma jeszcze szerszy zakres innych zastosowań, w tym sonochemię, redukcję wielkości cząstek (mielenie na mokro), oddolną syntezę cząstek i sonosyntezę substancji chemicznych i materiałów w różnych gałęziach przemysłu, takich jak farmaceutyka, przetwórstwo żywności, biotechnologia i nauki o środowisku.

Szybka sekwencja (od a do f) klatek ilustrujących sono-mechaniczne złuszczanie płatka grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, ultradźwiękowca o mocy 200W z 3-mm sonotrodą. Strzałki pokazują miejsce rozszczepienia cząstek z pęcherzykami kawitacyjnymi penetrującymi rozszczepienie.
© Tyurnina et al. 2020

Wideo kawitacji akustycznej w cieczy

Poniższy film demonstruje kawitację akustyczną na kaskadzie ultrasonografu UIP1000hdT w szklanej kolumnie wypełnionej wodą. Szklana kolumna jest oświetlona od dołu czerwonym światłem w celu poprawy wizualizacji pęcherzyków kawitacyjnych.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: