Kawitacja ultradźwiękowa w cieczy

Fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności generują kawitację akustyczną w cieczach. Kawitacja powoduje lokalnie ekstremalne efekty, takie jak strumienie cieczy o prędkości 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

Podczas sonikowania cieczy z dużą intensywnością, fale dźwiękowe, które rozprzestrzeniają się w ciekłych mediach, powodują naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie), z szybkością zależną od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności tworzą małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie w cieczy. Gdy pęcherzyki osiągną objętość, przy której nie mogą już absorbować energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to określa się mianem kawitacji. Podczas implozji lokalnie osiągane są bardzo wysokie temperatury (ok. 5000 K) i ciśnienia (ok. 2000 atm). W wyniku implozji pęcherzyka kawitacyjnego powstają również strumienie cieczy o prędkości do 280 m/s.

Kawitacja akustyczna (generowana przez ultradźwięki mocy) tworzy lokalnie ekstremalne warunki, tak zwane efekty sonomechaniczne i sonochemiczne. Ze względu na te efekty, sonikacja promuje reakcje chemiczne prowadzące do wyższych wydajności, szybszej 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. Skutkuje to jednolitym i stabilnym rozkładem 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.

Sekwencja klatek z dużą prędkością (od a do f) ilustrująca sonomechaniczne złuszczanie płatka grafitu w wodzie. przy użyciu UP200S, ultrasonografu o mocy 200 W z sonotrodą 3 mm. 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 przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: