Kawitacja ultradźwiękowa w cieczy
Kawitacja ultradźwiękowa stanowi siłę napędową procesu intensywnej obróbki cieczy za pomocą ultradźwięków. Gdy silne fale ultradźwiękowe oddziałują z cieczą, powstają mikroskopijne pęcherzyki pary, które rosną i gwałtownie pękają. Ta kawitacja akustyczna wytwarza intensywne lokalne siły ścinające, mikrostrumienie, fale uderzeniowe, zmiany ciśnienia oraz efekty mikromieszania, które mogą przyspieszać homogenizację, dyspersję, emulgację, ekstrakcję, odgazowanie, rozbijanie komórek oraz reakcje sonochemiczne.
Ultradźwiękowce sondowe firmy Hielscher wykorzystują kontrolowaną kawitację akustyczną do bezpośredniego przekazywania energii ultradźwiękowej do cieczy, zawiesin i szlamów. Niezależnie od tego, czy chodzi o niewielkie próbki laboratoryjne, czy o przemysłową produkcję z ciągłym przepływem, systemy firmy Hielscher umożliwiają regulację amplitudy, geometrii sonotrody, ciśnienia, temperatury, natężenia przepływu oraz czasu przebywania, co pozwala uzyskać powtarzalne wyniki kawitacji.
- Dla laboratoriów: opracować i zoptymalizować parametry sonikacji w niewielkich objętościach.
- W przypadku instalacji pilotażowych: zweryfikować procesy oparte na kawitacji w rzeczywistych warunkach technologicznych.
- Do produkcji: wdrożenie kawitacji ultradźwiękowej w procesach okresowych, z recyrkulacją lub ciągłych procesach inline.
Podaj nam informacje dotyczące cieczy, objętości partii lub natężenia przepływu, lepkości, zawartości cząstek stałych, granic temperatury oraz oczekiwanego wyniku procesu. Zaproponujemy optymalną konfigurację sonikatora, sonotrody i komory przepływowej dostosowaną do Twojego zastosowania kawitacyjnego.
Sonikatory sondowe, takie jak model UP400St wykorzystują zasadę działania kawitacji akustycznej.
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.
Sonicator sondowy czy kąpiel ultradźwiękowa: która metoda kawitacji jest odpowiednia?
Zarówno sonikatory sondowe, jak i wanny ultradźwiękowe wywołują kawitację akustyczną, jednak znacznie różnią się pod względem intensywności, możliwości regulacji i niezawodności procesu. Podczas gdy wanny ultradźwiękowe są przydatne do czyszczenia, sonikatory sondowe przekazują energię ultradźwiękową bezpośrednio do cieczy i tworzą znacznie silniejszą, skupioną strefę kawitacji. To sprawia, że sonikatory sondowe są preferowanym wyborem do powtarzalnych zastosowań związanych z przetwarzaniem cieczy, takich jak homogenizacja, emulgacja, ekstrakcja, rozbijanie komórek, dyspersja nanocząstek i reakcje sonochemiczne.
| Kryteria porównawcze | sonikator sondy | kąpiel ultradźwiękowa |
|---|---|---|
| intensywność kawitacji | Wytwarza kawitację akustyczną o wysokiej intensywności bezpośrednio na końcówce sonotrody. | Powoduje słabsze zjawisko kawitacji rozłożone w całej objętości wanny. |
| Transfer energii | Przekazuje energię ultradźwiękową bezpośrednio do cieczy, zawiesiny lub szlamu. | Przekazuje energię pośrednio poprzez płyn w wannie i ścianki wanny. |
| kontrola procesu | Umożliwia precyzyjną regulację amplitudy, mocy wejściowej, trybu impulsowego, temperatury i czasu obróbki. | Zapewnia ograniczoną kontrolę nad faktyczną ilością energii ultradźwiękowej docierającej do próbki. |
| odtwarzalność | Zapewnia powtarzalne wyniki sonikacji, gdy parametry procesu są określone i monitorowane. | Wyniki mogą się różnić w zależności od nierównomiernego rozkładu kawitacji, położenia zbiornika, materiału, z którego jest wykonany, poziomu napełnienia oraz obciążenia kąpieli. |
| Wydajność przetwarzania | Wysoce wydajne urządzenie do homogenizacji, dyspersji, emulgowania, ekstrakcji, rozbijania komórek oraz zastosowań sonochemicznych. | Nadaje się głównie do czyszczenia. |
| Objętość próbki | Dostępne zarówno dla niewielkich próbek laboratoryjnych, jak i dla partii pilotażowych oraz przemysłowych. | Zazwyczaj stosowane w przypadku małych naczyń lub wielu pojemników umieszczonych wewnątrz wanny. |
| skalowalność | Można to skalować od testów laboratoryjnych poprzez próby pilotażowe aż po ciągłą produkcję przemysłową w linii technologicznej. | Trudno jest zapewnić niezawodną skalowalność, ponieważ rozkład energii i natężenie kawitacji nie dają się łatwo przenieść. |
| Odpowiednie nośniki | Nadaje się do stosowania w przypadku cieczy, emulsji, zawiesin, szlamów oraz preparatów o wysokiej zawartości substancji stałych. | Najlepiej nadaje się do cieczy o niskiej lepkości oraz do prostych zadań związanych z czyszczeniem lub odgazowywaniem. |
| Typowe zastosowania | Dyspersja nanocząstek, nanoemulsje, ekstrakcja, liza komórek, homogenizacja, dezagregacja, mielenie na mokro oraz reakcje sonochemiczne. | Mycie naczyń szklanych, odgazowywanie cieczy, rozpuszczanie proszków oraz delikatne mieszanie próbek. |
| Najlepszy wybór dla | Kontrolowane, wydajne i powtarzalne przetwarzanie cieczy za pomocą ultradźwięków. | Zwykłe czyszczenie lub obróbka ultradźwiękowa o niskiej intensywności. |
Główne zastosowania sonikatorów i kawitacji akustycznej
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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
Skorzystaj z kawitacji ultradźwiękowej!
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
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.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspersji, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
często zadawane pytania
Czym jest kawitacja ultradźwiękowa?
Kawitacja ultradźwiękowa polega na powstawaniu, rozrastaniu się i gwałtownym zapadaniu się mikroskopijnych pęcherzyków w cieczy poddanej działaniu ultradźwięków o wysokiej intensywności. Zapadanie się tych pęcherzyków powoduje intensywne lokalne ścinanie, powstawanie mikrostrumieni cieczy, fale uderzeniowe, duże gradienty ciśnienia oraz silne efekty mikromieszania.
Jaka jest różnica między kawitacją ultradźwiękową a kawitacją akustyczną?
Kawitacja akustyczna to ogólne określenie kawitacji wywołanej falami dźwiękowymi. Kawitacja ultradźwiękowa to kawitacja akustyczna generowana przez częstotliwości ultradźwiękowe, zazwyczaj wykraczające poza zakres słyszalny. W przemysłowej obróbce cieczy oba terminy są często stosowane w odniesieniu do kawitacji wywoływanej przez ultradźwiękowe urządzenia o dużej mocy.
W jaki sposób kawitacja ultradźwiękowa usprawnia przetwarzanie cieczy?
Kawitacja ultradźwiękowa usprawnia przetwarzanie cieczy poprzez wywoływanie intensywnych efektów mechanicznych i chemicznych w jej wnętrzu. Efekty mechaniczne wspomagają mieszanie, homogenizację, emulgowanie, rozbijanie aglomeratów cząstek, mielenie na mokro, ekstrakcję oraz rozbijanie komórek. W układach reaktywnych kawitacja może również sprzyjać efektom sonochemicznym i poprawiać przenoszenie masy.
W jakich zastosowaniach wykorzystuje się kawitację ultradźwiękową?
Kawitacja ultradźwiękowa znajduje zastosowanie w homogenizacji, dyspersji, emulgowaniu, nanoemulgowaniu, ekstrakcji, odgazowywaniu, rozbijaniu aglomeratów, rozdrabnianiu cząstek, lizie komórek, niszczeniu mikroorganizmów, sonochemii, sonokatalizie oraz zaawansowanych reakcjach w fazie ciekłej.
Dlaczego ultradźwiękowce sondowe są skuteczne w wywoływaniu kawitacji?
Ultrasonografy sondowe przekazują energię ultradźwiękową bezpośrednio do cieczy za pośrednictwem sonotrody. To bezpośrednie sprzężenie energii powoduje powstanie strefy intensywnej kawitacji w pobliżu powierzchni sondy i umożliwia precyzyjną regulację kluczowych parametrów procesu, takich jak amplituda, moc wejściowa, temperatura, ciśnienie i czas trwania procesu.
Czy wanna ultradźwiękowa nadaje się do intensywnej kawitacji?
Wanny ultradźwiękowe powodują kawitację, jednak gęstość energii jest w nich zazwyczaj znacznie niższa i mniej skoncentrowana niż w przypadku sonikatorów sondowych. Wanny sprawdzają się przy czyszczeniu i łagodnej obróbce, natomiast sonikatory sondowe są preferowane do powtarzalnej homogenizacji, ekstrakcji, emulgacji, dyspersji, rozbijania komórek oraz przemysłowej obróbki cieczy.
Przeczytaj i zobacz, czym różnią się sonikatory sondowe od wanien ultradźwiękowych!
Jakie czynniki wpływają na intensywność kawitacji ultradźwiękowej?
Do najważniejszych parametrów należą: amplituda, moc ultradźwiękowa, powierzchnia sonotrody, objętość cieczy, lepkość, zawartość cząstek stałych, ciśnienie, temperatura, geometria zbiornika, geometria komory przepływowej, natężenie przepływu oraz czas przebywania. Regulacja tych parametrów pozwala dostosować intensywność kawitacji do wymagań procesu.
Czy kawitację ultradźwiękową można przenieść z laboratorium do produkcji?
Tak. Procesy kawitacji ultradźwiękowej można opracować w warunkach laboratoryjnych, a następnie przenieść na skalę pilotażową lub przemysłową poprzez regulację amplitudy, mocy wejściowej, geometrii sonotrody, natężenia przepływu oraz czasu przebywania. Firma Hielscher oferuje ultradźwiękowce i reaktory do badań laboratoryjnych, prób pilotażowych oraz ciągłej produkcji przemysłowej.
Literatura / Referencje
- 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 produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do rozmiar przemysłowy.