Aplicarea ultrasunetelor de putere folosind coarne cu ultrasunete

Coarne cu ultrasunete sau sonde sunt utilizate pe scară largă pentru aplicații multiple de prelucrare a lichidelor, inclusiv omogenizarea, dispersarea, frezarea umedă, emulsionarea, extracția, dezintegrarea, dizolvarea și dezaerarea. Aflați elementele de bază despre coarnele cu ultrasunete, sondele cu ultrasunete și aplicațiile acestora.

Corn cu ultrasunete vs sondă cu ultrasunete

Adesea, termenul corn cu ultrasunete și sondă sunt utilizate interschimbabil și se referă la tija cu ultrasunete care transmite undele cu ultrasunete în lichid. Alți termeni care sunt utilizați pentru sonda cu ultrasunete sunt corn acustic, sonotrode, ghid de undă acustic, sau degetul cu ultrasunete. Cu toate acestea, din punct de vedere tehnic există o diferență între un corn cu ultrasunete și o sondă cu ultrasunete.
Ambele, corn și sondă, se referă la părți ale așa-numitului ultrasonicator de tip sondă. Pâlnia ultrasonică este partea metalică a traductorului ultrasonic, care se excită prin vibrații generate piezoelectric. Pâlnia ultrasonică vibrează la o anumită frecvență, de exemplu 20kHz, ceea ce înseamnă 20.000 de vibrații pe secundă. Titanul este materialul preferat pentru fabricarea coarnelor cu ultrasunete datorită proprietăților sale excelente de transmisie acustică, rezistenței sale robuste la oboseală și durității suprafeței.

Sonda cu ultrasunete este, de asemenea, numit sonotrode sau degetul cu ultrasunete. Este o tijă metalică, cel mai adesea realizată din titan și filetată la cornul ultrasonic. Sonda cu ultrasunete este o parte esențială a procesorului cu ultrasunete, care transmite undele cu ultrasunete în mediul sonicated. Sonde cu ultrasunete / sonotrodes sunt în diferite forme (de exemplu, conice, vârf, conice, sau ca Cascatrode) disponibile. În timp ce titanul este cel mai frecvent utilizat material pentru sonde cu ultrasunete, există, de asemenea, sonotrode realizate din oțel inoxidabil, ceramică, sticlă și alte materiale disponibile.

Deoarece cornul cu ultrasunete și sonda sunt sub compresie constantă sau tensiune în timpul sonicare, selecția materialului de corn și sondă sunt cruciale. Aliajul de titan de înaltă calitate (gradul 5) este considerat cel mai fiabil, durabil și eficient metal pentru a rezista solicitărilor, pentru a susține amplitudini mari pe perioade lungi de timp și pentru a transmite proprietățile acustice și mecanice.

Ultrasonicators de înaltă performanță funcționează în cea mai mare parte în intervalul de frecvență de 20-30kHz. La 20 kHz, sonda cu ultrasunete este de obicei o tijă de rezonanță lungă de o jumătate de lungime de undă, care se extinde constant și se contractă de 20.000 de ori pe secundă. Mișcările de dilatare și contracție sunt transmise ca ultrasunete de mare putere în mediul de proces, adică fluid sau suspensie, pentru a îndeplini aplicații precum

• Amestecarea cu ultrasunete de înaltă forfecare
• frezare umedă cu ultrasunete
• Dispersia cu ultrasunete a nanoparticulelor
• nano-emulsionare cu ultrasunete
• extracție cu ultrasunete
• dezintegrarea cu ultrasunete
• Întreruperea celulelor cu ultrasunete și liza
• Degazare cu ultrasunete și dezaerare
• sonochimie (sono-sinteză, sono-cataliză)

Cum funcționează ultrasunetele de putere? – Principiul de lucru al cavitației acustice

Pentru aplicații cu ultrasunete de înaltă performanță, ar fi omogenizarea, reducerea dimensiunii particulelor, dezintegrarea sau nano-dispersiile, ultrasunetele de înaltă intensitate, de joasă frecvență sunt generate de un traductor cu ultrasunete și transmise prin corn ultrasonic și sondă (sonotrode) într-un lichid. Ultrasunetele de mare putere sunt considerate ultrasunete în intervalul 16-30kHz. Sonda cu ultrasunete se extinde și se contractă, de exemplu, la 20kHz, transmițând astfel 20.000 de vibrații pe secundă în mediu. Când undele ultrasonice călătoresc prin lichid, alternând cicluri de înaltă presiune (compresie) / joasă presiune (rarefiere / expansiune) creează cavități minuscule (bule de vid), care cresc pe parcursul mai multor cicluri de presiune. În timpul fazei de compresie a lichidului și a bulelor, presiunea este pozitivă, în timp ce faza de rarefiere produce un vid (presiune negativă). În timpul ciclurilor de compresie-expansiune, cavitățile din lichid cresc până când ajung la o dimensiune la care nu pot absorbi energie suplimentară. În acest moment, fac implozie violentă. Implozia acestor cavități are ca rezultat diferite efecte extrem de energetice, care sunt cunoscute sub numele de fenomen de cavitație acustică / ultrasonică. Cavitația acustică se caracterizează prin efecte multiple de înaltă energie, care afectează lichidele, sistemele solide / lichide, precum și sistemele de gaz / lichid. Zona densă energetic sau zona cavitațională este cunoscută sub numele de așa-numita zonă fierbinte, care este cea mai densă din punct de vedere energetic în imediata vecinătate a sondei cu ultrasunete și scade odată cu creșterea distanței de sonotrode. Principalele caracteristici ale cavitației cu ultrasunete includ temperaturile și presiunile foarte ridicate care apar local și diferențialele respective, turbulențe și streaming lichid. În timpul imploziei cavităților cu ultrasunete în punctele fierbinți cu ultrasunete, pot fi măsurate temperaturi de până la 5000 Kelvin, presiuni de până la 200 atmosfere și jeturi lichide cu până la 1000 km / h. Aceste condiții remarcabile de intensitate energetică contribuie la efectele sonomecanice și sonochimice care intensifică procesele și reacțiile chimice în diferite moduri.
Principalul impact al ultrasonication asupra lichidelor și suspensiilor sunt următoarele:

• Forfecare înaltă: Forțele de forfecare cu ultrasunete de mare forfecare perturba lichide și sisteme lichid-solide, provocând agitație intensă, omogenizare și transfer de masă.
• Impact: Jeturile lichide și streamingul generat de cavitația cu ultrasunete accelerează solidele în lichide, ceea ce duce ulterior la coliziune interparticluară. Când particulele se ciocnesc la viteze foarte mari, ele se erodează, se sparg și se frezează și se dispersează fin, adesea până la dimensiuni nanometrice. Pentru materia biologică, cum ar fi materialele vegetale, jeturile lichide de mare viteză și ciclurile de presiune alternativă perturbă pereții celulari și eliberează materialul intracelular. Acest lucru are ca rezultat extracția extrem de eficientă a compușilor bioactivi și amestecarea omogenă a materiei biologice.
• Agitație: Ultrasonication provoacă turbulențe intense, forțe de forfecare și micro-mișcare în lichid sau suspensie. Astfel, sonicare intensifică întotdeauna transferul de masă și accelerează astfel reacțiile și procesele.

Omogenizatoare cu ultrasunete și mixere de înaltă forfecare sunt utilizate în aproape orice industrie de prelucrare, care funcționează cu lichide sau suspensii. Forțele cavitaționale intense cu ultrasunete creează agitație intensă, forfecare, ruperea particulelor și transferul de masă. Astfel, lichidele sunt omogenizate, dispersate, emulsionate, extrase, dizolvate și/sau se inițiază reacții chimice. În general, ultrasonication este o metodă de intensificare a procesului care crește randamentul, îmbunătățește ratele de conversie și face procesele mai eficiente.
Aplicații comune cu ultrasunete în industrie sunt răspândite în multe ramuri ale produselor alimentare & farmaceutică, chimie fină, energie & petrochimie, reciclare, biorafinării etc. și includ următoarele:

• Sinteza biodieselului cu ultrasunete
• omogenizarea cu ultrasunete a sucurilor de fructe
• producția cu ultrasunete de vaccinuri
• Reciclarea bateriei Li-ion cu ultrasunete
• Sinteza cu ultrasunete a nano-materialelor
• Formularea cu ultrasunete a produselor farmaceutice
• nano-emulsionarea cu ultrasunete a CBD
• Extracția cu ultrasunete a Botanicals
• Pregătirea probei cu ultrasunete în laboratoare
• Degazificarea cu ultrasunete a lichidelor
• Desulfurarea cu ultrasunete a brutului
• și multe altele ...

Coarne și sonde ultrasonice pentru aplicații de înaltă performanță

Hielscher Ultrasonics este producător de experiențe de lungă durată și distribuitor de ultrasonicators de mare putere, care sunt utilizate la nivel mondial pentru aplicații grele în multe industrii.
Cu procesoare cu ultrasunete în toate dimensiunile de la 50 wați la 16kW pe dispozitiv, sonde la diferite dimensiuni și forme, reactoare cu ultrasunete cu diferite volume și geometrii, Hielscher Ultrasonics are echipamentul potrivit pentru a configura configurarea cu ultrasunete ideal pentru aplicația dumneavoastră.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: