Cavitația ultrasonică în lichide
Cavitația ultrasonică este forța motrice din spatele procesării lichidelor cu ultrasunete de intensitate ridicată. Atunci când ultrasunetele de mare putere sunt cuplate într-un lichid, se formează bule microscopice de vapori, care cresc și colapsează violent. Această cavitație acustică generează forțe locale intense de forfecare, microjeturi, unde de șoc, variații de presiune și efecte de micro-amestecare care pot accelera omogenizarea, dispersarea, emulsionarea, extracția, degazarea, dezintegrarea celulelor și reacțiile sonochimice.
Sonicatoarele cu sondă Hielscher utilizează cavitația acustică controlată pentru a transfera energia ultrasonică direct în lichide, suspensii și suspensii dense. De la probe mici de laborator până la producția industrială continuă în flux, sistemele Hielscher vă permit să ajustați amplitudinea, geometria sonotrodei, presiunea, temperatura, debitul și timpul de rezidență pentru rezultate reproductibile ale cavitației.
- Pentru laboratoare: dezvoltați și optimizați parametrii de sonicare în volume mici.
- Pentru instalații pilot: validați procesele bazate pe cavitație în condiții realiste de procesare.
- Pentru producție: transpuneți la scară cavitația ultrasonică în procese discontinue (batch), cu recirculare sau continue în linie.
Spuneți-ne care sunt lichidul dumneavoastră, volumul lotului sau debitul, vâscozitatea, conținutul de solide, limitele de temperatură și rezultatul țintă al procesului. Vă vom recomanda configurația optimă de sonicator, sonotrodă și celulă de flux pentru aplicația dumneavoastră de cavitație.
Sonicatoarele cu sondă, precum UP400St, utilizează principiul de funcționare al cavitației acustice.
Principiul de funcționare al cavitației ultrasonice
La sonicarea lichidelor la intensități ridicate, undele sonore care se propagă în mediul lichid generează cicluri alternante de presiune înaltă (compresie) și de presiune joasă (rarefiere), cu o rată care depinde de frecvență. În timpul ciclului de presiune joasă, undele ultrasonice de intensitate ridicată creează mici bule de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, ele colapsează violent în timpul unui ciclu de presiune înaltă. Acest fenomen se numește cavitație. În timpul imploziei se ating local temperaturi foarte ridicate (aprox. 5.000K) și presiuni foarte ridicate (aprox. 2.000atm). Implozia bulei de cavitație generează, de asemenea, jeturi de lichid cu viteze de până la 280m/s.
Cavitația acustică (generată de ultrasunetele de putere) creează local condiții extreme, așa-numitele efecte sonomecanice și sonochimice. Datorită acestor efecte, sonicarea favorizează reacțiile chimice, conducând la randamente mai mari, viteze de reacție mai mari, noi căi de reacție și o eficiență globală îmbunătățită.
Sonicator cu sondă sau baie cu ultrasunete: ce metodă de cavitație este potrivită?
Sonicatoarele cu sondă și băile cu ultrasunete generează ambele cavitație acustică, dar diferă semnificativ în ceea ce privește intensitatea, controlul și fiabilitatea procesului. În timp ce băile cu ultrasunete sunt utile pentru curățare, sonicatoarele cu sondă cuplează energia ultrasonică direct în lichid și creează o zonă de cavitație mult mai puternică și focalizată. Acest lucru face ca sonicatoarele cu sondă să fie alegerea preferată pentru aplicațiile reproductibile de procesare a lichidelor, cum ar fi omogenizarea, emulsionarea, extracția, dezintegrarea celulelor, dispersarea nanoparticulelor și reacțiile sonochimice.
| Criterii de comparație | Sonicator cu sondă | Baie cu ultrasunete |
|---|---|---|
| Intensitatea cavitației | Produce cavitație acustică de intensitate ridicată direct la vârful sonotrodei. | Produce o cavitație mai slabă, distribuită în întregul volum al băii. |
| Transferul de energie | Transferă energia ultrasonică direct în lichid, suspensie sau suspensie densă. | Transferă energia indirect, prin lichidul din baie și prin peretele recipientului. |
| Controlul procesului | Permite ajustarea precisă a amplitudinii, a puterii introduse, a modului de puls, a temperaturii și a duratei de procesare. | Oferă un control limitat asupra energiei ultrasonice care ajunge efectiv la probă. |
| Reproductibilitate | Oferă rezultate reproductibile ale sonicării atunci când parametrii de proces sunt definiți și monitorizați. | Rezultatele pot varia din cauza distribuției neuniforme a cavitației, a poziției recipientului, a materialului recipientului, a nivelului de umplere și a încărcării băii. |
| Eficiența procesării | Foarte eficient pentru omogenizare, dispersare, emulsionare, extracție, dezintegrarea celulelor și sonochimie. | Adecvată în principal pentru curățare. |
| Volumul probei | Disponibil atât pentru probe mici de laborator, cât și pentru volume pilot și industriale. | Utilizată de obicei pentru recipiente mici sau pentru mai multe recipiente plasate în interiorul băii. |
| Transpunerea la scară | Poate fi transpus la scară de la testele de laborator la încercările pilot și la procesarea industrială continuă în linie. | Dificil de transpus la scară în mod fiabil, deoarece distribuția energiei și intensitatea cavitației nu sunt ușor transferabile. |
| Medii adecvate | Eficient pentru lichide, emulsii, suspensii, suspensii dense și formulări cu conținut ridicat de solide. | Cea mai potrivită pentru lichide cu vâscozitate scăzută și pentru sarcini simple de curățare sau degazare. |
| Aplicații tipice | Dispersarea nanoparticulelor, nanoemulsii, extracție, liză celulară, omogenizare, dezaglomerare, măcinare umedă și reacții sonochimice. | Curățarea sticlăriei de laborator, degazarea lichidelor, dizolvarea pulberilor și agitarea ușoară a probelor. |
| Cea mai bună alegere pentru | Procesarea ultrasonică controlată, puternică și reproductibilă a lichidelor. | Curățare simplă sau tratament ultrasonic de intensitate scăzută. |
Aplicații cheie ale sonicatoarelor și ale cavitației acustice
Ultrasonicatoarele cu sondă, cunoscute și sub numele de sonde ultrasonice, generează eficient cavitație acustică intensă în lichide. Prin urmare, acestea sunt utilizate pe scară largă în diverse aplicații din diferite industrii. Printre cele mai importante aplicații ale cavitației acustice generate de ultrasonicatoarele cu sondă se numără:
- Omogenizare: Sondele ultrasonice pot genera cavitație intensă, care se caracterizează ca un câmp dens energetic de vibrații și forțe de forfecare. Aceste forțe asigură rezultate excelente de amestecare, combinare și reducere a dimensiunii particulelor. Omogenizarea ultrasonică produce suspensii amestecate uniform. Prin urmare, sonicarea este utilizată pentru a produce suspensii coloidale omogene cu curbe de distribuție înguste.
- Dispersarea nanoparticulelor: Ultrasonicatoarele sunt utilizate pentru dispersarea, dezaglomerarea și măcinarea umedă a nanoparticulelor. Undele ultrasonice de joasă frecvență pot genera o cavitație cu impact puternic, care descompune aglomeratele și reduce dimensiunea particulelor. În special, forfecarea ridicată a jeturilor de lichid accelerează particulele din lichid, care se ciocnesc între ele (coliziune interparticulară), astfel încât particulele se rup și se erodează în consecință. Aceasta are ca rezultat o distribuție uniformă și stabilă a particulelor, prevenind sedimentarea. Acest lucru este esențial în diverse domenii, inclusiv nanotehnologia, știința materialelor și industria farmaceutică.
- Emulsionare și amestecare: Ultrasonicatoarele cu sondă sunt utilizate pentru a crea emulsii și pentru a amesteca lichide. Energia ultrasonică provoacă cavitația, adică formarea și colapsul unor bule microscopice, care generează forțe locale intense de forfecare. Acest proces ajută la emulsionarea lichidelor nemiscibile, producând emulsii stabile și fin dispersate.
- Extracție: Datorită forțelor de forfecare generate de cavitație, ultrasonicatoarele sunt foarte eficiente în distrugerea structurilor celulare și în îmbunătățirea transferului de masă între solid și lichid. Prin urmare, extracția ultrasonică este utilizată pe scară largă pentru eliberarea materialului intracelular, cum ar fi compușii bioactivi, în vederea producerii de extracte botanice de înaltă calitate.
- Degazare și dezaerare: Ultrasonicatoarele cu sondă sunt utilizate pentru a îndepărta bulele de gaz sau gazele dizolvate din lichide. Aplicarea cavitației ultrasonice favorizează coalescența bulelor de gaz, astfel încât acestea cresc și se ridică la suprafața lichidului. Cavitația ultrasonică face din degazare o procedură rapidă și eficientă. Acest lucru este valoros în diverse industrii, cum ar fi cele ale vopselelor, ale fluidelor hidraulice sau procesarea alimentelor și a băuturilor, unde prezența gazelor poate afecta negativ calitatea și stabilitatea produsului.
- Sonocataliză: Sondele ultrasonice pot fi utilizate pentru sonocataliză, un proces care combină cavitația acustică cu catalizatori pentru a intensifica reacțiile chimice. Cavitația generată de undele ultrasonice îmbunătățește transferul de masă, crește vitezele de reacție și favorizează producerea de radicali liberi, conducând la transformări chimice mai eficiente și mai selective.
- Pregătirea probelor: Ultrasonicatoarele cu sondă sunt utilizate în mod obișnuit în laboratoare pentru pregătirea probelor. Ele sunt utilizate pentru omogenizarea, dezagregarea și extracția probelor biologice, cum ar fi celule, țesuturi și virusuri. Energia ultrasonică generată de sondă distruge membranele celulare, eliberând conținutul celular și facilitând analizele ulterioare.
- Dezintegrare și dezintegrarea celulelor: Ultrasonicatoarele cu sondă sunt utilizate pentru dezintegrarea și distrugerea celulelor și țesuturilor în diverse scopuri, cum ar fi extracția componentelor intracelulare, inactivarea microbiană sau pregătirea probelor pentru analiză. Undele ultrasonice de intensitate ridicată și cavitația generată astfel provoacă stres mecanic și forțe de forfecare, ducând la dezintegrarea structurilor celulare. În cercetarea biologică și în diagnosticul medical, ultrasonicatoarele cu sondă sunt utilizate pentru liza celulară, procesul de deschidere a celulelor pentru eliberarea componentelor lor intracelulare. Energia ultrasonică distruge pereții celulari, membranele și organitele, permițând extracția proteinelor, a ADN-ului, a ARN-ului și a altor constituenți celulari.
Acestea sunt câteva dintre aplicațiile cheie ale ultrasonicatoarelor cu sondă, însă tehnologia are o gamă și mai largă de alte utilizări, inclusiv sonochimia, reducerea dimensiunii particulelor (măcinare umedă), sinteza de particule de tip bottom-up și sono-sinteza de substanțe chimice și materiale în diverse industrii, cum ar fi industria farmaceutică, procesarea alimentelor, biotehnologia și științele mediului.
O secvență de cadre de mare viteză (de la a la f) care ilustrează exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă utilizând UP200S, un ultrasonicator de 200W cu sonotrodă de 3 mm. Săgețile indică locul de scindare a particulelor, cu bule de cavitație care pătrund în fisură.
© Tyurnina et al. 2020
Profitați de cavitația ultrasonică!
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:
| Volumul lotului | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500mL | 10 până la 200mL/min | UP100H |
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 până la 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | cluster de UIP16000 |
Videoclip cu cavitația acustică în lichid
Videoclipul următor demonstrează cavitația acustică la sonotroda Cascatrode a ultrasonicatorului UIP1000hdT, într-o coloană de sticlă umplută cu apă. Coloana de sticlă este iluminată de jos cu lumină roșie pentru a îmbunătăți vizualizarea bulelor de cavitație.
Hielscher Ultrasonics fabrică omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersare, emulsionare și extracție la scară de laborator, pilot și industrială.
Întrebări frecvente
Ce este cavitația ultrasonică?
Cavitația ultrasonică reprezintă formarea, creșterea și colapsul violent al bulelor microscopice dintr-un lichid expus la ultrasunete de intensitate ridicată. Colapsul acestor bule creează forfecare locală intensă, microjeturi de lichid, unde de șoc, gradienți mari de presiune și efecte puternice de micro-amestecare.
Care este diferența dintre cavitația ultrasonică și cavitația acustică?
Cavitația acustică este termenul general pentru cavitația provocată de undele sonore. Cavitația ultrasonică este cavitația acustică generată de frecvențe ultrasonice, de obicei peste domeniul audibil. În procesarea industrială a lichidelor, ambii termeni sunt adesea utilizați pentru cavitația produsă de ultrasonicatoarele de mare putere.
Cum îmbunătățește cavitația ultrasonică procesarea lichidelor?
Cavitația ultrasonică îmbunătățește procesarea lichidelor prin crearea unor efecte mecanice și chimice intense în interiorul lichidului. Efectele mecanice susțin amestecarea, omogenizarea, emulsionarea, dezaglomerarea particulelor, măcinarea umedă, extracția și dezintegrarea celulelor. În sistemele reactive, cavitația poate, de asemenea, să favorizeze efectele sonochimice și să îmbunătățească transferul de masă.
Ce aplicații utilizează cavitația ultrasonică?
Cavitația ultrasonică este utilizată pentru omogenizare, dispersare, emulsionare, nanoemulsionare, extracție, degazare, dezaglomerare, reducerea dimensiunii particulelor, liză celulară, dezintegrare microbiană, sonochimie, sonocataliză și reacții avansate în fază lichidă.
De ce sunt ultrasonicatoarele cu sondă eficiente pentru cavitație?
Ultrasonicatoarele cu sondă transmit energia ultrasonică direct în lichid prin intermediul unei sonotrode. Această cuplare directă a energiei creează o zonă intensă de cavitație în apropierea suprafeței sonotrodei și permite ajustarea precisă a unor parametri de proces importanți, cum ar fi amplitudinea, puterea introdusă, temperatura, presiunea și durata de procesare.
Este o baie cu ultrasunete adecvată pentru o cavitație puternică?
Băile cu ultrasunete produc cavitație, dar densitatea de energie este de obicei mult mai mică și mai puțin focalizată decât în cazul unui sonicator cu sondă. Băile sunt utile pentru curățare și tratamente blânde, în timp ce ultrasonicatoarele cu sondă sunt preferate pentru procese reproductibile de omogenizare, extracție, emulsionare, dispersare, dezintegrare a celulelor și procesare industrială a lichidelor.
Citiți și urmăriți în ce se deosebesc sonicatoarele cu sondă de băile cu ultrasunete!
Ce parametri influențează intensitatea cavitației ultrasonice?
Printre parametrii importanți se numără amplitudinea, puterea ultrasonică, suprafața sonotrodei, volumul de lichid, vâscozitatea, conținutul de solide, presiunea, temperatura, geometria recipientului, geometria celulei de flux, debitul și timpul de rezidență. Ajustarea acestor parametri permite adaptarea intensității cavitației la obiectivul procesului.
Poate fi cavitația ultrasonică transpusă la scară de la laborator la producție?
Da. Procesele de cavitație ultrasonică pot fi dezvoltate în volume de laborator și transferate la scară pilot sau industrială prin controlul amplitudinii, al aportului de energie, al geometriei sonotrodei, al debitului și al timpului de rezidență. Hielscher oferă ultrasonicatoare și reactoare pentru teste de laborator, încercări pilot și producție industrială continuă.
Literatură / Referințe
- 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 fabrică omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță, de la dimensiunea de laborator până la dimensiunea industrială.