Cavitație cu ultrasunete în lichide
Cavitația ultrasonică este forța motrice din spatele procesării ultrasonice a lichidelor la intensitate ridicată. Când ultrasunetele puternice sunt aplicate într-un lichid, se formează bule de vapori microscopice, care cresc și se prăbușesc violent. Această cavitație acustică creează forțe de forfecare locale intense, microjeturi, unde de șoc, schimbări de presiune și efecte de microamestecare care pot accelera omogenizarea, dispersarea, emulsificarea, extracția, degazarea, distrugerea celulelor și reacțiile sonochimice.
Sonicatoarele cu sondă Hielscher utilizează cavitația acustică controlată pentru a transfera energia ultrasonică direct în lichide, suspensii și paste. De la mici probe de laborator până la producția industrială continuă în flux continuu, sistemele Hielscher vă permit să reglați amplitudinea, geometria sonotrodului, presiunea, temperatura, debitul și timpul de staționare pentru a obține rezultate de cavitație reproductibile.
- Pentru laboratoare: să dezvolte și să optimizeze parametrii de sonicare în volume mici.
- Pentru instalațiile pilot: să valideze procesele bazate pe cavitație în condiții reale de procesare.
- Pentru producție: integrarea cavitației ultrasonice la scară industrială în procese discontinue, cu recirculare sau continue în linie.
Spuneți-ne care este lichidul utilizat, volumul lotului sau debitul, vâscozitatea, conținutul de solide, limitele de temperatură și rezultatul dorit al procesului. Vă vom recomanda configurația optimă de sonicator, sonotrod și celulă de curgere pentru aplicația dumneavoastră de cavitație.
Sonicatoare de tip sondă, precum modelul UP400St utilizați principiul de lucru al cavitației acustice.
Principiul de lucru al cavitației cu ultrasunete
La sonicarea lichidelor la intensități mari, undele sonore care se propagă în mediul lichid au ca rezultat alternarea ciclurilor de înaltă presiune (compresie) și joasă presiune (rarefiere), cu rate în funcție de frecvență. În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de înaltă intensitate creează bule mici de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, ele se prăbușesc violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen se numește cavitație. În timpul imploziei, temperaturile foarte ridicate (aprox. 5.000K) și presiunile (aprox. 2.000atm) sunt atinse local. Implozia bulei de cavitație are ca rezultat, de asemenea, jeturi lichide cu o viteză de până la 280 m / s.
Cavitația acustică (generată de ultrasunetele de putere) creează la nivel local condiții extreme, așa-numitele efecte sonomecanice și sonochimice. Datorită acestor efecte, sonicare promovează reacții chimice care conduc la randamente mai mari, viteză de reacție mai rapidă, căi noi, și eficiență generală îmbunătățită.
Sonicator cu sondă sau baie cu ultrasunete: care metodă de cavitație este cea potrivită?
Atât sonicatoarele cu sondă, cât și băile cu ultrasunete generează 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 concentrată. Acest lucru face ca sonicatoarele cu sondă să fie alegerea preferată pentru aplicații de procesare a lichidelor reproductibile, cum ar fi omogenizarea, emulsificarea, extracția, ruperea celulelor, dispersia nanoparticulelor și reacțiile sonochimice.
| Criterii de comparație | sonicator de sondă | baie ultrasonică |
|---|---|---|
| intensitatea cavitării | Produce cavitație acustică de intensitate ridicată direct la vârful sonotrodului. | Produce o cavitație mai slabă, distribuită pe întregul volum al băii. |
| Transfer de energie | Transmite energia ultrasonică direct în lichid, suspensie sau pastă. | Transmite energia în mod indirect prin lichidul din cadă și prin peretele vasului. |
| Controlul procesului | Permite reglarea precisă a amplitudinii, a puterii de intrare, a modului de impuls, a temperaturii și a duratei de procesare. | Oferă un control limitat asupra energiei ultrasonice efective care ajunge la probă. |
| Reproductibilitate | Asigură rezultate reproductibile ale sonicației atunci când parametrii procesului sunt definiți și monitorizați. | Rezultatele pot varia în funcție de distribuția inegală a cavitației, de poziția recipientului, de materialul din care este fabricat, de nivelul de umplere și de încărcătura băii. |
| Eficiența procesării | Extrem de eficient pentru omogenizare, dispersare, emulsificare, extracție, ruperea celulelor și sonochimie. | Potrivit în special pentru curățare. |
| Volumul eșantionului | Disponibil atât pentru probe de laborator de mici dimensiuni, cât și pentru volume pilot și industriale. | Se utilizează de obicei pentru vase mici sau pentru mai multe recipiente așezate în cadă. |
| extindere | Poate fi adaptat de la testele de laborator la studiile pilot și la procesarea industrială continuă în linie. | Este dificil de scalat în mod fiabil, deoarece distribuția energiei și intensitatea cavitației nu sunt ușor de transferat. |
| Suporturi adecvate | Eficient pentru lichide, emulsii, suspensii, paste și formulări cu conținut ridicat de solide. | Este ideal pentru lichide cu vâscozitate redusă și pentru operațiuni simple de curățare sau degazare. |
| Aplicații tipice | Dispersia nanoparticulelor, nanoemulsii, extracție, liza celulară, omogenizare, deaglomerare, măcinare umedă și reacții sonochimice. | Curățarea sticlei, degazarea lichidelor, dizolvarea pulberilor și agitare ușoară a probelor. |
| Cea mai bună alegere pentru | Prelucrarea lichidelor prin ultrasunete: controlată, puternică și reproductibilă. | Curățare simplă sau tratament cu ultrasunete de intensitate redusă. |
Principalele aplicații ale sonicatoarelor și cavitației acustice
Sondă de tip ultrasonicators, de asemenea, cunoscut sub numele de sonde cu ultrasunete, generează în mod eficient cavitație acustică intensă în lichide. Prin urmare, acestea sunt utilizate pe scară largă în diverse aplicații din diferite industrii. Unele dintre cele mai importante aplicații ale cavitației acustice generate de ultrasonicators de tip sondă includ:
- Omogenizarea: Sondele cu ultrasunete pot genera cavitație intensă, care este caracterizată ca un câmp dens energetic de vibrații și forțe de forfecare. Aceste forțe asigură o amestecare excelentă, amestecare și reducerea dimensiunii particulelor. Omogenizarea cu ultrasunete produce suspensii mixte uniforme. Prin urmare, sonicare este utilizat pentru a produce suspensie coloidală omogenă cu curbe înguste de distribuție.
- Dispersia nanoparticulelor: Ultrasonicators sunt folosite pentru dispersia, dezaglomerarea și măcinarea umedă a nanoparticulelor. Undele cu ultrasunete de joasă frecvență pot genera cavitație impactantă, care descompune aglomeratele și reduce dimensiunea particulelor. În special, forfecarea ridicată a jeturilor lichide accelerează particulele din lichid, care se ciocnesc între ele (coliziune interparticule), astfel încât particulele se rup și se erodează în consecință. Acest lucru are ca rezultat o distribuție uniformă și stabilă a particulelor, împiedicând sedimentarea. Acest lucru este esențial în diverse domenii, inclusiv nanotehnologia, știința materialelor și produsele farmaceutice.
- Emulsionare și amestecare: Sonda de tip ultrasonicators sunt folosite pentru a crea emulsii și se amestecă lichide. Energia ultrasonică provoacă cavitație, formarea și prăbușirea bulelor microscopice, ceea ce generează forțe locale intense de forfecare. Acest proces ajută la emulsionarea lichidelor nemiscibile, producând emulsii stabile și fin dispersate.
- Extracție: Datorită forțelor de forfecare cavitaționale, ultrasonicators sunt extrem de eficiente în perturbarea structurilor celulare și pentru a îmbunătăți transferul de masă între solid și lichid. Prin urmare, extracția cu ultrasunete este utilizat pe scară largă pentru a elibera material intracelular, ar fi compuși bioactivi pentru producerea de extracte botanice de înaltă calitate.
- Degazare și dezaerare: Sonda de tip ultrasonicators sunt folosite pentru a elimina bulele de gaz sau gazele dizolvate din lichide. Aplicarea cavitației cu ultrasunete promovează coalescența bulelor de gaz, astfel încât acestea să crească și să plutească în partea superioară a lichidului. Cavitația cu ultrasunete face degazificarea o procedură rapidă și eficientă. Acest lucru este valoros în diverse industrii, cum ar fi vopselele, fluidele hidraulice sau prelucrarea alimentelor și băuturilor, unde prezența gazelor poate avea un impact negativ asupra calității și stabilității produselor.
- Sonocataliză: Sondele cu ultrasunete pot fi utilizate pentru sonocataliză, un proces care combină cavitația acustică cu catalizatori pentru a spori reacțiile chimice. Cavitația generată de undele ultrasonice îmbunătățește transferul de masă, crește ratele de reacție și promovează producția de radicali liberi, ceea ce duce la transformări chimice mai eficiente și selective.
- Pregătirea probei: Ultrasonicators tip sondă sunt utilizate în mod obișnuit în laboratoare pentru prepararea probei. Acestea sunt utilizate pentru omogenizarea, dezagregarea și extragerea probelor biologice, cum ar fi celulele, țesuturile și virușii. Energia ultrasonică generată de sondă perturbă membranele celulare, eliberând conținutul celular și facilitând analiza ulterioară.
- Dezintegrarea și întreruperea celulelor: Ultrasonicators tip sondă sunt utilizate pentru a dezintegra și perturba celulele și țesuturile în diverse scopuri, ar fi extracția componentelor intracelulare, inactivarea microbiană, sau pregătirea probei pentru analiză. Undele ultrasonice de mare intensitate și cavitația generată astfel provoacă stres mecanic și forțe de forfecare, ducând la dezintegrarea structurilor celulare. În cercetarea biologică și diagnosticarea medicală, ultrasonicators tip sondă sunt utilizate pentru liza celulară, procesul de rupere a celulelor deschise pentru a elibera componentele lor intracelulare. Energia cu ultrasunete perturbă pereții celulari, membranele și organele, permițând extracția proteinelor, ADN-ului, ARN-ului și a altor constituenți celulari.
Acestea sunt unele dintre aplicațiile cheie ale ultrasonicators de tip sondă, dar tehnologia are o gamă și mai largă de alte utilizări, inclusiv sonochimia, reducerea dimensiunii particulelor (frezarea umedă), sinteza particulelor de jos în sus și sonosinteza substanțelor și materialelor chimice în diverse industrii, ar fi industria farmaceutică, prelucrarea alimentelor, biotehnologia și științele mediului.
O secvență de mare viteză (de la a la f) de cadre ilustrând exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200S, un ultrasonicator de 200W cu sonotrodă de 3 mm. Săgețile arată locul divizării particulelor cu bule de cavitație care penetrează divizarea.
© Tyurnina și colab. 2020
Profitați de avantajele cavitației ultrasonice!
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:
| Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500 ml | 10 până la 200 ml/min | UP100H |
| 10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 până la 20L | 00.2 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 | grup de UIP16000 |
Video de cavitație acustică în lichid
Următorul videoclip demonstrează cavitație acustică la cascatroda ultrasonicator UIP1000hdT într-o coloană de sticlă umplută cu apă. Coloana de sticlă este iluminată din partea inferioară de lumină roșie pentru a îmbunătăți vizualizarea bulelor de cavitație.
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersie, emulsionare și extracție pe laborator, pilot și scară industrială.
Întrebări frecvente
Ce este Cavitația cu ultrasunete?
Cavitația ultrasonică reprezintă formarea, creșterea și colapsul violent al unor bule microscopice într-un lichid expus la ultrasunete de intensitate ridicată. Colapsul acestor bule generează forțe de forfecare locale intense, microjeturi de lichid, unde de șoc, gradienți de presiune ridicați și efecte puternice de microamestecare.
Care este diferența dintre cavitația ultrasonică și cavitația acustică?
Cavitația acustică este termenul general care se referă la cavitația provocată de undele sonore. Cavitația ultrasonică este cavitația acustică generată de frecvențe ultrasonice, de obicei situate peste domeniul audibil. În procesarea industrială a lichidelor, ambii termeni sunt adesea folosiți pentru a desemna cavitația produsă de aparate cu ultrasunete de mare putere.
Cum îmbunătățește cavitația ultrasonică procesarea lichidelor?
Cavitația ultrasonică îmbunătățește procesarea lichidelor prin generarea de efecte mecanice și chimice intense în interiorul acestora. Efectele mecanice favorizează amestecarea, omogenizarea, emulsificarea, dezaglomerarea particulelor, măcinarea umedă, extracția și distrugerea celulelor. În sistemele reactive, cavitația poate stimula, de asemenea, efectele sonochimice și poate îmbunătăți transferul de masă.
Ce aplicații utilizează cavitația ultrasonică?
Cavitația ultrasonică este utilizată pentru omogenizare, dispersare, emulsificare, nanoemulsificare, extracție, degazare, deaglomerare, reducerea dimensiunii particulelor, liza celulară, distrugerea microorganismelor, sonochimie, sonocataliză și reacții avansate în fază lichidă.
De ce sunt generatoarele de ultrasunete de tip sondă eficiente pentru cavitație?
Generatoarele de ultrasunete de tip sondă transmit energia ultrasonică direct în lichid prin intermediul unui sonotrod. Această cuplare directă a energiei creează o zonă de cavitație intensă în apropierea suprafeței sondei și permite reglarea precisă a parametrilor importanți ai procesului, precum amplitudinea, puterea de intrare, temperatura, presiunea și durata de procesare.
Este o baie cu ultrasunete potrivită pentru cavitație puternică?
Băile cu ultrasunete produc cavitație, dar densitatea energetică este, de obicei, mult mai scăzută și mai puțin concentrată decât în cazul unui sonicator cu sondă. Băile sunt utile pentru curățare și tratamente ușoare, în timp ce sonicatoarele cu sondă sunt preferate pentru omogenizarea reproductibilă, extracție, emulsificare, dispersie, ruperea celulelor și prelucrarea industrială a lichidelor.
Citiți și urmăriți diferențele dintre sonicatoarele cu sondă și băile cu ultrasunete!
Care sunt parametrii care influențează intensitatea cavitației ultrasonice?
Printre parametrii importanți se numără amplitudinea, puterea ultrasonică, suprafața sonotrodului, volumul lichidului, vâscozitatea, conținutul de solide, presiunea, temperatura, geometria vasului, geometria celulei de curgere, debitul și timpul de staționare. Reglarea acestor parametri permite adaptarea intensității cavitației la obiectivul procesului.
Se poate transpone cavitația ultrasonică de la nivel de laborator la nivel de producție?
Da. Procesele de cavitație ultrasonică pot fi dezvoltate la scară de laborator și transferate la scară pilot sau industrială prin controlul amplitudinii, al energiei de intrare, al geometriei sonotrodului, al debitului și al timpului de staționare. Hielscher oferă aparate cu ultrasunete 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 produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la Laborator spre dimensiunea industrială.