Cavitație cu ultrasunete în lichide
Undele ultrasonice de ultrasunete de înaltă intensitate generează cavitație acustică în lichide. Cavitația provoacă efecte extreme la nivel local, cum ar fi jeturi lichide de până la 1000 km / oră, presiuni de până la 2000 atm și temperaturi de până la 5000 Kelvin. Aceste forțe generate ultrasonically sunt utilizate pentru numeroase aplicații de prelucrare a lichidelor, ar fi omogenizarea, dispersarea, emulsionarea, extracția, întreruperea celulelor, precum și intensificarea reacțiilor chimice.
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.
Ultrasonicators de tip sondă, ar fi UP400St utilizați principiul de lucru al cavitației acustice.
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.
Aplicații cheie ale ultrasonicators folosind cavitație acustică
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:
Cavitație ultrasonică puternică la cascatrodă cu ultrasunete Hielscher
- 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
Cavitație cu ultrasunete la sonda cascatrodă a ultrasonicator UIP1000hdT (1000 wați, 20kHz) într-un reactor de sticlă.
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.
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
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 |
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersie, emulsionare și extracție pe laborator, pilot și scară industrială.
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.