Ультразвуковая технология: области применения и процессы

Ультразвуковая обработка – это метод механической обработки, при котором создается акустическая кавитация и высокоинтенсивные физические силы. Таким образом, ультразвук используется для различных целей, таких как смешивание, гомогенизация, измельчение, диспергирование, эмульгирование, экстракция, дегазация и сонохимические реакции.
Ниже вы узнаете все о типичных областях применения и процессах ультразвукового контроля.

ультразвуковая гомогенизация

Ультразвуковые гомогенизаторы измельчают мелкие частицы в жидкости для улучшения однородности и стабильности дисперсии. Частицы (дисперсная фаза) могут быть твердыми или жидкими каплями, взвешенными в жидкой фазе. Ультразвуковая гомогенизация очень эффективна для измельчения мягких и твердых частиц. Hielscher производит ультразвуковые аппараты для гомогенизации жидкостей любого объема, а также для периодической или поточной обработки. Лабораторные ультразвуковые устройства могут использоваться для объемов от 1,5 мл до ок. 4 л. Ультразвуковые промышленные устройства могут обрабатывать партии от 0,5 до примерно 2000 л или расход от 0,1 л до 20 кубических метров в час при разработке технологического процесса и в промышленном производстве.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковой гомогенизации!

Ультразвуковое диспергирование и деагломерация

Диспергирование и деагломерация твердых тел в жидкости является важным применением ультразвуковых аппаратов зондового типа. Ультразвуковая/акустическая кавитация создает высокие поперечные силы, которые разбивают агломераты частиц на отдельные, одиночные дисперсные частицы. Смешивание порошков с жидкостями является распространенным этапом в разработке рецептур различных продуктов, таких как краски, лаки, косметические продукты, продукты питания и напитки или полировальные средства. Отдельные частицы удерживаются вместе силами притяжения различной физической и химической природы, включая силы Ван-дер-Ваальса и поверхностное натяжение жидкости. Ультразвук преодолевает эти силы притяжения, чтобы деагломерировать и диспергировать частицы в жидких средах. Для диспергирования и деагломерации порошков в жидкостях ультразвук высокой интенсивности является интересной альтернативой гомогенизаторам высокого давления, смесителям с большими сдвиговыми усилиями, бисерным мельницам или роторно-статорным смесителям.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом диспергировании и деагломерации!

Ультразвуковая эмульгация

Широкий спектр промежуточных и потребительских товаров, таких как косметика и лосьоны для кожи, фармацевтические мази, лаки, краски и смазочные материалы, а также топливо, полностью или частично основан на эмульсиях. Эмульсии представляют собой дисперсии двух или более несмешивающихся жидких фаз. Высокоинтенсивный ультразвук обеспечивает достаточно интенсивный сдвиг для диспергирования жидкой фазы (дисперсной фазы) в виде мелких капель во второй фазе (непрерывной фазе). В зоне диспергирования схлопывающиеся кавитационные пузырьки вызывают интенсивные ударные волны в окружающей жидкости и приводят к образованию струй жидкости с высокой скоростью жидкости (большим сдвигом). Ультразвук может быть точно адаптирован к размеру целевой эмульсии, что позволяет надежно производить микроэмульсии и наноэмульсии.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковой эмульгации!

Ультразвуковой мокрый помол и шлифовка

Ультразвуковое измельчение является эффективным средством для мокрого измельчения и микроизмельчения частиц. В частности, для производства суспензий сверхтонкого размера ультразвук имеет много преимуществ. Он превосходит традиционное оборудование для измельчения, такое как: коллоидные мельницы (например, шаровые мельницы, бисерные мельницы), дисковые мельницы или струйные мельницы. Ультразвуковое воздействие позволяет обрабатывать суспензии с высокой концентрацией и высокой вязкостью, тем самым уменьшая обрабатываемый объем. Конечно, ультразвуковое фрезерование подходит для обработки материалов микронного и наноразмера, таких как керамика, пигменты, сульфат бария, карбонат кальция или оксиды металлов. Особенно когда речь идет о наноматериалах, ультразвук превосходен по своим характеристикам, поскольку его высокие ударные силы сдвига создают равномерно малые наночастицы.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом мокром измельчении и микрошлифовке!

Распылительная сушка TiO2 до и после ультразвукового измельчения

Ультразвуковой распад и лизис клеток

Ультразвуковое лечение может разрушить волокнистый, целлюлозный материал на мелкие частицы и нарушить стенки клеточной структуры. При этом в жидкость высвобождается больше внутриклеточного материала, такого как крахмал или сахар. Этот эффект может быть использован для ферментации, сбраживания и других процессов преобразования органических веществ. После измельчения и измельчения ультразвук делает больше внутриклеточного материала, например, крахмала, а также остатков клеточной стенки доступными для ферментов, которые превращают крахмал в сахара. Он также увеличивает площадь поверхности, подверженной воздействию ферментов во время разжижения или осахаривания. Это, как правило, увеличивает скорость и производительность ферментации дрожжей и других процессов конверсии, например, для увеличения производства этанола из биомассы.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом разрушении клеточных структур!

ультразвуковая экстракция растительных компонентов

Экстракция биологически активных соединений, хранящихся в клетках и субклеточных частицах, является широко используемым методом ультразвука высокой интенсивности. Ультразвуковая экстракция используется для выделения вторичных метаболитов (например, полифенолов), полисахаридов, белков, эфирных масел и других активных ингредиентов из клеточного матрикса растений и грибов. Пригодная для экстракции органических соединений водой и растворителем, ультразвук значительно повышает урожайность растительных компонентов, содержащихся в растениях или семенах. Ультразвуковая экстракция используется для производства фармацевтических препаратов, нутрицевтиков / пищевых добавок, ароматизаторов и биологических добавок. Ультразвук — это метод «зеленой» экстракции, который также используется для экстракции биологически активных компонентов на биоперерабатывающих заводах, например, для высвобождения ценных соединений из неиспользованных потоков побочных продуктов, образующихся в промышленных процессах. Ультразвуковая технология является высокоэффективной технологией для ботанической экстракции в лабораторных и производственных масштабах.
Нажмите здесь для получения дополнительной информации об ультразвуковой экстракции!

Сонохимическое применение ультразвука

Сонохимия – это применение ультразвука к химическим реакциям и процессам. Механизмом, вызывающим сонохимические эффекты в жидкостях, является явление акустической кавитации. Сонохимические эффекты на химические реакции и процессы включают увеличение скорости реакции или выхода, более эффективное использование энергии, улучшение характеристик катализаторов с фазовым переносом, активацию металлов и твердых тел или увеличение реакционной способности реагентов или катализаторов.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о сонохимических эффектах ультразвука!

Ультразвуковая переэтерификация масла в биодизель

Ультразвуковая обработка увеличивает скорость химической реакции и выход переэтерификации растительных масел и животных жиров в биодизель. Это позволяет перевести производство с периодической обработки на непрерывную обработку и снижает инвестиционные и эксплуатационные затраты. Одним из основных преимуществ производства ультразвукового биодизеля является использование отработанных масел, таких как отработанные кулинарные масла и другие источники масла низкого качества. Ультразвуковая переэтерификация позволяет превратить даже некачественное сырье в высококачественное биодизельное топливо (метиловый эфир жирных кислот / FAME). Производство биодизельного топлива из растительных масел или животных жиров включает в себя катализируемую основаниями переэтерификацию жирных кислот метанолом или этанолом с получением соответствующих метиловых эфиров или этиловых эфиров. Ультразвуковая обработка позволяет достичь выхода биодизеля более чем на 99%. Ультразвук значительно сокращает время обработки и время сепарации.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о переэтерификации масла в биодизель с помощью ультразвука!

Ультразвуковая дегазация и деаэрация жидкостей

Дегазация жидкостей является еще одним важным применением ультразвуковых датчиков зондового типа. Ультразвуковые колебания и кавитация вызывают коалесценцию растворенных газов в жидкости. По мере того, как мельчайшие пузырьки газа сливаются, они образуют более крупные пузырьки, которые быстро доплывают до верхней поверхности жидкости, оттуда их можно удалить. Таким образом, ультразвуковая дегазация и деаэрация позволяют снизить уровень растворенного газа ниже уровня естественного равновесия.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковой дегазации жидкостей!

Ультразвуковая очистка проводов, кабелей и полос

Ультразвуковая очистка является экологически чистой альтернативой очистке непрерывных материалов, таких как провода и кабель, лента или трубы. Эффект мощной ультразвуковой кавитации удаляет с поверхности материала остатки смазки, такие как масло или смазка, мыло, стеараты или пыль. Hielscher Ultrasonics предлагает различные ультразвуковые системы для поточной очистки непрерывных профилей.
Нажмите здесь для получения дополнительной информации об ультразвуковой очистке непрерывных профилей!

Что делает ультразвуковую обработку превосходным методом обработки?

Ультразвуковая обработка или использование высокочастотных звуковых волн для перемешивания жидкостей является эффективным методом обработки по целому ряду причин. Вот несколько причин, по которым ультразвуковая обработка с высокой интенсивностью и низкой частотой около 20 кГц особенно эффективна и выгодна для обработки жидкостей и шламов:

1. Кавитация: Одним из основных механизмов ультразвуковой обработки является создание и схлопывание крошечных пузырьков, явление, называемое кавитацией. На частоте 20 кГц звуковые волны имеют правильную частоту для эффективного создания и схлопывания пузырей. Схлопывание этих пузырьков создает высокоэнергетические ударные волны, которые могут разрушать частицы и разрушать клетки в обрабатываемой жидкости.
2. Колебания и вибрация: Помимо генерируемой акустической кавитации, колебания ультразвукового зонда создают дополнительное перемешивание и перемешивание в жидкости, тем самым способствуя массопереносу и/или дегазации.
3. Проникновение: Звуковые волны на частоте 20 кГц имеют относительно большую длину волны, что позволяет им глубоко проникать в жидкости. Ультразвуковая кавитация – это локализованное явление, возникающее в окружении ультразвукового датчика. С увеличением расстояния до зонда интенсивность кавитации уменьшается. Тем не менее, ультразвуковая обработка на частоте 20 кГц может эффективно обрабатывать большие объемы жидкости по сравнению с более высокочастотной ультразвуковой обработкой, которая имеет более короткую длину волны и может быть более ограниченной по глубине проникновения.
4. Низкое энергопотребление: Ультразвуковая обработка может быть достигнута с относительно низким потреблением энергии по сравнению с другими методами обработки, такими как гомогенизация под высоким давлением или механическое перемешивание. Это делает его более энергоэффективным и экономичным методом обработки жидкостей.
5. Линейная масштабируемость: Ультразвуковые процессы могут быть полностью линейно масштабированы на большие или меньшие объемы. Это делает адаптацию технологических процессов в производстве надежной, так как качество продукции может поддерживаться на стабильном уровне.
6. Пакетный и поточный поток: Ультразвуковое исследование может выполняться как периодическим, так и непрерывным поточным процессом. Для ультразвуковой обработки периодических сигналов ультразвуковой зонд вводится в открытый сосуд или реактор закрытого периодического действия. Для ультразвуковой обработки потока непрерывного потока устанавливается ультразвуковая проточная ячейка. Жидкая среда проходит через сонотрод (ультразвуковой вибрирующий стержень) за один проход или рециркуляцию и является высокоравномерной и эффективной под воздействием ультразвуковых волн.

В целом, интенсивные силы кавитации, низкое энергопотребление и масштабируемость процесса делают низкочастотную ультразвук высокой мощности эффективным методом обработки жидкостей.

Принцип работы и применение ультразвуковой обработки

Ультразвуковая обработка является коммерческой технологией, которая была принята во многих отраслях промышленности для крупномасштабного производства. Высокая надежность и масштабируемость, а также низкие затраты на техническое обслуживание и высокая энергоэффективность делают ультразвуковые процессоры хорошей альтернативой традиционному оборудованию для обработки жидкостей. Ультразвук открывает дополнительные захватывающие возможности: кавитация – основной ультразвуковой эффект – дает уникальные результаты в биологических, химических и физических процессах. Например, ультразвуковая дисперсия и эмульгирование позволяют легко получать стабильные наноразмерные составы. Также в области ботанической экстракции ультразвук является нетермическим методом выделения биологически активных соединений.

В то время как ультразвук низкой интенсивности или высокочастотный ультразвук в основном используется для анализа, неразрушающего контроля и визуализации, ультразвук высокой интенсивности используется для обработки жидкостей и паст, где интенсивные ультразвуковые волны используются для смешивания, эмульгирования, диспергирования и деагломерации, распада клеток или дезактивации ферментов. При ультразвуковой обработке жидкостей с высокой интенсивностью звуковые волны распространяются через жидкую среду. Это приводит к чередованию циклов высокого давления (сжатие) и низкого давления (разрежение), скорость которых зависит от частоты. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности создают небольшие вакуумные пузырьки или пустоты в жидкости. Когда пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они сильно схлопываются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией. Во время имплозии локально достигаются очень высокие температуры (около 5 000 К) и давления (около 2 000 атм). Имплозия кавитационного пузыря также приводит к появлению струй жидкости со скоростью до 280 метров в секунду.

Ультразвуковая кавитация в жидкостях может вызвать быструю и полную дегазацию; инициируют различные химические реакции путем генерации свободных химических ионов (радикалов); ускоряют химические реакции, облегчая смешивание реагентов; усиливают реакции полимеризации и деполимеризации за счет диспергирования агрегатов или постоянного разрыва химических связей в полимерных цепях; увеличить скорость эмульгирования; улучшить скорость диффузии; получение высококонцентрированных эмульсий или однородных дисперсий микронных или наноразмерных материалов; помощь в извлечении таких веществ, как ферменты, из клеток животных, растений, дрожжей или бактерий; удалить вирусы из инфицированных тканей; и, наконец, разрушать и разрушать восприимчивые частицы, в том числе микроорганизмы. (ср. Kuldiloke 2002)

Ультразвук высокой интенсивности вызывает сильное перемешивание в жидкостях с низкой вязкостью, которое может быть использовано для диспергирования материалов в жидкостях. (ср. Ensminger, 1988) На границах раздела жидкость/твердое тело или газ/твердое тело асимметричная имплозия кавитационных пузырьков может вызывать экстремальные турбулентности, которые уменьшают диффузионный пограничный слой, увеличивают конвекционный массоперенос и значительно ускоряют диффузию в системах, где обычное смешивание невозможно. (ср. Nyborg, 1965)

Литература