Ультразвук - это метод механической обработки, который создает акустическую кавитацию и высокоинтенсивные физические силы. Поэтому ультразвук используется для многочисленных применений, таких как смешивание, гомогенизация, измельчение, диспергирование, эмульгирование, экстракция, дегазация и сонохимические реакции.
Ниже вы узнаете все о типичных ультразвуковых приложениях и процессах.

Ультразвуковая гомогенизация

Ультразвуковые гомогенизаторы уменьшают мелкие частицы в жидкости для улучшения однородности и стабильности дисперсии. Частицы (дисперсная фаза) могут представлять собой твердые вещества или жидкие капли, взвешенные в жидкой фазе. Ультразвуковая гомогенизация очень эффективна для восстановления мягких и твердых частиц. Hielscher производит ультразвуковые аппараты для гомогенизации любого объема жидкости и для периодической или поточной обработки. Лабораторные ультразвуковые приборы могут использоваться для объемов от 1,5 мл до около 4 л. Ультразвуковые промышленные устройства могут обрабатывать партии от 0,5 до около 2000 л или скорость потока от 0,1 л до 20 кубических метров в час при разработке процесса и в промышленном производстве.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковой гомогенизации!

Ультразвуковая Диспергирование и Дезагломерация

Диспергирование и деагломерация твердых веществ в жидкости является важным применением ультразвуковых аппаратов зондового типа. Ультразвуковая / акустическая кавитация генерирует высокие силы сдвига, которые разбивают агломераты частиц на отдельные, одиночные дисперсные частицы. Смешивание порошков в жидкости является распространенным этапом в формулировании различных продуктов, таких как краски, лаки, косметические продукты, продукты питания и напитки или полировальные среды. 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 ультразвуковая обработка высокой интенсивности является интересной альтернативой гомогенизаторам высокого давления, смесителям с высоким сдвигом, шариковым мельницам или ротор-статор-смесителям.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковой диспергировании и деагломерации!

Ультразвуковая эмульсия

Широкий спектр промежуточных и потребительских товаров, таких как косметика и лосьоны для кожи, фармацевтические мази, лаки, краски и смазки и топливо, полностью или частично основаны на эмульсиях. Эмульсии представляют собой дисперсии двух или более несмешивающихся жидких фаз. Высокоинтенсивный ультразвук обеспечивает достаточно интенсивный сдвиг, чтобы диспергировать жидкую фазу (дисперсную фазу) небольшими каплями во второй фазе (непрерывная фаза). В диспергирующей зоне взрывающиеся кавитационные пузырьки вызывают интенсивные ударные волны в окружающей жидкости и приводят к образованию струй жидкости с высокой скоростью жидкости (высокий сдвиг). Ультразвук может быть точно адаптирован к размеру целевой эмульсии, что позволяет тем самым надежно производить микроэмульсии и наноэмульсии.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковой эмульсии!

Ультразвуковой мокрого и шлифовального

Ультразвук является эффективным средством для мокрого фрезерования и микрошлифования частиц. В частности, для изготовления сверхтонких суспензий ультразвук имеет много преимуществ. Он превосходит традиционное оборудование для уменьшения размеров, такое как: коллоидные мельницы (например, шаровые мельницы, бисерные мельницы), дисковые мельницы или струйные мельницы. Ультразвук может обрабатывать высококонцентрированные и высоковязкие суспензии, что уменьшает объем, подлежащий обработке. Конечно, ультразвуковое фрезерование подходит для обработки микронных и наноразмерных материалов, таких как керамика, пигменты, сульфат бария, карбонат кальция или оксиды металлов. Особенно, когда дело доходит до наноматериалов, ультразвук превосходит по производительности, поскольку его высокоэффективные силы сдвига создают равномерно маленькие наночастицы.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом мокрое фрезерование и микрошлифование!

Высушенный распылением TiO2 до и после ультразвукового фрезерования

Ультразвуковая дезинтеграция клеток и лизис

Ультразвуковое лечение может распадаться волокнистым, целлюлозным материалом на мелкие частицы и разрушать стенки клеточной структуры. Это высвобождает больше внутриклеточного материала, такого как крахмал или сахар в жидкость. Этот эффект может быть использован для брожения, пищеварения и других процессов преобразования органического вещества. После фрезерования и измельчения ультразвук делает больше внутриклеточного материала, например крахмала, а также клеточного стенки мусора доступны ферменты, которые преобразуют крахмал в сахар. Это также увеличить площадь поверхности подвергаются ферментов во время сжижения или сахаризации. Это, как правило, увеличивает скорость и урожайность дрожжей брожения и других процессов преобразования, например, для увеличения производства этанола из биомассы.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковой дезинтеграции клеточных структур!

ультразвуковой экстракции растительных

Экстракция биологически активных соединений, хранящихся в клетках и субклеточных частицах, является широко используемым применением высокоинтенсивного ультразвука. Ультразвуковая экстракция используется для выделения вторичных метаболитов (например, полифенолов), полисахаридов, белков, эфирных масел и других активных ингредиентов из клеточного матрикса растений и грибов. Подходит для экстракции органических соединений водой и растворителем, обработка ультразвуком значительно улучшает выход растительных веществ, содержащихся в растениях или семенах. Ультразвуковая экстракция используется для производства фармацевтических препаратов, нутрицевтиков / пищевых добавок, ароматизаторов и биологических добавок. Ультразвук - это метод зеленой экстракции, также используемый для экстракции биологически активных компонентов на биоперерабатывающих заводах, например, высвобождения ценных соединений из неиспользуемых потоков побочных продуктов, образующихся в промышленных процессах. Ультразвук 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. Механизм, вызывающий сонохимическое воздействие в жидкостях, является феноменом акустической кавитации. Сонохимическое воздействие на химические реакции и процессы включают увеличение скорости реакции или выход, более эффективное использование энергии, улучшение производительности катализаторов фазовой передачи, активацию металлов и твердых веществ или увеличение реактивности реагентов или катализаторов.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о сонохимическом воздействии ультразвука!

Ультразвуковая переэтерификация масла в биодизель

Ультразвук увеличивает скорость химической реакции и выход переэтерификации растительных масел и животных жиров в биодизельное топливо. Это позволяет перейти от периодической обработки к непрерывной поточной обработке и снижает инвестиционные и эксплуатационные расходы. Одним из основных преимуществ производства ультразвукового биодизеля является использование отработанных масел, таких как отработанные растительные масла и другие некачественные источники масла. Ультразвуковая переэтерификация может превращать даже некачественное сырье в высококачественное биодизельное топливо (метиловый эфир жирных кислот / FAME). Производство биодизеля из растительных масел или животных жиров включает катализируемое основанием переэтерификацию жирных кислот метанолом или этанолом с получением соответствующих метиловых эфиров или этиловых эфиров. Ультразвуковая обработка может достичь выхода биодизеля, превышающего 99%. Ультразвук значительно сокращает время обработки и время разделения.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о переэтерификации масла с помощью ультразвука в биодизель!

Ультразвуковая дегазация и деаэрация жидкостей

Дегазация жидкостей является еще одним важным применением ультразвуковых аппаратов зондового типа. Ультразвуковые колебания и кавитация вызывают слияние растворенных газов в жидкости. Когда мельчайшие пузырьки газа сливаются, они образуют более крупные пузырьки, которые быстро плавают к верхней поверхности жидкости, оттуда их можно удалить. Таким образом, ультразвуковая дегазация и деаэрация могут снизить уровень растворенного газа ниже естественного равновесного уровня.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковой дегазации жидкостей!

Ультразвуковая проводная, кабельная и газовая очистка

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

Что делает обработку ультразвуком превосходным методом обработки?

Обработка ультразвуком или использование высокочастотных звуковых волн для перемешивания жидкостей является эффективным методом обработки по целому ряду причин. Вот несколько причин, по которым обработка ультразвуком на высокой интенсивности и низкой частоте ок. 20 кГц особенно эффективна и выгодна для обработки жидкостей и суспензий:

1. Кавитация: Одним из основных механизмов обработки ультразвуком является создание и схлопывание крошечных пузырьков, явление, называемое кавитацией. При частоте 20 кГц звуковые волны имеют правильную частоту для эффективного создания и схлопывания пузырей. Коллапс этих пузырьков производит ударные волны высокой энергии, которые могут разрушать частицы и разрушать клетки в жидкости, подвергаемой обработке ультразвуком.
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 зонда. С увеличением расстояния до зонда интенсивность кавитации уменьшается. Тем не менее, обработка ультразвуком на частоте 20 кГц может эффективно обрабатывать большие объемы жидкости по сравнению с более высокочастотной обработкой ультразвуком, которая имеет более короткие длины волн и может быть более ограниченной по глубине проникновения.
4. Низкое энергопотребление: Обработка ультразвуком может быть выполнена 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 масштабированы полностью линейно до больших или меньших объемов. Это делает адаптацию процесса в производстве надежной, поскольку качество продукции может постоянно поддерживаться стабильным.
6. Периодический и поточный поток: Ультразвук может быть выполнен как пакетный или как непрерывный поточный процесс. Для обработки ультразвуком партий ультразвуковой зонд вставляется в открытый сосуд или закрытый реактор периодического действия. Для обработки ультразвуком непрерывного потока устанавливается ультразвуковая проточная ячейка. Жидкая среда проходит сонотрод (ультразвуковой вибрирующий стержень) за один проход или рециркуляцию и очень однородна и эффективна под воздействием ультразвуковых волн.

В целом, интенсивные силы кавитации, низкое энергопотребление и масштабируемость процесса делают низкочастотную, мощную обработку ультразвуком эффективным методом обработки жидкостей.

Принцип работы и применение ультразвуковой обработки

Ультразвуковая обработка является коммерческой технологией обработки, которая была принята многими отраслями 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 предлагает дополнительные захватывающие возможности: кавитация – основной ультразвуковой эффект – дает уникальные результаты в биологических, химических и физических процессах. Например, ультразвуковая дисперсия и эмульгирование легко производят стабильные наноразмерные составы. Также в области ботанической экстракции ультразвук является нетепловым методом выделения биологически активных соединений.

В то время как низкоинтенсивный или высокочастотный ультразвук в основном используется для анализа, неразрушающего контроля и визуализации, высокоинтенсивный ультразвук используется для обработки жидкостей и паст, где интенсивные ультразвуковые волны используются для смешивания, эмульгирования, диспергирования и деагломерации, распада клеток или дезактивации ферментов. При обработке ультразвуком жидкостей с высокой интенсивностью звуковые волны распространяются через жидкие среды. Это приводит к чередованию циклов высокого давления (сжатие) и низкого давления (разрежение) со скоростями в зависимости 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 разрушаются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией. Во время имплозии локально достигаются очень высокие температуры (около 5000 К) и давления (около 2000 атм). Имплозия кавитационного пузыря также приводит к образованию струй жидкости со скоростью до 280 метров в секунду.

Ультразвуковая кавитация в жидкостях может вызвать быструю и полную дегазацию; инициировать различные химические реакции путем образования свободных химических ионов (радикалов); ускорять химические реакции, облегчая смешивание реагентов; усиливают реакции полимеризации и деполимеризации путем диспергирования агрегатов или путем постоянного разрыва химических связей в полимерных цепях; увеличить скорость эмульгирования; улучшить скорость диффузии; производить высококонцентрированные эмульсии или однородные дисперсии микронных или наноразмерных материалов; помогают экстракции таких веществ, как ферменты из животных, растений, дрожжей или бактериальных клеток; удалять вирусы из инфицированных тканей; и, наконец, разрушать и разрушать чувствительные частицы, включая микроорганизмы. (см. Кулдилоке 2002)

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

Литература