Ультразвуковая кавитация в жидкостях
Ультразвуковая кавитация является движущей силой высокоинтенсивной ультразвуковой обработки жидкостей. Когда мощные ультразвуковые волны воздействуют на жидкость, в ней образуются микроскопические пузырьки пара, которые быстро растут и резко разрушаются. Эта акустическая кавитация создает интенсивные локальные сдвиговые силы, микроструи, ударные волны, перепады давления и эффекты микросмешивания, которые могут ускорять гомогенизацию, диспергирование, эмульгирование, экстракцию, дегазацию, разрушение клеток и сонохимические реакции.
Зондовые ультразвуковые аппараты Hielscher используют контролируемую акустическую кавитацию для передачи ультразвуковой энергии непосредственно в жидкости, суспензии и шламы. От небольших лабораторных проб до непрерывного промышленного поточного производства — системы Hielscher позволяют регулировать амплитуду, геометрию сонотрода, давление, температуру, расход и время пребывания для получения воспроизводимых результатов кавитации.
- Для лабораторий: разработать и оптимизировать параметры ультразвуковой обработки в небольших объемах.
- Для пилотных установок: проверить процессы, основанные на кавитации, в реальных условиях производства.
- Для производства: применять ультразвуковую кавитацию в периодических, рециркуляционных или непрерывных потоковых процессах.
Сообщите нам данные о вашей жидкости: объем партии или расход, вязкость, содержание твердых частиц, предельные значения температуры и желаемый результат процесса. Мы подберем для вас оптимальную конфигурацию ультразвукового преобразователя, сонотрода и проточной камеры для ваших задач по созданию кавитации.
Ультразвуковые аппараты зондового типа, такие как UP400St Используйте принцип работы акустической кавитации.
Принцип работы ультразвуковой кавитации
При ультразвуковой обработке жидкостей с высокой интенсивностью звуковые волны, распространяющиеся в жидких средах, приводят 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). Схлопывание кавитационного пузыря также приводит к образованию струй жидкости со скоростью до 280 м/с.
Акустическая кавитация (генерируемая мощным ультразвуком) создает локально экстремальные условия, так называемые сономеханические и сонохимические эффекты. Благодаря этим эффектам ультразвуковая обработка способствует химическим реакциям, ведущим к повышению выхода, скорости реакции, появлению новых путей и повышению общей эффективности.
Ультразвуковой пробник или ультразвуковая ванна: какой метод кавитации выбрать?
Как ультразвуковые пробники, так и ультразвуковые ванны вызывают акустическую кавитацию, однако они существенно различаются по интенсивности, возможностям регулирования и надежности процесса. В то время как ультразвуковые ванны полезны для очистки, зондовые ультразвуковые устройства передают ультразвуковую энергию непосредственно в жидкость и создают гораздо более сильную, сфокусированную зону кавитации. Это делает зондовые ультразвуковые устройства предпочтительным выбором для задач по обработке жидкостей, требующих воспроизводимых результатов, таких как гомогенизация, эмульгирование, экстракция, разрушение клеток, диспергирование наночастиц и сонохимические реакции.
| Критерии сравнения | Ультразвуковая обработка щупом | ультразвуковая ванна |
|---|---|---|
| интенсивность кавитации | Обеспечивает высокоинтенсивную акустическую кавитацию непосредственно на конце сонотрода. | Приводит к образованию менее интенсивной кавитации, распределенной по всему объему ванны. |
| Передача энергии | Передает ультразвуковую энергию непосредственно в жидкость, суспензию или шлам. | Передает энергию опосредованно через жидкость в ванне и стенки емкости. |
| Управление технологическим процессом | Позволяет точно настраивать амплитуду, потребляемую мощность, импульсный режим, температуру и время обработки. | Обеспечивает ограниченный контроль над фактической ультразвуковой энергией, поступающей на образец. |
| воспроизводимость | Обеспечивает стабильные результаты ультразвуковой обработки при условии определения и контроля технологических параметров. | Результаты могут варьироваться в зависимости от неравномерного распределения кавитации, положения сосуда, материала сосуда, уровня наполнения и загрузки ванны. |
| Эффективность обработки | Идеально подходит для гомогенизации, диспергирования, эмульгирования, экстракции, разрушения клеток и применения в сонохимии. | Подходит в основном для уборки. |
| Объем образца | Предлагается как для небольших лабораторных проб, так и для пилотных и промышленных объемов. | Обычно используется для небольших емкостей или нескольких контейнеров, размещенных внутри ванны. |
| Вертикальное масштабирование | Может быть масштабирован от лабораторных испытаний до пилотных испытаний и непрерывной промышленной потоковой переработки. | Трудно обеспечить надёжное масштабирование, поскольку распределение энергии и интенсивность кавитации не поддаются простому переносу. |
| Подходящие носители | Подходит для жидкостей, эмульсий, суспензий, шламов и составов с высоким содержанием твердых веществ. | Наилучшим образом подходит для жидкостей с низкой вязкостью, а также для простых задач по очистке или дегазации. |
| Типовые применения | Диспергирование наночастиц, наноэмульсии, экстракция, лизис клеток, гомогенизация, деагломерация, мокрое измельчение и ультразвуковые реакции. | Очистка стеклянной посуды, дегазация жидкостей, растворение порошков и аккуратное перемешивание проб. |
| Лучший выбор для | Контролируемая, мощная и воспроизводимая ультразвуковая обработка жидкостей. | Простая очистка или ультразвуковая обработка низкой интенсивности. |
Основные области применения ультразвуковых аппаратов и акустической кавитации
Ультразвуковые датчики зондового типа, также известные как ультразвуковые зонды, эффективно генерируют интенсивную акустическую кавитацию в жидкостях. Поэтому они широко используются в различных приложениях в различных отраслях промышленности. Некоторые из наиболее важных применений акустической кавитации, создаваемой ультразвуковыми зондами зондового типа, включают:
- Гомогенизация: Ультразвуковые зонды могут генерировать интенсивную кавитацию, которая характеризуется как энергоемкое поле вибрации и поперечных сил. Эти силы обеспечивают отличное перемешивание, смешивание и уменьшение размера частиц. Ультразвуковая гомогенизация позволяет получить равномерно перемешанные суспензии. Поэтому ультразвуковая обработка используется для получения однородной коллоидной суспензии с узкими кривыми распределения.
- Диспергирование наночастиц: Ультразвуковые аппараты используются для диспергирования, деагломерации и мокрого измельчения наночастиц. Низкочастотные ультразвуковые волны могут создавать ударную кавитацию, которая разрушает агломераты и уменьшает размер частиц. В частности, большой сдвиг струй жидкости ускоряет частицы в жидкости, которые сталкиваются друг с другом (столкновение между частицами), так что частицы в конечном итоге разрушаются и разрушаются. Это приводит к равномерному и стабильному распределению частиц, предотвращая осаждение. Это имеет решающее значение в различных областях, включая нанотехнологии, материаловедение и фармацевтику.
- Эмульгирование и смешивание: Ультразвуковые аппараты зондового типа используются для создания эмульсий и смешивания жидкостей. Ультразвуковая энергия вызывает кавитацию, образование и схлопывание микроскопических пузырьков, что создает интенсивные локальные сдвиговые силы. Этот процесс помогает эмульгировать несмешивающиеся жидкости, получая стабильные и мелкодисперсные эмульсии.
- Извлечение: Благодаря кавитационным поперечным силам ультразвукаторы обладают высокой эффективностью в разрушении ячеистых структур и улучшении массопереноса между твердым и жидким телом. Поэтому ультразвуковая экстракция широко используется для высвобождения внутриклеточного материала, такого как биологически активные соединения, для производства высококачественных растительных экстрактов.
- Дегазация и деаэрация: Ультразвуковые аппараты зондового типа используются для удаления пузырьков газа или растворенных газов из жидкостей. Применение ультразвуковой кавитации способствует коалесценции пузырьков газа, благодаря чему они растут и всплывают к верху жидкости. Ультразвуковая кавитация делает дегазацию быстрой и эффективной процедурой. Это ценно в различных отраслях промышленности, таких как производство красок, гидравлических жидкостей или производство продуктов питания и напитков, где присутствие газов может негативно повлиять на качество и стабильность продукции.
- Сонокатализ: Ультразвуковые зонды могут использоваться для сонокатализа — процесса, который сочетает акустическую кавитацию с катализаторами для усиления химических реакций. Кавитация, создаваемая ультразвуковыми волнами, улучшает массообмен, увеличивает скорость реакции и способствует образованию свободных радикалов, что приводит к более эффективным и селективным химическим превращениям.
- Подготовка образцов: Ультразвуковые аппараты зондового типа широко используются в лабораториях для пробоподготовки. Они используются для гомогенизации, дезагрегации и извлечения биологических образцов, таких как клетки, ткани и вирусы. Ультразвуковая энергия, генерируемая зондом, разрушает клеточные мембраны, высвобождая клеточное содержимое и облегчая дальнейший анализ.
- Распад и разрушение клеток: Ультразвуковые аппараты зондового типа используются для дезинтеграции и разрушения клеток и тканей для различных целей, таких как экстракция внутриклеточных компонентов, микробная инактивация или подготовка образцов для анализа. Высокоинтенсивные ультразвуковые волны и генерируемая ими кавитация вызывают механическое напряжение и силы сдвига, что приводит к разрушению клеточных структур. В биологических исследованиях и медицинской диагностике ультразвуковые аппараты зондового типа используются для лизиса клеток, процесса разрушения клеток с целью высвобождения их внутриклеточных компонентов. Ультразвуковая энергия разрушает клеточные стенки, мембраны и органеллы, позволяя извлекать белки, ДНК, РНК и другие клеточные составляющие.
Это некоторые из ключевых областей применения ультразвуковых аппаратов зондового типа, но эта технология имеет еще более широкий спектр других применений, включая сонохимию, уменьшение размера частиц (мокрое измельчение), синтез частиц снизу вверх и соносинтез химических веществ и материалов в различных отраслях промышленности, таких как фармацевтика, пищевая промышленность, биотехнология и науки об окружающей среде.
Высокоскоростная последовательность кадров (от a до f), иллюстрирующая сономеханическое отслаивание графитовой чешуйки в воде с использованием UP200S, ультразвукового аппарата мощностью 200 Вт с 3-мм сонотродом. Стрелками показано место расщепления частиц с проникающими в расщепление кавитационными пузырьками.
© Тюрнина и др., 2020
Воспользуйтесь преимуществами ультразвуковой кавитации!
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Видео акустической кавитации в жидкости
В следующем видео показана акустическая кавитация на каскаде ультразвукового аппарата UIP1000hdT в заполненной водой стеклянной колонке. Стеклянная колонна подсвечивается снизу красным светом для улучшения визуализации кавитационных пузырьков.
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.
Часто задаваемые вопросы
Что такое ультразвуковая кавитация?
Ультразвуковая кавитация — это процесс образования, роста и бурного разрушения микроскопических пузырьков в жидкости под воздействием высокоинтенсивного ультразвука. Разрушение этих пузырьков приводит к возникновению интенсивных локальных сдвиговых напряжений, микроструй жидкости, ударных волн, высоких градиентов давления и сильных эффектов микроперемешивания.
В чём заключается разница между ультразвуковой кавитацией и акустической кавитацией?
«Акустическая кавитация» — это общий термин, обозначающий кавитацию, вызываемую звуковыми волнами. Ультразвуковая кавитация — это акустическая кавитация, генерируемая ультразвуковыми частотами, как правило, выше диапазона слышимых звуков. В промышленной переработке жидкостей оба термина часто используются для обозначения кавитации, создаваемой мощными ультразвуковыми генераторами.
Как ультразвуковая кавитация улучшает обработку жидкостей?
Ультразвуковая кавитация улучшает переработку жидкостей за счет создания интенсивных механических и химических эффектов внутри жидкости. Механические эффекты способствуют перемешиванию, гомогенизации, эмульгированию, деагломерации частиц, мокрому измельчению, экстракции и разрушению клеток. В реактивных системах кавитация также может усиливать сонохимические эффекты и улучшать массообмен.
В каких областях применяется ультразвуковая кавитация?
Ультразвуковая кавитация применяется для гомогенизации, диспергирования, эмульгирования, наноэмульгирования, экстракции, дегазации, деагломерации, измельчения частиц, лизиса клеток, разрушения микроорганизмов, сонохимии, сонокатализа и сложных реакций в жидкой фазе.
Почему ультразвуковые генераторы зондового типа эффективны для создания кавитации?
Ультразвуковые преобразователи зондового типа передают ультразвуковую энергию непосредственно в жидкость через сонотрод. Такая прямая передача энергии создает зону интенсивной кавитации вблизи поверхности зонда и позволяет точно регулировать важные технологические параметры, такие как амплитуда, потребляемая мощность, температура, давление и время обработки.
Подходит ли ультразвуковая ванна для интенсивной кавитации?
В ультразвуковых ваннах возникает кавитация, однако плотность энергии в них, как правило, значительно ниже и менее сконцентрирована, чем в ультразвуковых устройствах зондового типа. Ванны подходят для очистки и щадящей обработки, тогда как ультразвуковые устройства зондового типа предпочтительны для воспроизводимой гомогенизации, экстракции, эмульгирования, диспергирования, разрушения клеток и промышленной переработки жидкостей.
Прочитайте и посмотрите, чем отличаются ультразвуковые аппараты с зондом и ультразвуковые ванны!
Какие параметры влияют на интенсивность ультразвуковой кавитации?
К важным параметрам относятся амплитуда, мощность ультразвука, площадь поверхности сонотрода, объем жидкости, вязкость, содержание твердых частиц, давление, температура, геометрия емкости, геометрия проточной ячейки, расход и время пребывания. Регулировка этих параметров позволяет адаптировать интенсивность кавитации к задачам технологического процесса.
Можно ли масштабировать ультразвуковую кавитацию с лабораторного уровня до промышленного?
Да. Процессы ультразвуковой кавитации можно разрабатывать в лабораторных условиях и переносить на пилотный или промышленный уровень путем регулирования амплитуды, подаваемой энергии, геометрии сонотрода, расхода и времени пребывания. Компания Hielscher предлагает ультразвуковые аппараты и реакторы для лабораторных испытаний, пилотных испытаний и непрерывного промышленного производства.
Литература / Литература
- 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 производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.