Ультразвуковая кавитация в жидкостях

Ультразвуковые волны ультразвука высокой интенсивности создают акустическую кавитацию в жидкостях. Кавитация вызывает экстремальные локальные эффекты, такие как струи жидкости со скоростью до 1000 км/ч, давление до 2000 атм и температура до 5000 Кельвинов. Эти силы, генерируемые ультразвуком, используются для многочисленных задач обработки жидкостей, таких как гомогенизация, диспергирование, эмульгирование, экстракция, разрушение клеток, а также интенсификация химических реакций.

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.

Основные области применения ультразвуковых аппаратов с использованием 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:
 

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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

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.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: