Ультразвуковая кавитация в жидкостях
Ультразвуковая кавитация – движущая сила высокоинтенсивной ультразвуковой обработки жидкостей. При передаче мощного ультразвука в жидкость образуются микроскопические пузырьки пара, которые растут и резко схлопываются. Эта акустическая кавитация создает интенсивные локальные силы сдвига, микроструи, ударные волны, изменения давления и эффекты микроперемешивания, которые могут ускорять гомогенизацию, диспергирование, эмульгирование, экстракцию, дегазацию, разрушение клеток и сонохимические реакции.
Ультразвуковые аппараты Hielscher зондового типа используют управляемую акустическую кавитацию для передачи ультразвуковой энергии непосредственно в жидкости, суспензии и пульпы. От небольших лабораторных образцов до непрерывного промышленного производства в проточном режиме – системы Hielscher позволяют регулировать амплитуду, геометрию сонотрода, давление, температуру, расход и время пребывания для получения воспроизводимых результатов кавитационной обработки.
- Для лабораторий: разрабатывайте и оптимизируйте параметры обработки ультразвуком в небольших объемах.
- Для пилотных установок: проверяйте процессы, основанные на кавитации, в реалистичных условиях обработки.
- Для производства: масштабируйте ультразвуковую кавитацию для периодических, рециркуляционных или непрерывных процессов в потоке.
Сообщите нам, какую жидкость вы обрабатываете, объем партии или расход, вязкость, содержание твердых веществ, температурные ограничения и целевой результат процесса. Мы порекомендуем оптимальную конфигурацию ультразвукового аппарата, сонотрода и проточной ячейки для вашей кавитационной обработки.
Ультразвуковые аппараты зондового типа, такие как UP400St, работают по принципу акустической кавитации.
Принцип действия ультразвуковой кавитации
При высокоинтенсивной обработке жидкостей ультразвуком звуковые волны, распространяющиеся в жидкой среде, вызывают чередование циклов высокого давления (сжатия) и низкого давления (разрежения), скорость которого зависит от частоты. Во время цикла низкого давления высокоинтенсивные ультразвуковые волны создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки или полости. Когда пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они резко схлопываются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией. При имплозии локально достигаются очень высокие температуры (прибл. 5 000K) и давления (прибл. 2 000atm). Имплозия кавитационного пузырька также приводит к образованию струй жидкости со скоростью до 280m/s.
Акустическая кавитация (создаваемая мощным ультразвуком) формирует локально экстремальные условия – так называемые сономеханические и сонохимические эффекты. Благодаря этим эффектам обработка ультразвуком способствует химическим реакциям, обеспечивая более высокий выход, более высокую скорость реакций, новые пути реакций и повышение общей эффективности.
Ультразвуковой аппарат зондового типа или ультразвуковая ванна: какой метод кавитации выбрать?
Ультразвуковые аппараты зондового типа и ультразвуковые ванны создают акустическую кавитацию, но существенно различаются по интенсивности, управляемости и надежности процесса. Ультразвуковые ванны полезны для очистки, а аппараты зондового типа передают ультразвуковую энергию непосредственно в жидкость и создают значительно более мощную, сфокусированную зону кавитации. Поэтому аппараты зондового типа являются предпочтительным выбором для воспроизводимой обработки жидкостей, например для гомогенизации, эмульгирования, экстракции, разрушения клеток, диспергирования наночастиц и сонохимических реакций.
| Критерии сравнения | Ультразвуковой аппарат зондового типа | Ультразвуковая ванна |
|---|---|---|
| Интенсивность кавитации | Создает высокоинтенсивную акустическую кавитацию непосредственно на наконечнике сонотрода. | Создает более слабую кавитацию, распределенную по объему ванны. |
| Передача энергии | Передает ультразвуковую энергию непосредственно в жидкость, суспензию или пульпу. | Передает энергию косвенно через жидкость в ванне и стенку сосуда. |
| Управление процессом | Позволяет точно регулировать амплитуду, подводимую мощность, импульсный режим, температуру и время обработки. | Обеспечивает ограниченный контроль над ультразвуковой энергией, фактически достигающей образца. |
| Воспроизводимость | Обеспечивает воспроизводимые результаты обработки ультразвуком при заданных и контролируемых параметрах процесса. | Результаты могут различаться из-за неравномерного распределения кавитации, положения сосуда, материала сосуда, уровня заполнения и загрузки ванны. |
| Эффективность обработки | Высокоэффективен для гомогенизации, диспергирования, эмульгирования, экстракции, разрушения клеток и сонохимии. | Подходит преимущественно для очистки. |
| Объем образца | Доступны варианты как для небольших лабораторных образцов, так и для пилотных и промышленных объемов. | Обычно используется для небольших сосудов или нескольких емкостей, помещенных в ванну. |
| Масштабирование | Возможно масштабирование от лабораторных испытаний до пилотных испытаний и непрерывной промышленной обработки в потоке. | Надежное масштабирование затруднено, поскольку распределение энергии и интенсивность кавитации непросто перенести на другой масштаб. |
| Подходящие среды | Эффективен для жидкостей, эмульсий, суспензий, пульп и составов с высоким содержанием твердых веществ. | Лучше всего подходит для жидкостей с низкой вязкостью и простых задач очистки или дегазации. |
| Типичные области применения | Диспергирование наночастиц, наноэмульсии, экстракция, лизис клеток, гомогенизация, деагломерация, мокрое измельчение и сонохимические реакции. | Очистка лабораторной стеклянной посуды, дегазация жидкостей, растворение порошков и мягкое перемешивание образцов. |
| Лучший выбор для | Управляемой, мощной и воспроизводимой ультразвуковой обработки жидкостей. | Простой очистки или низкоинтенсивной ультразвуковой обработки. |
Основные области применения ультразвуковых аппаратов и акустической кавитации
Ультразвуковые аппараты зондового типа, также известные как ультразвуковые зонды, эффективно создают интенсивную акустическую кавитацию в жидкостях. Поэтому они широко используются для различных задач в разных отраслях. К наиболее важным областям применения акустической кавитации, создаваемой ультразвуковыми аппаратами зондового типа, относятся:
- Гомогенизация: Ультразвуковые зонды могут создавать интенсивную кавитацию, которая характеризуется как поле колебаний и сил сдвига с высокой плотностью энергии. Эти силы обеспечивают превосходное перемешивание, смешивание и уменьшение размера частиц. Ультразвуковая гомогенизация позволяет получать равномерно перемешанные суспензии. Поэтому обработку ультразвуком используют для получения однородной коллоидной суспензии с узкими кривыми распределения.
- Диспергирование наночастиц: Ультразвуковые аппараты применяют для диспергирования, деагломерации и мокрого измельчения наночастиц. Низкочастотные ультразвуковые волны могут создавать мощную кавитацию, которая разрушает агломераты и уменьшает размер частиц. В частности, интенсивный сдвиг в струях жидкости ускоряет частицы в жидкости, которые сталкиваются друг с другом (межчастичные столкновения), вследствие чего частицы разрушаются и подвергаются эрозии. Это обеспечивает равномерное и стабильное распределение частиц, предотвращая осаждение. Это имеет решающее значение в различных областях, включая нанотехнологии, материаловедение и фармацевтику.
- Эмульгирование и смешивание: Ультразвуковые аппараты зондового типа используют для получения эмульсий и смешивания жидкостей. Ультразвуковая энергия вызывает кавитацию – образование и схлопывание микроскопических пузырьков, создающие интенсивные локальные силы сдвига. Этот процесс способствует эмульгированию несмешивающихся жидкостей с получением стабильных мелкодисперсных эмульсий.
- Экстракция: Благодаря кавитационным силам сдвига ультразвуковые аппараты высокоэффективны при разрушении клеточных структур и улучшении массопереноса между твердой и жидкой фазами. Поэтому ультразвуковую экстракцию широко используют для высвобождения внутриклеточного материала, например биологически активных соединений, при производстве высококачественных растительных экстрактов.
- Дегазация и деаэрация: Ультразвуковые аппараты зондового типа применяют для удаления газовых пузырьков или растворенных газов из жидкостей. Применение ультразвуковой кавитации способствует слиянию газовых пузырьков, в результате чего они растут и всплывают к поверхности жидкости. Ультразвуковая кавитация делает дегазацию быстрой и эффективной процедурой. Это полезно в различных отраслях, например при работе с красками и гидравлическими жидкостями или при производстве пищевых продуктов и напитков, где присутствие газов может отрицательно влиять на качество и стабильность продукта.
- Сонокатализ: Ультразвуковые зонды могут использоваться для сонокатализа – процесса, объединяющего акустическую кавитацию с катализаторами для интенсификации химических реакций. Кавитация, создаваемая ультразвуковыми волнами, улучшает массоперенос, увеличивает скорость реакций и способствует образованию свободных радикалов, обеспечивая более эффективные и селективные химические превращения.
- Подготовка образцов: Ультразвуковые аппараты зондового типа широко используются в лабораториях для подготовки образцов. Их применяют для гомогенизации, дезагрегации и экстракции биологических образцов, таких как клетки, ткани и вирусы. Ультразвуковая энергия, создаваемая зондом, разрушает клеточные мембраны, высвобождая содержимое клеток и облегчая дальнейший анализ.
- Дезинтеграция и разрушение клеток: Ультразвуковые аппараты зондового типа применяют для дезинтеграции и разрушения клеток и тканей в различных целях, например для экстракции внутриклеточных компонентов, инактивации микроорганизмов или подготовки образцов к анализу. Высокоинтенсивные ультразвуковые волны и создаваемая ими кавитация вызывают механические напряжения и силы сдвига, приводящие к дезинтеграции клеточных структур. В биологических исследованиях и медицинской диагностике ультразвуковые аппараты зондового типа используют для лизиса клеток – процесса вскрытия клеток для высвобождения их внутриклеточных компонентов. Ультразвуковая энергия разрушает клеточные стенки, мембраны и органеллы, обеспечивая экстракцию белков, ДНК, РНК и других клеточных компонентов.
Это некоторые из основных областей применения ультразвуковых аппаратов зондового типа, однако технология имеет еще более широкий спектр других применений, включая сонохимию, уменьшение размера частиц (мокрое измельчение), синтез частиц по принципу «снизу вверх» и соносинтез химических веществ и материалов в различных отраслях, таких как фармацевтика, производство пищевых продуктов, биотехнология и науки об окружающей среде.
Последовательность кадров высокоскоростной съемки (от a до f), иллюстрирующая сономеханическую эксфолиацию чешуйки графита в воде с использованием UP200S – ультразвукового аппарата мощностью 200W с сонотродом 3 mm. Стрелки показывают место расщепления частиц, где кавитационные пузырьки проникают в образовавшуюся щель.
© Tyurnina et al. 2020
Воспользуйтесь преимуществами ультразвуковой кавитации!
Приведенная ниже таблица дает представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500mL | от 10 до 200mL/min | UP100H |
| от 10 до 2000mL | от 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| от 0,1 до 20L | от 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| от 10 до 100L | от 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | от 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | больше | группа аппаратов UIP16000 |
Видео акустической кавитации в жидкости
Следующее видео демонстрирует акустическую кавитацию на Cascatrode ультразвукового аппарата UIP1000hdT в стеклянной колонне, заполненной водой. 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 образование, рост и резкое схлопывание микроскопических пузырьков в жидкости, подвергаемой воздействию высокоинтенсивного ультразвука. Схлопывание этих пузырьков создает интенсивный локальный сдвиг, микроструи жидкости, ударные волны, высокие градиенты давления и сильные эффекты микроперемешивания.
В чем разница между ультразвуковой и акустической кавитацией?
Акустическая кавитация – общий термин для кавитации, вызываемой звуковыми волнами. Ультразвуковая кавитация – это акустическая кавитация, создаваемая на ультразвуковых частотах, обычно выше слышимого диапазона. При промышленной обработке жидкостей оба термина часто используют для кавитации, создаваемой ультразвуковыми аппаратами высокой мощности.
Как ультразвуковая кавитация улучшает обработку жидкостей?
Ультразвуковая кавитация улучшает обработку жидкостей, создавая интенсивные механические и химические эффекты внутри жидкости. Механические эффекты способствуют смешиванию, гомогенизации, эмульгированию, деагломерации частиц, мокрому измельчению, экстракции и разрушению клеток. В реакционных системах кавитация также может способствовать сонохимическим эффектам и улучшать массоперенос.
В каких процессах используют ультразвуковую кавитацию?
Ультразвуковую кавитацию используют для гомогенизации, диспергирования, эмульгирования, наноэмульгирования, экстракции, дегазации, деагломерации, уменьшения размера частиц, лизиса клеток, разрушения микроорганизмов, сонохимии, сонокатализа и передовых реакций в жидкой фазе.
Почему ультразвуковые аппараты зондового типа эффективны для создания кавитации?
Ультразвуковые аппараты зондового типа передают ультразвуковую энергию непосредственно в жидкость через сонотрод. Такая прямая передача ультразвуковой энергии создает интенсивную зону кавитации вблизи поверхности зонда и позволяет точно регулировать важные параметры процесса, такие как амплитуда, подводимая мощность, температура, давление и время обработки.
Подходит ли ультразвуковая ванна для создания сильной кавитации?
Ультразвуковые ванны создают кавитацию, но плотность энергии обычно значительно ниже, а ее концентрация меньше, чем у ультразвукового аппарата зондового типа. Ванны полезны для очистки и мягкой обработки, тогда как ультразвуковые аппараты зондового типа предпочтительны для воспроизводимой гомогенизации, экстракции, эмульгирования, диспергирования, разрушения клеток и промышленной обработки жидкостей.
Прочитайте и посмотрите, чем отличаются ультразвуковые аппараты зондового типа и ультразвуковые ванны!
Какие параметры влияют на интенсивность ультразвуковой кавитации?
К важным параметрам относятся амплитуда, ультразвуковая мощность, площадь поверхности сонотрода, объем жидкости, вязкость, содержание твердых веществ, давление, температура, геометрия сосуда, геометрия проточной ячейки, расход и время пребывания. Регулировка этих параметров позволяет адаптировать интенсивность кавитации к цели процесса.
Можно ли масштабировать ультразвуковую кавитацию от лаборатории до производства?
Да. Процессы ультразвуковой кавитации можно разрабатывать в лабораторных объемах и переносить на пилотный или промышленный масштаб, контролируя амплитуду, подводимую энергию, геометрию сонотрода, расход и время пребывания. Hielscher предлагает ультразвуковые аппараты и реакторы для лабораторных испытаний, пилотных испытаний и непрерывного промышленного производства.
Литература / Ссылки
- 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 лабораторного до промышленного масштаба.