Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách
Ultrazvuková kavitácia je hnacou silou spracovania kvapalín ultrazvukom s vysokou intenzitou. Keď sa do kvapaliny prenáša výkonný ultrazvuk, vytvárajú sa mikroskopické bubliny pary, ktoré rastú a prudko kolabujú. Táto akustická kavitácia vytvára intenzívne lokálne šmykové sily, mikroprúdy, rázové vlny, zmeny tlaku a účinky mikromiešania, ktoré môžu urýchliť homogenizáciu, dispergovanie, emulgáciu, extrakciu, odplyňovanie, rozrušovanie buniek a sonochemické reakcie.
Sondové sonikátory Hielscher využívajú riadenú akustickú kavitáciu na prenos ultrazvukovej energie priamo do kvapalín, suspenzií a kalov. Od malých laboratórnych vzoriek až po kontinuálnu priemyselnú prietokovú výrobu umožňujú systémy Hielscher nastavovať amplitúdu, geometriu sonotródy, tlak, teplotu, prietok a čas zdržania na dosiahnutie reprodukovateľných výsledkov kavitácie.
- Pre laboratóriá: vyvíjajte a optimalizujte parametre sonikácie v malých objemoch.
- Pre poloprevádzkové zariadenia: overujte procesy využívajúce kavitáciu za reálnych podmienok spracovania.
- Pre výrobu: preneste ultrazvukovú kavitáciu do väčšej mierky v dávkových, recirkulačných alebo kontinuálnych procesoch priamo vo výrobnej linke.
Uveďte, akú kvapalinu spracúvate, objem dávky alebo prietok, viskozitu, obsah pevných látok, teplotné limity a požadovaný výsledok procesu. Odporučíme vám optimálnu konfiguráciu sonikátora, sonotródy a prietokovej cely pre vašu kavitačnú aplikáciu.
Sondové sonikátory ako UP400St využívajú princíp akustickej kavitácie.
Princíp fungovania ultrazvukovej kavitácie
Pri sonikácii kvapalín s vysokou intenzitou vyvolávajú zvukové vlny šíriace sa v kvapalnom médiu striedavé cykly vysokého tlaku (stláčanie) a nízkeho tlaku (zrieďovanie), pričom rýchlosť ich striedania závisí od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kvapaline malé vákuové bubliny alebo dutiny. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nedokážu absorbovať energiu, počas vysokotlakového cyklu prudko kolabujú. Tento jav sa nazýva kavitácia. Počas implózie sa lokálne dosahujú veľmi vysoké teploty (približne 5 000K) a tlaky (približne 2 000atm). Implózia kavitačnej bubliny tiež vytvára prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 280m/s.
Akustická kavitácia (generovaná výkonovým ultrazvukom) vytvára lokálne extrémne podmienky, takzvané sonomechanické a sonochemické účinky. Vďaka týmto účinkom sonikácia podporuje chemické reakcie vedúce k vyšším výťažkom, vyššej rýchlosti reakcií, novým reakčným dráham a lepšej celkovej účinnosti.
Sondový sonikátor alebo ultrazvukový kúpeľ: Ktorá metóda kavitácie je vhodná?
Sondové sonikátory aj ultrazvukové kúpele generujú akustickú kavitáciu, výrazne sa však líšia intenzitou, možnosťami riadenia a spoľahlivosťou procesu. Zatiaľ čo ultrazvukové kúpele sú užitočné na čistenie, sondové sonikátory prenášajú ultrazvukovú energiu priamo do kvapaliny a vytvárajú oveľa silnejšiu, sústredenú kavitačnú zónu. Vďaka tomu sú sondové sonikátory preferovanou voľbou pre reprodukovateľné aplikácie spracovania kvapalín, ako sú homogenizácia, emulgácia, extrakcia, rozrušovanie buniek, dispergovanie nanočastíc a sonochemické reakcie.
| Kritériá porovnania | Sondový sonikátor | Ultrazvukový kúpeľ |
|---|---|---|
| Intenzita kavitácie | Vytvára akustickú kavitáciu s vysokou intenzitou priamo na hrote sonotródy. | Vytvára slabšiu kavitáciu rozloženú v objeme kúpeľa. |
| Prenos energie | Prenáša ultrazvukovú energiu priamo do kvapaliny, suspenzie alebo kalu. | Prenáša energiu nepriamo cez kvapalinu kúpeľa a stenu nádoby. |
| Riadenie procesu | Umožňuje presné nastavenie amplitúdy, privádzaného výkonu, pulzného režimu, teploty a času spracovania. | Ponúka obmedzené možnosti riadenia skutočnej ultrazvukovej energie, ktorá sa dostáva do vzorky. |
| Reprodukovateľnosť | Poskytuje reprodukovateľné výsledky sonikácie, keď sú parametre procesu definované a monitorované. | Výsledky sa môžu líšiť v dôsledku nerovnomerného rozloženia kavitácie, polohy nádoby, materiálu nádoby, úrovne naplnenia a zaťaženia kúpeľa. |
| Účinnosť spracovania | Vysoko účinný pri homogenizácii, dispergovaní, emulgovaní, extrakcii, rozrušovaní buniek a sonochémii. | Vhodný najmä na čistenie. |
| Objem vzorky | Dostupný pre malé laboratórne vzorky, ako aj pre poloprevádzkové a priemyselné objemy. | Zvyčajne sa používa pre malé nádoby alebo viacero nádob umiestnených vo vani. |
| Zväčšovanie mierky | Možno ho škálovať od laboratórnych testov cez poloprevádzkové skúšky až po kontinuálne priemyselné spracovanie priamo v potrubí. | Spoľahlivé zväčšovanie mierky je náročné, pretože rozloženie energie a intenzitu kavitácie nemožno jednoducho preniesť do väčšej mierky. |
| Vhodné médiá | Účinný pri spracovaní kvapalín, emulzií, suspenzií, kašovitých suspenzií a formulácií s vysokým obsahom tuhých látok. | Najvhodnejší pre kvapaliny s nízkou viskozitou a jednoduché úlohy čistenia alebo odplyňovania. |
| Typické aplikácie | Dispergovanie nanočastíc, nanoemulzie, extrakcia, lýza buniek, homogenizácia, deaglomerácia, mokré mletie a sonochemické reakcie. | Čistenie sklenených nádob, odplyňovanie kvapalín, rozpúšťanie práškov a mierne premiešavanie vzoriek. |
| Najlepšia voľba pre | Riadené, výkonné a reprodukovateľné ultrazvukové spracovanie kvapalín. | Jednoduché čistenie alebo ultrazvukové ošetrenie s nízkou intenzitou. |
Kľúčové aplikácie sonikátorov a akustickej kavitácie
Ultrazvukové prístroje sondového typu, známe aj ako ultrazvukové sondy, účinne vytvárajú intenzívnu akustickú kavitáciu v kvapalinách. Preto sa široko používajú v rôznych aplikáciách naprieč rôznymi priemyselnými odvetviami. Medzi najdôležitejšie aplikácie akustickej kavitácie vytváranej ultrazvukovými prístrojmi sondového typu patria:
- Homogenizácia: Ultrazvukové sondy môžu vytvárať intenzívnu kavitáciu, ktorá sa vyznačuje poľom vibrácií a šmykových síl s vysokou hustotou energie. Tieto sily zabezpečujú vynikajúce miešanie, premiešavanie a zmenšovanie veľkosti častíc. Ultrazvuková homogenizácia vytvára rovnomerne premiešané suspenzie. Preto sa sonikácia používa na výrobu homogénnych koloidných suspenzií s úzkymi distribučnými krivkami.
- Dispergovanie nanočastíc: Ultrazvukové prístroje sa používajú na dispergovanie, deaglomeráciu a mokré mletie nanočastíc. Nízkofrekvenčné ultrazvukové vlny môžu vytvárať silnú kavitáciu, ktorá rozrušuje aglomeráty a zmenšuje veľkosť častíc. Najmä silné šmykové pôsobenie kvapalinových prúdov urýchľuje častice v kvapaline, ktoré sa navzájom zrážajú (medzičasticové zrážky), v dôsledku čoho sa častice lámu a erodujú. Výsledkom je rovnomerné a stabilné rozloženie častíc, ktoré zabraňuje sedimentácii. To je kľúčové v rôznych oblastiach vrátane nanotechnológií, materiálových vied a farmaceutického priemyslu.
- Emulgovanie a miešanie: Ultrazvukové prístroje sondového typu sa používajú na vytváranie emulzií a miešanie kvapalín. Ultrazvuková energia spôsobuje kavitáciu, teda tvorbu a kolaps mikroskopických bublín, čo vytvára intenzívne lokálne šmykové sily. Tento proces napomáha emulgovaniu nemiešateľných kvapalín, pričom vznikajú stabilné a jemne dispergované emulzie.
- Extrakcia: Vďaka kavitačným šmykovým silám sú ultrazvukové prístroje vysoko účinné pri rozrušovaní bunkových štruktúr a zlepšovaní prenosu hmoty medzi tuhou a kvapalnou fázou. Preto sa ultrazvuková extrakcia široko používa na uvoľňovanie vnútrobunkového materiálu, napríklad bioaktívnych zlúčenín, na výrobu vysokokvalitných rastlinných extraktov.
- Odplyňovanie a odvzdušňovanie: Ultrazvukové prístroje sondového typu sa používajú na odstraňovanie plynových bublín alebo rozpustených plynov z kvapalín. Použitie ultrazvukovej kavitácie podporuje koalescenciu plynových bublín, takže sa zväčšujú a stúpajú na hladinu kvapaliny. Ultrazvuková kavitácia robí z odplyňovania rýchly a účinný postup. To je cenné v rôznych priemyselných odvetviach, napríklad pri spracovaní náterových látok, hydraulických kvapalín alebo potravín a nápojov, kde prítomnosť plynov môže negatívne ovplyvniť kvalitu a stabilitu výrobku.
- Sonokatalýza: Ultrazvukové sondy sa môžu používať na sonokatalýzu, proces, ktorý kombinuje akustickú kavitáciu s katalyzátormi na podporu chemických reakcií. Kavitácia vytváraná ultrazvukovými vlnami zlepšuje prenos hmoty, zvyšuje rýchlosť reakcií a podporuje tvorbu voľných radikálov, čo vedie k účinnejším a selektívnejším chemickým premenám.
- Príprava vzoriek: Sondové ultrazvukové prístroje sa bežne používajú v laboratóriách na prípravu vzoriek. Používajú sa na homogenizáciu, dezagregáciu a extrakciu biologických vzoriek, ako sú bunky, tkanivá a vírusy. Ultrazvuková energia vytváraná sondou narúša bunkové membrány, čím uvoľňuje bunkový obsah a uľahčuje ďalšiu analýzu.
- Dezintegrácia a narúšanie buniek: Sondové ultrazvukové prístroje sa používajú na dezintegráciu a narúšanie buniek a tkanív na rôzne účely, ako je extrakcia vnútrobunkových zložiek, inaktivácia mikroorganizmov alebo príprava vzoriek na analýzu. Ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou a nimi vytváraná kavitácia spôsobujú mechanické namáhanie a šmykové sily, ktoré vedú k dezintegrácii bunkových štruktúr. V biologickom výskume a lekárskej diagnostike sa sondové ultrazvukové prístroje používajú na lýzu buniek, proces rozrušenia buniek s cieľom uvoľniť ich vnútrobunkové zložky. Ultrazvuková energia narúša bunkové steny, membrány a organely, čím umožňuje extrakciu proteínov, DNA, RNA a ďalších bunkových zložiek.
Toto sú niektoré z kľúčových oblastí použitia sondových ultrazvukových prístrojov, no táto technológia má ešte širšie spektrum ďalších využití vrátane sonochémie, zmenšovania veľkosti častíc (mletia za mokra), syntézy častíc metódou zdola nahor a sonosyntézy chemických látok a materiálov v rôznych odvetviach, ako sú farmaceutický priemysel, potravinárstvo, biotechnológie a environmentálne vedy.
Vysokorýchlostná sekvencia snímok (od a po f) znázorňujúca sonomechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, ultrazvukového prístroja s výkonom 200W a s 3-mm sonotródou. Šípky označujú miesto štiepenia častíc, pričom do vznikajúcej štrbiny prenikajú kavitačné bubliny.
© Tyurnina et al. 2020
Využite výhody ultrazvukovej kavitácie!
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zoskupenie zariadení UIP16000 |
Video akustickej kavitácie v kvapaline
Nasledujúce video ukazuje akustickú kavitáciu na cascatrode ultrazvukového prístroja UIP1000hdT v sklenenom stĺpci naplnenom vodou. Sklenený stĺpec je zospodu osvetlený červeným svetlom na zlepšenie viditeľnosti kavitačných bublín.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergovanie, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, poloprevádzkovom a priemyselnom meradle.
Často kladené otázky
Čo je ultrazvuková kavitácia?
Ultrazvuková kavitácia je vznik, rast a prudký kolaps mikroskopických bublín v kvapaline vystavenej ultrazvuku s vysokou intenzitou. Kolaps týchto bublín vytvára intenzívne lokálne šmykové pôsobenie, mikroprúdy kvapaliny, rázové vlny, vysoké tlakové gradienty a silné účinky mikromiešania.
Aký je rozdiel medzi ultrazvukovou kavitáciou a akustickou kavitáciou?
Akustická kavitácia je všeobecný pojem označujúci kavitáciu spôsobenú zvukovými vlnami. Ultrazvuková kavitácia je akustická kavitácia vytváraná ultrazvukovými frekvenciami, zvyčajne nad rozsahom počuteľnosti. Pri priemyselnom spracovaní kvapalín sa oba pojmy často používajú na označenie kavitácie vytváranej vysokovýkonnými ultrazvukovými prístrojmi.
Ako ultrazvuková kavitácia zlepšuje spracovanie kvapalín?
Ultrazvuková kavitácia zlepšuje spracovanie kvapalín vytváraním intenzívnych mechanických a chemických účinkov v kvapaline. Mechanické účinky podporujú miešanie, homogenizáciu, emulgáciu, deaglomeráciu častíc, mokré mletie, extrakciu a rozrušovanie buniek. V reaktívnych systémoch môže kavitácia podporovať aj sonochemické účinky a zlepšovať prenos hmoty.
V ktorých aplikáciách sa využíva ultrazvuková kavitácia?
Ultrazvuková kavitácia sa využíva na homogenizáciu, dispergovanie, emulgáciu, nanoemulgáciu, extrakciu, odplyňovanie, deaglomeráciu, zmenšovanie veľkosti častíc, lýzu buniek, rozrušovanie mikroorganizmov, sonochémiu, sonokatalýzu a pokročilé reakcie v kvapalnej fáze.
Prečo sú sondové ultrazvukové zariadenia účinné pri vytváraní kavitácie?
Sondové ultrazvukové zariadenia prenášajú ultrazvukovú energiu cez sonotródu priamo do kvapaliny. Tento priamy prenos energie vytvára intenzívnu kavitačnú zónu v blízkosti povrchu sondy a umožňuje presné nastavenie dôležitých procesných parametrov, ako sú amplitúda, privádzaný výkon, teplota, tlak a čas spracovania.
Je ultrazvukový kúpeľ vhodný na silnú kavitáciu?
Ultrazvukové kúpele vytvárajú kavitáciu, ale hustota energie je zvyčajne oveľa nižšia a energia je menej sústredená než pri sondovom sonikátore. Kúpele sú užitočné na čistenie a šetrné ošetrenie, zatiaľ čo sondové ultrazvukové zariadenia sa uprednostňujú pri reprodukovateľnej homogenizácii, extrakcii, emulgácii, dispergovaní, rozrušovaní buniek a priemyselnom spracovaní kvapalín.
Prečítajte si a pozrite si, ako sa líšia sondové sonikátory a ultrazvukové kúpele!
Ktoré parametre ovplyvňujú intenzitu ultrazvukovej kavitácie?
Medzi dôležité parametre patria amplitúda, ultrazvukový výkon, plocha povrchu sonotródy, objem kvapaliny, viskozita, obsah pevných látok, tlak, teplota, geometria nádoby, geometria prietokovej komory, prietok a čas zdržania. Nastavením týchto parametrov možno intenzitu kavitácie prispôsobiť cieľu procesu.
Možno ultrazvukovú kavitáciu preniesť z laboratória do výroby?
Áno. Procesy ultrazvukovej kavitácie možno vyvíjať v laboratórnych objemoch a prenášať do poloprevádzkovej alebo priemyselnej mierky riadením amplitúdy, dodanej energie, geometrie sonotródy, prietoku a času zdržania. Hielscher ponúka ultrazvukové zariadenia a reaktory na laboratórne testovanie, poloprevádzkové skúšky a kontinuálnu priemyselnú výrobu.
Literatúra / Referencie
- 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 vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórnych až po priemyselné veľkosti.