Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách
Ultrazvuková kavitácia je hnacou silou vysokovýkonného ultrazvukového spracovania kvapalín. Keď sa silný ultrazvuk prenesie do kvapaliny, vytvárajú sa mikroskopické parné bubliny, ktoré rastú a prudko kolabujú. Táto akustická kavitácia vytvára intenzívne lokálne šmykové sily, mikroprúdy, rázové vlny, zmeny tlaku a efekty mikromiešania, ktoré môžu urýchliť homogenizáciu, disperziu, emulgáciu, extrakciu, odplyňovanie, rozrušenie buniek a sonochemické reakcie.
Ultrazvukové zariadenia typu sondy od spoločnosti 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 – systémy spoločnosti Hielscher vám umožňujú nastaviť amplitúdu, geometriu sonotródy, tlak, teplotu, prietok a dobu zdržania, čím dosiahnete reprodukovateľné výsledky kavitácie.
- Pre laboratóriá: vyvíjať a optimalizovať parametre sonikácie v malých objemoch.
- Pre pilotné zariadenia: overiť procesy založené na kavitácii za reálnych prevádzkových podmienok.
- Pre výrobu: využiť ultrazvukovú kavitáciu v dávkových, recirkulačných alebo kontinuálnych inline procesoch.
Uveďte nám informácie o kvapaline, objeme dávky alebo prietoku, viskozite, obsahu tuhých častíc, teplotných medziach a požadovanom výsledku procesu. Odporučíme vám optimálnu konfiguráciu ultrazvukového zariadenia, sonotródy a prietokovej komory pre vašu aplikáciu využívajúcu kavitáciu.
Ultrazvukové zariadenia so sondou, ako napríklad model UP400St Použite princíp činnosti akustickej kavitácie.
Princíp činnosti ultrazvukovej kavitácie
Pri sonikovaní kvapalín pri vysokej intenzite majú zvukové vlny, ktoré sa šíria do kvapalného média, za následok striedanie vysokotlakových (kompresných) a nízkotlakových (zriedených) cyklov s rýchlosťou v závislosti od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou malé vákuové bubliny alebo dutiny v kvapaline. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nemôžu absorbovať energiu, prudko sa zrútia počas vysokotlakového cyklu. Tento jav sa nazýva kavitácia. Počas implózie sa lokálne dosahujú veľmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 atm). Implózia kavitačnej bubliny má tiež za následok prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 280 m/s.
Akustická kavitácia (generovaná výkonovým ultrazvukom) vytvára lokálne extrémne podmienky, tzv. sonomechanické a sonochemické efekty. Vďaka týmto účinkom sonikacia podporuje chemické reakcie vedúce k vyšším výťažkom, rýchlejšej rýchlosti reakcie, novým cestám a zlepšeniu celkovej účinnosti.
Ultrazvukový sondový prístroj alebo ultrazvuková vaňa: Ktorá metóda kavitácie je tá správna?
Ultrazvukové sondy aj ultrazvukové kúpele vytvárajú akustickú kavitáciu, výrazne sa však líšia v intenzite, ovládaní a spoľahlivosti procesu. Zatiaľ čo ultrazvukové kúpele sú užitočné na čistenie, sondové sonikátory prenášajú ultrazvukovú energiu priamo do kvapaliny a vytvárajú oveľa silnejšiu, zameranú kavitačnú zónu. Vďaka tomu sú sondové sonikátory preferovanou voľbou pre aplikácie s reprodukovateľným spracovaním kvapalín, ako sú homogenizácia, emulgácia, extrakcia, rozrušovanie buniek, disperzia nanočastíc a sonochemické reakcie.
| Kritériá porovnania | sondový sonikátor | ultrazvukový kúpeľ |
|---|---|---|
| intenzita kavitácie | Vytvára vysokointenzívnu akustickú kavitáciu priamo na špičke sonotródy. | Vytvára slabšiu kavitáciu rozloženú po celom objeme kúpeľa. |
| Prenos energie | Prenáša ultrazvukovú energiu priamo do kvapaliny, suspenzie alebo kaše. | Energiu prenáša nepriamo prostredníctvom kúpeľovej tekutiny a steny nádoby. |
| Riadenie procesov | Umožňuje presné nastavenie amplitúdy, príkonu, pulzného režimu, teploty a doby spracovania. | Umožňuje len obmedzenú kontrolu nad skutočnou ultrazvukovou energiou, ktorá dopadá na vzorku. |
| reprodukovateľnosť | Zabezpečuje reprodukovateľné výsledky sonikácie, ak sú procesné parametre definované a monitorované. | Výsledky sa môžu líšiť v závislosti od nerovnomerného rozloženia kavitácie, polohy nádoby, materiálu nádoby, úrovne naplnenia a obsadenosti kúpeľa. |
| Efektívnosť spracovania | Vysoko účinný pri homogenizácii, dispergácii, emulgácii, extrakcii, rozrušovaní buniek a sonochemii. | Vhodné hlavne na čistenie. |
| Objem vzorky | K dispozícii pre malé laboratórne vzorky, ako aj pre pilotné a priemyselné objemy. | Zvyčajne sa používa pre malé nádoby alebo viacero kontajnerov umiestnených vo vani. |
| Rozširovanie | Je možné to rozšíriť od laboratórnych testov cez pilotné skúšky až po nepretržité priemyselné spracovanie v rámci výrobného reťazca. | Je ťažké dosiahnuť spoľahlivé škálovanie, pretože rozloženie energie a intenzita kavitácie nie sú ľahko prenosné. |
| Vhodné médiá | Vhodné pre kvapaliny, emulzie, suspenzie, kaly a prípravky s vysokým obsahom tuhých látok. | Najvhodnejšie pre kvapaliny s nízkou viskozitou a jednoduché úlohy v oblasti čistenia alebo odplyňovania. |
| Typické aplikácie | Disperzia nanočastíc, nanoemulzie, extrakcia, lýza buniek, homogenizácia, deaglomerácia, mokré mletie a sonochemické reakcie. | Čistenie sklenených nádob, odplyňovanie kvapalín, rozpúšťanie práškov a jemné premiešavanie vzoriek. |
| Najlepšia voľba pre | Kontrolované, výkonné a reprodukovateľné spracovanie kvapalín pomocou ultrazvuku. | Jednoduché čistenie alebo ultrazvuková úprava s nízkou intenzitou. |
Hlavné oblasti použitia ultrazvukových zariadení a akustickej kavitácie
Ultrazvukové sondy, známe aj ako ultrazvukové sondy, účinne generujú intenzívnu akustickú kavitáciu v kvapalinách. Preto sú široko používané v rôznych aplikáciách v rôznych priemyselných odvetviach. Niektoré z najdôležitejších aplikácií akustickej kavitácie generovanej ultrazvukovými prístrojmi typu sondy zahŕňajú:
- Homogenizácia: Ultrazvukové sondy môžu generovať intenzívnu kavitáciu, ktorá je charakterizovaná ako energeticky husté pole vibrácií a šmykových síl. Tieto sily poskytujú vynikajúce miešanie, miešanie a zmenšovanie veľkosti častíc. Ultrazvuková homogenizácia vytvára rovnomerne zmiešané suspenzie. Preto sa sonikácia používa na výrobu homogénnej koloidnej suspenzie s úzkymi distribučnými krivkami.
- Disperzia nanočastíc: Ultrazvukové prístroje sa používajú na disperziu, deaglomeráciu a mokré mletie nanočastíc. Nízkofrekvenčné ultrazvukové vlny môžu vytvárať pôsobivú kavitáciu, ktorá rozkladá aglomeráty a znižuje veľkosť častíc. Najmä vysoký šmyk kvapalných trysiek urýchľuje častice v kvapaline, ktoré sa navzájom zrážajú (zrážka medzi časticami), takže častice sa následne lámu a erodujú. Výsledkom je rovnomerné a stabilné rozloženie častíc, ktoré zabraňujú sedimentácii. To je kľúčové v rôznych oblastiach vrátane nanotechnológií, materiálovej vedy a farmácie.
- Emulgácia a miešanie: Ultrazvukové prístroje sondového typu sa používajú na vytváranie emulzií a miešanie kvapalín. Ultrazvuková energia spôsobuje kavitáciu, tvorbu a kolaps mikroskopických bublín, ktoré vytvárajú intenzívne lokálne šmykové sily. Tento proces pomáha emulgovať nemiešateľné kvapaliny a vytvárať stabilné a jemne rozptýlené emulzie.
- Extrakcia: Vďaka kavitačným šmykovým silám sú ultrazvukové prístroje vysoko účinné pri narúšaní bunkových štruktúr a zlepšovaní prenosu hmoty medzi pevnou látkou a kvapalinou. Preto sa ultrazvuková extrakcia široko používa na uvoľňovanie intracelulárneho materiálu, ako sú bioaktívne zlúčeniny, na výrobu vysokokvalitných botanických extraktov.
- Odplyňovanie a odvzdušňovanie: Ultrazvukové prístroje sondového typu sa používajú na odstránenie plynových bublín alebo rozpustených plynov z kvapalín. Aplikácia ultrazvukovej kavitácie podporuje koalescenciu plynových bublín tak, aby rástli a plávali na vrchole kvapaliny. Vďaka ultrazvukovej kavitácii je odplyňovanie rýchlym a efektívnym postupom. To je cenné v rôznych priemyselných odvetviach, ako sú farby, hydraulické kvapaliny alebo spracovanie potravín a nápojov, kde prítomnosť plynov môže negatívne ovplyvniť kvalitu a stabilitu produktu.
- Sonocatalýza: Ultrazvukové sondy možno použiť na sonokatalýzu, proces, ktorý kombinuje akustickú kavitáciu s katalyzátormi na zlepšenie chemických reakcií. Kavitácia generovaná ultrazvukovými vlnami zlepšuje prenos hmoty, zvyšuje rýchlosť reakcií a podporuje produkciu voľných radikálov, čo vedie k efektívnejším a selektívnejším chemickým transformáciám.
- Príprava vzorky: Ultrazvukové prístroje sondového typu sa bežne používajú v laboratóriách na prípravu vzoriek. Používajú sa na homogenizáciu, rozčlenenie a extrakciu biologických vzoriek, ako sú bunky, tkanivá a vírusy. Ultrazvuková energia generovaná sondou narúša bunkové membrány, uvoľňuje bunkový obsah a uľahčuje ďalšiu analýzu.
- Rozpad a narušenie buniek: Ultrazvukové prístroje sondového typu sa používajú na rozklad a narušenie buniek a tkanív na rôzne účely, ako je extrakcia intracelulárnych zložiek, mikrobiálna inaktivácia alebo príprava vzoriek na analýzu. Ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou a tým vytvorená kavitácia spôsobujú mechanické namáhanie a šmykové sily, čo vedie k rozpadu bunkových štruktúr. V biologickom výskume a lekárskej diagnostike sa ultrazvukové prístroje sondového typu používajú na lýzu buniek, proces rozbíjania buniek, aby sa uvoľnili ich intracelulárne zložky. Ultrazvuková energia narúša bunkové steny, membrány a organely, čo umožňuje extrakciu proteínov, DNA, RNA a ďalších bunkových zložiek.
Toto sú niektoré z kľúčových aplikácií ultrazvukových prístrojov typu sondy, ale táto technológia má ešte širšiu škálu ďalších použití, vrátane sonochémie, zmenšovania veľkosti častíc (mokré mletie), syntézy častíc zdola nahor a sonosyntézy chemických látok a materiálov v rôznych priemyselných odvetviach, ako je farmaceutický priemysel, spracovanie potravín, biotechnológie a environmentálne vedy.
Vysokorýchlostná sekvencia (od a do f) snímok ilustrujúcich sono-mechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, 200W ultrazvuku s 3 mm sonotrodou. Šípky znázorňujú miesto štiepenia častíc s kavitačnými bublinami prenikajúcimi do štiepenia.
© Tyurnina et al. 2020
Využite výhody ultrazvukovej kavitácie!
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Video akustickej kavitácie v kvapaline
Nasledujúce video demonštruje akustickú kavitáciu na kaskatróze ultrazvuku UIP1000hdT v sklenenom stĺpci naplnenom vodou. Sklenený stĺpec je zospodu osvetlený červeným svetlom, aby sa zlepšila vizualizácia kavitačných bublín.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, disperziu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, pilotnom a priemyselnom meradle.
často kladené otázky
Čo je ultrazvuková kavitácia?
Ultrazvuková kavitácia je proces vzniku, rastu a prudkého kolapsu mikroskopických bublín v kvapaline vystavenej pôsobeniu ultrazvuku vysokej intenzity. Kolaps týchto bublín spôsobuje intenzívne lokálne šmykové napätie, vznik mikroprúdov kvapaliny, rázové vlny, vysoké tlakové gradienty a silné efekty mikromiešania.
Aký je rozdiel medzi ultrazvukovou kavitáciou a akustickou kavitáciou?
Akustická kavitácia je všeobecný pojem pre kavitáciu vyvolanú zvukovými vlnami. Ultrazvuková kavitácia je akustická kavitácia vyvolaná ultrazvukovými frekvenciami, zvyčajne nad hranicou počuteľného rozsahu. Pri priemyselnom spracovaní kvapalín sa oba pojmy často používajú na označenie kavitácie vyvolanej vysokovýkonnými ultrazvukovými zariadeniami.
Ako ultrazvuková kavitácia zlepšuje spracovanie kvapalín?
Ultrazvuková kavitácia zlepšuje spracovanie kvapalín tým, že vo vnútri kvapaliny vyvoláva intenzívne mechanické a chemické účinky. Mechanické účinky napomáhajú miešaniu, homogenizácii, emulgácii, deaglomerácii častíc, mokrému mletiu, extrakcii a rozrušovaniu buniek. V reaktívnych systémoch môže kavitácia tiež podporovať sonochemické účinky a zlepšovať prenos hmoty.
V ktorých aplikáciách sa využíva ultrazvuková kavitácia?
Ultrazvuková kavitácia sa využíva na homogenizáciu, disperziu, emulgáciu, nanoemulgáciu, extrakciu, odplyňovanie, deaglomeráciu, zmenšovanie veľkosti častíc, lýzu buniek, rozrušovanie mikróbov, sonochémiu, sonokatalýzu a pokročilé reakcie v kvapalnej fáze.
Prečo sú ultrazvukové generátory sondového typu účinné pri kavitácii?
Ultrazvukové zariadenia so sondou prenášajú ultrazvukovú energiu priamo do kvapaliny prostredníctvom sonotródy. Toto priame prenášanie energie vytvára v blízkosti povrchu sondy intenzívnu kavitačnú zónu a umožňuje presné nastavenie dôležitých parametrov procesu, ako sú amplitúda, príkon, teplota, tlak a doba spracovania.
Je ultrazvuková vaňa vhodná na silnú kavitáciu?
Ultrazvukové kúpele vytvárajú kavitáciu, avšak hustota energie je zvyčajne oveľa nižšia a menej zameraná ako v prípade sondových ultrazvukových zariadení. Kúpele sa hodia na čistenie a šetrné spracovanie, zatiaľ čo sondové ultrazvukové zariadenia sa uprednostňujú pri reprodukovateľnej homogenizácii, extrakcii, emulgácii, disperzii, rozrušovaní buniek a priemyselnom spracovaní kvapalín.
Prečítajte si a pozrite sa, v čom sa líšia ultrazvukové prístroje so sondou a ultrazvukové kúpele!
Ktoré parametre ovplyvňujú intenzitu ultrazvukovej kavitácie?
Medzi dôležité parametre patria amplitúda, ultrazvukový výkon, plocha povrchu sonotródy, objem kvapaliny, viskozita, obsah tuhých látok, tlak, teplota, geometria nádoby, geometria prietokovej komory, prietok a doba zdržania. Úpravou týchto parametrov je možné intenzitu kavitácie prispôsobiť cieľu procesu.
Je možné ultrazvukovú kavitáciu preniesť z laboratória do sériovej výroby?
Áno. Procesy ultrazvukovej kavitácie je možné vyvinúť v laboratórnych podmienkach a následne preniesť do pilotného alebo priemyselného meradla prostredníctvom regulácie amplitúdy, dodávanej energie, geometrie sonotródy, prietoku a doby zdržania. Spoločnosť Hielscher ponúka ultrazvukové zariadenia a reaktory určené na laboratórne testovanie, pilotné skúšky a nepretržitú 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.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.