Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách
Ultrazvukové vlny ultrazvuku vysokej intenzity vytvárajú akustickú kavitáciu v kvapalinách. Kavitácia spôsobuje lokálne extrémne účinky, ako sú prúdy kvapaliny až 1000 km/h, tlaky až 2000 atm a teploty až 5000 Kelvinov. Tieto ultrazvukom generované sily sa používajú na množstvo aplikácií spracovania kvapalín, ako je homogenizácia, dispergácia, emulgácia, extrakcia, narušenie buniek, ako aj zintenzívnenie chemických reakcií.
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.
Ultrazvukové prístroje sondového typu, ako je UP400St Použite princíp činnosti akustickej kavitácie.
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.
Kľúčové aplikácie ultrazvukových prístrojov využívajúcich akustickú kavitáciu
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:
Výkonná ultrazvuková kavitácia na Hielscher Ultrasonic Cascatrode
- 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
Ultrazvuková kavitácia na kaskatródovej sonde ultrazvuku UIP1000hdT (1000 wattov, 20 kHz) v sklenenom reaktore.
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.
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
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 |
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, disperziu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, pilotnom a priemyselnom meradle.
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.