Uporaba močnega ultrazvoka z uporabo ultrazvočnih rogov

Ultrazvočni rogovi ali sonde se pogosto uporabljajo za različne aplikacije za predelavo tekočin, vključno s homogenizacijo, disperzijo, mokrim mletjem, emulgiranjem, ekstrakcijo, razpadom, raztapljanjem in razzračevanjem. Spoznajte osnove o ultrazvočnih rogovih, ultrazvočnih sondah in njihovih aplikacijah.

Ultrazvočni rog proti ultrazvočni sondi

Pogosto se izraz ultrazvočni rog in sonda uporabljata zamenljivo in se nanašata na ultrazvočno palico, ki prenaša ultrazvočne valove v tekočino. Drugi izrazi, ki se uporabljajo za ultrazvočno sondo, so akustični rog, sonotrod, akustični valovod ali ultrazvočni prst. Vendar pa tehnično obstaja razlika med ultrazvočnim rogom in ultrazvočno sondo.
Oba roga in sonda se nanašata na dele tako imenovanega ultrazvočnega aparata tipa sonde. Ultrazvočni rog je kovinski del ultrazvočnega pretvornika, ki se vznemirja s piezoelektrično ustvarjenimi vibracijami. Ultrazvočni rog vibrira na določeni frekvenci, npr. 20kHz, kar pomeni 20.000 vibracij na sekundo. Titan je najprimernejši material za izdelavo ultrazvočnih rogov zaradi svojih odličnih lastnosti akustičnega prenosa, robustne utrujenosti in trdote površine.

Ultrazvočna sonda se imenuje tudi sonotrode ali ultrazvočni prst. To je kovinska palica, najpogosteje izdelana iz titana in navojna na ultrazvočni rog. Ultrazvočna sonda je bistveni del ultrazvočnega procesorja, ki prenaša ultrazvočne valove v ultrazvočni medij. Na voljo so ultrazvočne sonde / sonotrode v različnih oblikah (npr. stožčasti, koničaste, koničaste ali kot kaskatroda). Medtem ko je titan najpogosteje uporabljen material za ultrazvočne sonde, so na voljo tudi sonotrode iz nerjavečega jekla, keramike, stekla in drugih materialov.

Ker sta ultrazvočni rog in sonda med ultrazvočnim razbijanjem pod stalnim stiskanjem ali napetostjo, je izbira materiala roga in sonde ključnega pomena. Visokokakovostna titanova zlitina (razred 5) velja za najbolj zanesljivo, trajno in učinkovito kovino, ki prenese obremenitve, vzdržuje visoke amplitude v daljšem časovnem obdobju in prenaša akustične in mehanske lastnosti.

Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati večinoma delujejo v frekvenčnem območju 20-30kHz. Pri 20 kHz je ultrazvočna sonda običajno pol valovne dolžine dolga resonančna palica, ki se nenehno širi in krči 20.000-krat na sekundo. Ekspanzijski in krčeni gibi se prenašajo kot ultrazvok velike moči v procesni medij, tj. tekočino ali gnojevko, da se izpolnijo aplikacije, kot so

• Ultrazvočno mešanje z visokim striženjem
• Ultrazvočno mokro mletje
• ultrazvočna disperzija nanodelcev
• ultrazvočna nano-emulzifikacija
• Ultrazvočna ekstrakcija
• Ultrazvočni razpad
• ultrazvočna motnja celic in liza
• ultrazvočno razplinjevanje in razzračevanje
• Sono-kemija (sono-sinteza, sono-kataliza)

Kako deluje Power Ultrasound? – Načelo delovanja akustične kavitacije

Za visoko zmogljive ultrazvočne aplikacije, kot so homogenizacija, zmanjšanje velikosti delcev, razpad ali nano-disperzije, ultrazvočni ultrazvok z visoko intenzivnostjo, nizkofrekvenčni ultrazvok ustvari ultrazvočni pretvornik in se prenese prek ultrazvočnega roga in sonde (sonotrode) v tekočino. Ultrazvok visoke moči se šteje za ultrazvok v območju 16-30kHz. Ultrazvočna sonda se razširi in skrči, npr. pri 20 kHz, s čimer v medij prenaša 20.000 vibracij na sekundo. Ko ultrazvočni valovi potujejo skozi tekočino, izmenični cikli visokega tlaka (stiskanje) / nizkega tlaka (redčenje / ekspanzija) ustvarjajo majhne votline (vakuumski mehurčki), ki rastejo v več tlačnih ciklih. Med fazo stiskanja tekočine in mehurčkov je tlak pozitiven, medtem ko faza redčenja proizvaja vakuum (negativni tlak). Med cikli stiskanja in ekspanzije votline v tekočini rastejo, dokler ne dosežejo velikosti, pri kateri ne morejo absorbirati nadaljnje energije. Na tej točki nasilno implodirajo. Implozija teh votline ima za posledico različne visoko energijske učinke, ki so znani kot pojav akustične / ultrazvočne kavitacije. Za akustično kavitacijo so značilni številni visoko energijski učinki, ki vplivajo na tekočine, sisteme trdne / tekočine in sisteme plin/tekočina. Energetsko gosto območje ali kavitacijsko območje je znano kot tako imenovano območje vročih točk, ki je najbolj energijsko gosto v neposredni bližini ultrazvočne sonde in se zmanjšuje z naraščajočo oddaljenostjo od sonotrode. Glavne značilnosti ultrazvočne kavitacije vključujejo lokalno pojavljajoče se zelo visoke temperature in tlake ter ustrezne razlike, turbulence in pretok tekočine. Med implozijo ultrazvočnih votlin v ultrazvočnih vročih točkah se lahko merijo temperature do 5000 Kelvinov, tlaki do 200 atmosfer in tekoči curki do 1000 km / h. Ti izjemni energetsko intenzivni pogoji prispevajo k sonomehanskim in sonokemičnim učinkom, ki na različne načine stopnjujejo procese in kemijske reakcije.
Glavni vpliv ultrazvoka na tekočine in gnojevke je naslednji:

• Visoko striženje: Ultrazvočne strižne sile motijo tekočine in sisteme tekočina-trdna snov, kar povzroča intenzivno mešanje, homogenizacijo in prenos mase.
• Vpliv: Tekoči curki in pretakanje, ki ga ustvarja ultrazvočna kavitacija, pospešujejo trdne snovi v tekočinah, kar posledično vodi do interpartikulularnega trka. Ko delci trčijo pri zelo visokih hitrostih, erodirajo, razbijejo in se fino zmeljejo in razpršijo, pogosto do nanovelikosti. Za biološke snovi, kot so rastlinski materiali, tekočinski curki visoke hitrosti in izmenični tlačni cikli motijo celične stene in sproščajo znotrajcelični material. To ima za posledico visoko učinkovito ekstrakcijo bioaktivnih spojin in homogeno mešanje biološke snovi.
• Vznemirjenost: Ultrasonication povzroča intenzivne turbulence, strižne sile in mikro gibanje v tekočini ali gnojevki. S tem ultrazvočno razbijanje vedno okrepi prenos mase in s tem pospeši reakcije in procese.

Ultrazvočni homogenizatorji in mešalniki z visokim striženjem se uporabljajo v skoraj vsaki predelovalni industriji, ki deluje s tekočinami ali suspenzijami. Intenzivne ultrazvočne kavitacijske sile ustvarjajo intenzivno vznemirjenje, striženje, lomljenje delcev in prenos mase. S tem se tekočine homogenizirajo, razpršijo, emulgirajo, ekstrahirajo, raztopijo in/ali sprožijo kemijske reakcije. Na splošno je ultrazvočna obdelava metoda, ki povečuje donos, izboljšuje stopnje pretvorbe in naredi procese učinkovitejše.
Običajne ultrazvočne aplikacije v industriji so razširjene po številnih panogah hrane & farmacija, fina kemija, energetika & petrokemija, recikliranje, biorafinerije itd. in vključujejo naslednje:

• ultrazvočna sinteza biodizla
• Ultrazvočna homogenizacija sadnih sokov
• Ultrazvočna proizvodnja cepiv
• ultrazvočno recikliranje litij-ionskih baterij
• Ultrazvočna sinteza nanomaterialov
• Ultrazvočna formulacija farmacevtskih izdelkov
• ultrazvočna nano-emulzifikacija CBD
• Ultrazvočna ekstrakcija rastlin
• Ultrazvočna priprava vzorcev v laboratorijih
• ultrazvočno razplinjevanje tekočin
• ultrazvočno razžveplanje surove nafte
• in še veliko več ...

Ultrazvočni rogovi in sonde za visoko zmogljive aplikacije

Hielscher Ultrasonics je dolgoletni proizvajalec in distributer ultrazvočnih aparatov visoke moči, ki se po vsem svetu uporabljajo za težke aplikacije v številnih industrijah.
Z ultrazvočnimi procesorji v vseh velikostih od 50 vatov do 16kW na napravo, sondami različnih velikosti in oblik, ultrazvočnimi reaktorji z različnimi volumni in geometrijami, ima Hielscher Ultrasonics pravo opremo za konfiguriranje idealne ultrazvočne nastavitve za vašo aplikacijo.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: