Ultrazvočna kavitacija v tekočinah
Ultrazvočna kavitacija je gonilna sila visoko intenzivne ultrazvočne obdelave tekočin. Ko se močan ultrazvok vključi v tekočino, se tvorijo mikroskopske pare mehurčki, ki rastejo in nasilno kolapsirajo. Ta akustična kavitacija ustvarja intenzivne lokalne strižne sile, mikro curke, udarne valove, spremembe tlaka in učinke mikromiksanja, ki lahko pospešijo homogenizacijo, dispergiranje, emulgacijo, ekstrakcijo, razplinjevanje, razbijanje celic in sonokemične reakcije.
Ultrazvočni aparati tipa sonda podjetja Hielscher z nadzorovano akustično kavitacijo prenašajo ultrazvočno energijo neposredno v tekočine, suspenzije in kaše. Od majhnih laboratorijskih vzorcev do neprekinjene industrijske proizvodnje s pretokom – sistemi podjetja Hielscher omogočajo prilagajanje amplitude, geometrije sonotrode, tlaka, temperature, pretoka in časa zadrževanja za doseganje ponovljivih rezultatov kavitacije.
- Za laboratorije: razviti in optimizirati parametre ultrazvoka v majhnih količinah.
- Za pilotne obrate: preveriti postopke, ki temeljijo na kavitaciji, v realnih pogojih obdelave.
- Za proizvodnjo: uporabo ultrazvočne kavitacije v serijskih, recirkulacijskih ali neprekinjenih procesih.
Sporočite nam podatke o tekočini, prostornini serije ali pretoku, viskoznosti, vsebnosti trdnih delcev, temperaturnih mejah in želenem rezultatu procesa. Priporočili vam bomo optimalno konfiguracijo ultrazvočnega aparata, sonotrode in pretočne celice za vašo kavitacijsko aplikacijo.
Ultrazvočni aparati s sondo, kot je model UP400St Uporabite princip delovanja akustične kavitacije.
Načelo delovanja ultrazvočne kavitacije
Pri ultrazvočnih tekočinah pri visokih intenzivnostih zvočni valovi, ki se širijo v tekoče medije, povzročijo izmenične cikle visokega tlaka (stiskanje) in nizkega tlaka (redčenje), s hitrostmi, ki so odvisne od frekvence. Med nizkotlačnim ciklom ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke ali praznine v tekočini. Ko mehurčki dosežejo prostornino, pri kateri ne morejo več absorbirati energije, se med ciklom visokega tlaka silovito zrušijo. Ta pojav se imenuje kavitacija. Med implozijo se lokalno dosežejo zelo visoke temperature (približno 5.000 K) in tlaki (približno 2.000 atm). Implozija kavitacijskega mehurčka povzroči tudi tekoče curke s hitrostjo do 280 m / s.
Akustična kavitacija (ki jo ustvarja močni ultrazvok) ustvarja lokalno ekstremne pogoje, tako imenovane sonomehanske in sonokemične učinke. Zaradi teh učinkov ultrazvočna razbijanje spodbuja kemične reakcije, ki vodijo do višjih donosov, hitrejše hitrosti reakcije, novih poti in izboljšane splošne učinkovitosti.
Ultrazvočni sondni aparat ali ultrazvočna kopel: katera metoda kavitacije je prava?
Ultrazvočni sonikatorji s sondo in ultrazvočne kopeli sicer ustvarjajo akustično kavitacijo, vendar se med seboj bistveno razlikujejo po intenzivnosti, nadzoru in zanesljivosti procesa. Medtem ko so ultrazvočne kopeli primerne za čiščenje, sondni sonikatorji ultrazvočno energijo neposredno vnašajo v tekočino in ustvarjajo veliko močnejše, osredotočeno kavitacijsko območje. Zaradi tega so sondni sonikatorji prednostna izbira za ponovljive aplikacije obdelave tekočin, kot so homogenizacija, emulgacija, ekstrakcija, razbijanje celic, disperzija nanodelcev in sonokemične reakcije.
| Merila za primerjavo | sonda Sonicator | ultrazvočna kopel |
|---|---|---|
| intenzivnost kavitacije | Povzroča visoko intenzivno akustično kavitacijo neposredno na konici sonotrode. | Povzroča šibkejšo kavitacijo, ki je porazdeljena po celotnem volumnu kopeli. |
| Prenos energije | Ultrazvočno energijo prenaša neposredno v tekočino, suspenzijo ali kašo. | Energijo prenaša posredno prek kopalne tekočine in stene posode. |
| Nadzor procesa | Omogoča natančno nastavitev amplitude, vhodne moči, impulznega načina, temperature in časa obdelave. | Omogoča omejen nadzor nad dejansko ultrazvočno energijo, ki doseže vzorec. |
| Obnovljivost | Zagotavlja ponovljive rezultate ultrazvočne obdelave, če so parametri postopka opredeljeni in nadzorovani. | Rezultati se lahko razlikujejo zaradi neenakomerne porazdelitve kavitacije, položaja posode, materiala posode, stopnje napolnjenosti in obremenitve kopeli. |
| Učinkovitost obdelave | Izjemno učinkovit pri homogenizaciji, dispergiranju, emulgiranju, ekstrakciji, razbijanju celic in sonokemiji. | Primerno predvsem za čiščenje. |
| Vzorčni volumen | Na voljo za majhne laboratorijske vzorce ter za pilotne in industrijske količine. | Običajno se uporablja za majhne posode ali več posod, ki so postavljene v kopel. |
| razširitev | Lahko se prilagodi od laboratorijskih testov do pilotnih poskusov in neprekinjene industrijske proizvodnje v proizvodni liniji. | Težko je zagotoviti zanesljivo prilagajanje, saj razporeditev energije in intenzivnost kavitacije nista zlahka prenosljivi. |
| Primerni mediji | Primerno za tekočine, emulzije, suspenzije, kaše in formulacije z visoko vsebnostjo trdnih snovi. | Najbolj primerno za tekočine z nizko viskoznostjo ter za preprosta čiščenja ali odstranjevanje plinov. |
| Tipične aplikacije | Disperzija nanodelcev, nanoemulzije, ekstrakcija, liza celic, homogenizacija, deaglomeracija, mokro mletje in sonokemične reakcije. | Čiščenje steklovine, razplinjevanje tekočin, raztapljanje praškov in nežno mešanje vzorcev. |
| Najboljša izbira za | Nadzorovana, zmogljiva in ponovljiva obdelava tekočin z ultrazvokom. | Preprosto čiščenje ali ultrazvočna obdelava z nizko intenzivnostjo. |
Glavne uporabe ultrazvočnih naprav in akustične kavitacije
Ultrazvočni sondi, znani tudi kot ultrazvočne sonde, učinkovito ustvarjajo intenzivno akustično kavitacijo v tekočinah. Zato se pogosto uporabljajo v različnih aplikacijah v različnih panogah. Nekatere najpomembnejše aplikacije akustične kavitacije, ki jo ustvarjajo ultrazvočni zvočni aparati, vključujejo:
- Homogenizacijo: Ultrazvočne sonde lahko ustvarijo intenzivno kavitacijo, ki je značilna kot energijsko gosto polje vibracij in strižnih sil. Te sile zagotavljajo odlično mešanje, mešanje in zmanjšanje velikosti delcev. Ultrazvočna homogenizacija proizvaja enakomerno mešane suspenzije. Zato se ultrazvočna razbijanje uporablja za proizvodnjo homogene koloidne suspenzije z ozkimi porazdelitvenimi krivuljami.
- Disperzija nanodelcev: Ultrazvočni aparati se uporabljajo za disperzijo, deaglomeracijo in mokro mletje nanodelcev. Nizkofrekvenčni ultrazvočni valovi lahko ustvarijo vplivno kavitacijo, ki razgradi aglomerate in zmanjša velikost delcev. Zlasti visoko striženje tekočih curkov pospešuje delce v tekočini, ki trčijo med seboj (trk med delci), tako da se delci posledično zlomijo in erodirajo. To ima za posledico enakomerno in stabilno porazdelitev delcev, ki preprečujejo sedimentacijo. To je ključnega pomena na različnih področjih, vključno z nanotehnologijo, znanostjo o materialih in farmacevtskimi izdelki.
- Emulgiranje in mešanje: Ultrazvočni aparati tipa sonde se uporabljajo za ustvarjanje emulzij in mešanje tekočin. Ultrazvočna energija povzroča kavitacijo, nastanek in propad mikroskopskih mehurčkov, ki ustvarjajo intenzivne lokalne strižne sile. Ta postopek pomaga pri emulgiranju tekočin, ki se ne mešajo, pri čemer nastanejo stabilne in fino razpršene emulzije.
- Ekstrakcija: Zaradi kavitacijskih strižnih sil so ultrazvočni aparati zelo učinkoviti pri motenju celičnih struktur in izboljšanju prenosa mase med trdno in tekočino. Zato se ultrazvočna ekstrakcija pogosto uporablja za sproščanje znotrajceličnih materialov, kot so bioaktivne spojine za proizvodnjo visokokakovostnih botaničnih izvlečkov.
- Odplinjevanje in odzračevanje: Ultrazvočni zvočni aparati se uporabljajo za odstranjevanje plinskih mehurčkov ali raztopljenih plinov iz tekočin. Uporaba ultrazvočne kavitacije spodbuja koalescenco plinskih mehurčkov, tako da rastejo in plavajo na vrh tekočine. Ultrazvočna kavitacija omogoča razplinjevanje hiter in učinkovit postopek. To je dragoceno v različnih panogah, kot so barve, hidravlične tekočine ali predelava hrane in pijače, kjer lahko prisotnost plinov negativno vpliva na kakovost in stabilnost izdelka.
- Sonocataliza: Ultrazvočne sonde se lahko uporabljajo za sonokatalizo, proces, ki združuje akustično kavitacijo s katalizatorji za izboljšanje kemičnih reakcij. Kavitacija, ki jo ustvarjajo ultrazvočni valovi, izboljša prenos mase, poveča hitrost reakcije in spodbuja proizvodnjo prostih radikalov, kar vodi do učinkovitejših in selektivnejših kemijskih transformacij.
- Priprava vzorca: Ultrazvočni aparati tipa sonde se običajno uporabljajo v laboratorijih za pripravo vzorcev. Uporabljajo se za homogenizacijo, razčlenjevanje in ekstrakcijo bioloških vzorcev, kot so celice, tkiva in virusi. Ultrazvočna energija, ki jo ustvarja sonda, moti celične membrane, sprošča celično vsebino in olajša nadaljnjo analizo.
- Razpad in motnje celic: Ultrazvočni aparati tipa sonde se uporabljajo za razgradnjo in motenje celic in tkiv za različne namene, kot so ekstrakcija znotrajceličnih komponent, mikrobna inaktivacija ali priprava vzorca za analizo. Ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti in s tem ustvarjena kavitacija povzročajo mehanske napetosti in strižne sile, kar povzroči razpad celičnih struktur. V bioloških raziskavah in medicinski diagnostiki se ultrazvočni aparati tipa sonde uporabljajo za lizo celic, proces razbijanja odprtih celic, da se sprostijo njihove znotrajcelične komponente. Ultrazvočna energija moti celične stene, membrane in organele, kar omogoča ekstrakcijo beljakovin, DNA, RNA in drugih celičnih sestavin.
To so nekatere ključne aplikacije ultrazvočnih sond, vendar ima tehnologija še širši spekter drugih uporab, vključno s sonokemijo, zmanjšanjem velikosti delcev (mokro mletje), sintezo delcev od spodaj navzgor in sonosintezo kemičnih snovi in materialov v različnih industrijah, kot so farmacevtska industrija, predelava hrane, biotehnologija in okoljske znanosti.
Hitro zaporedje (od a do f) okvirjev, ki ponazarjajo sono-mehansko luščenje grafitnih kosmičev v vodi z uporabo UP200S, 200W ultrazvočnega aparata s 3-milimetrsko sonotrodo. Puščice kažejo mesto cepljenja delcev s kavitacijskimi mehurčki, ki prodirajo v razcep.
© Tyurnina et al. 2020
Izkoristite prednosti ultrazvočne kavitacije!
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Videoposnetek akustične kavitacije v tekočini
Naslednji video prikazuje akustično kavitacijo na kaskatrodi ultrazvočnega UIP1000hdT v steklenem stolpcu, napolnjenem z vodo. Steklena kolona je od spodaj osvetljena z rdečo svetlobo, da bi izboljšali vizualizacijo kavitacijskih mehurčkov.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
Pogosto zastavljena vprašanja
Kaj je ultrazvočna kavitacija?
Ultrazvočna kavitacija je nastajanje, rast in nasilno razpadanje mikroskopskih mehurčkov v tekočini, izpostavljeni ultrazvoku visoke intenzivnosti. Razpad teh mehurčkov povzroča intenzivno lokalno strižno silo, mikrostruge tekočine, udarne valove, velike tlačne gradientne in močne učinke mikromiksanja.
Kakšna je razlika med ultrazvočno kavitacijo in akustično kavitacijo?
Akustična kavitacija je splošni izraz za kavitacijo, ki jo povzročajo zvočni valovi. Ultrazvočna kavitacija je akustična kavitacija, ki jo ustvarjajo ultrazvočne frekvence, običajno nad slišnim območjem. Pri industrijski obdelavi tekočin se oba izraza pogosto uporabljata za kavitacijo, ki jo povzročajo visokozmogljivi ultrazvočni generatorji.
Kako ultrazvočna kavitacija izboljša obdelavo tekočin?
Ultrazvočna kavitacija izboljša obdelavo tekočin z ustvarjanjem intenzivnih mehanskih in kemičnih učinkov znotraj tekočine. Mehanski učinki spodbujajo mešanje, homogenizacijo, emulgacijo, razpad aglomeratov delcev, mokro mletje, ekstrakcijo in razbijanje celic. V reaktivnih sistemih lahko kavitacija spodbuja tudi sonokemične učinke in izboljša prenos mase.
Kateri aparati uporabljajo ultrazvočno kavitacijo?
Ultrazvočna kavitacija se uporablja za homogenizacijo, dispergiranje, emulgiranje, nanoemulgiranje, ekstrakcijo, razplinjevanje, razbijanje aglomeratov, zmanjševanje velikosti delcev, lizo celic, uničevanje mikroorganizmov, sonokemijo, sonokatalizo in napredne reakcije v tekoči fazi.
Zakaj so ultrazvočni generatorji s sondo učinkoviti pri kavitaciji?
Ultrazvočni aparati s sondo prenašajo ultrazvočno energijo neposredno v tekočino prek sonotrode. Ta neposredna prenos energije ustvari območje intenzivne kavitacije v bližini površine sonde in omogoča natančno nastavitev pomembnih parametrov procesa, kot so amplituda, vhodna moč, temperatura, tlak in čas obdelave.
Ali je ultrazvočna kopel primerna za močno kavitacijo?
Ultrazvočne kopeli povzročajo kavitacijo, vendar je gostota energije običajno precej nižja in manj osredotočena kot pri sondnih ultrazvočnih napravah. Kopeli so primerne za čiščenje in blago obdelavo, medtem ko so sondne ultrazvočne naprave bolj primerne za ponovljivo homogenizacijo, ekstrakcijo, emulgacijo, disperzijo, razbijanje celic in industrijsko obdelavo tekočin.
Preberite in si oglejte, v čem se sondni ultrazvočni aparati razlikujejo od ultrazvočnih kopeli!
Kateri parametri vplivajo na intenzivnost ultrazvočne kavitacije?
Med pomembne parametre spadajo amplituda, ultrazvočna moč, površina sonotrode, volumen tekočine, viskoznost, vsebnost trdnih snovi, tlak, temperatura, geometrija posode, geometrija pretočne celice, pretok in čas zadrževanja. S prilagajanjem teh parametrov je mogoče intenzivnost kavitacije prilagoditi ciljem procesa.
Ali je mogoče ultrazvočno kavitacijo prenesti iz laboratorija v proizvodnjo?
Da. Ultrazvočne kavitacijske procese je mogoče razviti v laboratorijskih razmerjih in jih prenesti na pilotno ali industrijsko raven z nadzorovanjem amplitude, vnesene energije, geometrije sonotrode, pretoka in časa zadrževanja. Hielscher ponuja ultrazvočne naprave in reaktorje za laboratorijsko testiranje, pilotne poskuse in neprekinjeno industrijsko proizvodnjo.
Literatura / Reference
- 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 proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.