Ultrazvočna kavitacija v tekočinah
Ultrazvočni valovi ultrazvoka visoke intenzivnosti ustvarjajo akustično kavitacijo v tekočinah. Kavitacija povzroča ekstremne učinke lokalno, kot so tekoči curki do 1000 km/h, tlaki do 2000 atm in temperature do 5000 Kelvinov. Te ultrazvočno ustvarjene sile se uporabljajo za številne aplikacije za obdelavo tekočin, kot so homogenizacija, disperzija, emulgiranje, ekstrakcija, motnje celic in intenziviranje kemičnih reakcij.
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.
Ultrazvočni aparati s sondo, kot je UP400St Uporabite princip delovanja akustične kavitacije.
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.
Ključne aplikacije ultrazvočnih aparatov z uporabo 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:
Močna ultrazvočna kavitacija pri Hielscher ultrazvočni kaskatrodi
- 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
Ultrazvočna kavitacija na kaskatrodni sondi ultrazvočnega UIP1000hdT (1000 vatov, 20kHz) v steklenem reaktorju.
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.
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
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 |
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
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.