Ultrazvočna kavitacija v tekočinah
Ultrazvočna kavitacija je gonilna sila visokointenzivne ultrazvočne obdelave tekočin. Ko se močan ultrazvok sklopi s tekočino, nastanejo mikroskopski parni mehurčki, ki rastejo in se silovito sesedejo. Ta akustična kavitacija ustvarja močne lokalne strižne sile, mikrocurke, udarne valove, spremembe tlaka in učinke mikromešanja, ki lahko pospešijo homogenizacijo, dispergiranje, emulgiranje, ekstrakcijo, razplinjevanje, razgradnjo celic in sonokemijske reakcije.
Sonikatorji s sondo Hielscher uporabljajo nadzorovano akustično kavitacijo za prenos ultrazvočne energije neposredno v tekočine, suspenzije in gošče. Od majhnih laboratorijskih vzorcev do neprekinjene industrijske pretočne proizvodnje vam sistemi Hielscher omogočajo prilagajanje amplitude, geometrije sonotrode, tlaka, temperature, pretoka in zadrževalnega časa za ponovljive rezultate kavitacije.
- Za laboratorije: razvijajte in optimizirajte parametre sonikacije pri majhnih prostorninah.
- Za pilotne obrate: validirajte procese, ki temeljijo na kavitaciji, v realnih pogojih obdelave.
- Za proizvodnjo: prenesite ultrazvočno kavitacijo v večje merilo pri šaržnih, recirkulacijskih ali neprekinjenih procesih v pretočni liniji.
Sporočite nam, katero tekočino uporabljate, prostornino šarže ali pretok, viskoznost, vsebnost trdnih snovi, temperaturne omejitve in želeni rezultat procesa. Priporočili vam bomo optimalno konfiguracijo sonikatorja, sonotrode in pretočne celice za vašo uporabo kavitacije.
Sonikatorji s sondo, kot je UP400St, uporabljajo načelo delovanja akustične kavitacije.
Načelo delovanja ultrazvočne kavitacije
Pri sonikaciji tekočin z visoko intenzivnostjo zvočni valovi, ki se širijo v tekočem mediju, povzročajo izmenjujoče se cikle visokega tlaka (stiskanja) in nizkega tlaka (redčenja), katerih hitrost ponavljanja je odvisna od frekvence. Med ciklom nizkega tlaka visokointenzivni ultrazvočni valovi 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 sesedejo. Ta pojav imenujemo kavitacija. Med implozijo se lokalno dosežejo zelo visoke temperature (pribl. 5.000K) in tlaki (pribl. 2.000atm). Implozija kavitacijskega mehurčka povzroči tudi tekočinske curke s hitrostjo do 280m/s.
Akustična kavitacija (ki jo ustvarja močnostni ultrazvok) lokalno ustvarja ekstremne pogoje, tako imenovane sonomehanske in sonokemijske učinke. Zaradi teh učinkov sonikacija spodbuja kemijske reakcije, ki omogočajo večje izkoristke, večjo hitrost reakcij, nove reakcijske poti in izboljšano skupno učinkovitost.
Sonikator s sondo ali ultrazvočna kopel: katera metoda kavitacije je prava?
Sonikatorji s sondo in ultrazvočne kopeli ustvarjajo akustično kavitacijo, vendar se bistveno razlikujejo po intenzivnosti, nadzoru in zanesljivosti procesa. Medtem ko so ultrazvočne kopeli uporabne za čiščenje, sonikatorji s sondo sklapljajo ultrazvočno energijo neposredno s tekočino in ustvarjajo veliko močnejše, osredotočeno območje kavitacije. Zato so sonikatorji s sondo prednostna izbira za ponovljivo obdelavo tekočin, kot so homogenizacija, emulgiranje, ekstrakcija, razgradnja celic, dispergiranje nanodelcev in sonokemijske reakcije.
| Merila za primerjavo | Sonikator s sondo | Ultrazvočna kopel |
|---|---|---|
| Intenzivnost kavitacije | Ustvarja visokointenzivno akustično kavitacijo neposredno na konici sonotrode. | Ustvarja šibkejšo kavitacijo, porazdeljeno po prostornini kopeli. |
| Prenos energije | Prenaša ultrazvočno energijo neposredno v tekočino, suspenzijo ali goščo. | Prenaša energijo posredno skozi tekočino v kopeli in steno posode. |
| Nadzor procesa | Omogoča natančno prilagajanje amplitude, dovajane moči, pulznega načina delovanja, temperature in časa obdelave. | Omogoča omejen nadzor nad dejansko ultrazvočno energijo, ki doseže vzorec. |
| Ponovljivost | Zagotavlja ponovljive rezultate sonikacije, kadar so procesni parametri določeni in spremljani. | Rezultati se lahko razlikujejo zaradi neenakomerne porazdelitve kavitacije, položaja posode, materiala posode, ravni napolnjenosti in obremenitve kopeli. |
| Učinkovitost obdelave | Zelo učinkovit za homogenizacijo, dispergiranje, emulgiranje, ekstrakcijo, razgradnjo celic in sonokemijo. | Primerna predvsem za čiščenje. |
| Prostornina vzorca | Na voljo za majhne laboratorijske vzorce ter za pilotne in industrijske prostornine. | Običajno se uporablja za majhne posode ali več posod, nameščenih v kopeli. |
| Prenos v večje merilo | Omogoča prenos od laboratorijskih preizkusov do pilotnih preizkusov in neprekinjene industrijske obdelave v pretočni liniji. | Zanesljiv prenos v večje merilo je težaven, ker porazdelitve energije in intenzivnosti kavitacije ni mogoče enostavno prenesti. |
| Primerni mediji | Učinkovit za tekočine, emulzije, suspenzije, gošče in formulacije z visoko vsebnostjo trdnih snovi. | Najprimernejša za tekočine z nizko viskoznostjo ter preprosto čiščenje ali razplinjevanje. |
| Značilne uporabe | Dispergiranje nanodelcev, nanoemulzije, ekstrakcija, liza celic, homogenizacija, deaglomeracija, mokro mletje in sonokemijske reakcije. | Čiščenje steklovine, razplinjevanje tekočin, raztapljanje praškov in blago mešanje vzorcev. |
| Najboljša izbira za | Nadzorovano, močno in ponovljivo ultrazvočno obdelavo tekočin. | Preprosto čiščenje ali nizkointenzivno ultrazvočno obdelavo. |
Ključne uporabe sonikatorjev in akustične kavitacije
Ultrazvočne naprave s sondo, znane tudi kot ultrazvočne sonde, učinkovito ustvarjajo intenzivno akustično kavitacijo v tekočinah. Zato se pogosto uporabljajo za različne namene v različnih panogah. Med najpomembnejše uporabe akustične kavitacije, ki jo ustvarjajo ultrazvočne naprave s sondo, spadajo:
- Homogenizacija: Ultrazvočne sonde lahko ustvarjajo intenzivno kavitacijo, za katero je značilno polje vibracij in strižnih sil z visoko energijsko gostoto. Te sile zagotavljajo odlično mešanje, zmešavanje in zmanjševanje velikosti delcev. Z ultrazvočno homogenizacijo nastajajo enakomerno premešane suspenzije. Zato se sonikacija uporablja za pripravo homogenih koloidnih suspenzij z ozkimi porazdelitvenimi krivuljami.
- Dispergiranje nanodelcev: Ultrazvočne naprave se uporabljajo za dispergiranje, deaglomeracijo in mokro mletje nanodelcev. Nizkofrekvenčni ultrazvočni valovi lahko ustvarjajo močno kavitacijo, ki razbija aglomerate in zmanjšuje velikost delcev. Zlasti močan strig tekočinskih curkov pospešuje delce v tekočini, ki trčijo drug ob drugega (trki med delci), zaradi česar se delci lomijo in erodirajo. To omogoča enakomerno in stabilno porazdelitev delcev, ki preprečuje sedimentacijo. To je ključnega pomena na različnih področjih, vključno z nanotehnologijo, znanostjo o materialih in farmacijo.
- Emulgiranje in mešanje: Ultrazvočne naprave s sondo se uporabljajo za pripravo emulzij in mešanje tekočin. Ultrazvočna energija povzroča kavitacijo, nastajanje in sesedanje mikroskopskih mehurčkov, kar ustvarja močne lokalne strižne sile. Ta proces pomaga pri emulgiranju tekočin, ki se med seboj ne mešajo, pri čemer nastajajo stabilne in fino dispergirane emulzije.
- Ekstrakcija: Zaradi kavitacijskih strižnih sil so ultrazvočne naprave zelo učinkovite pri razgradnji celičnih struktur in izboljševanju prenosa snovi med trdno in tekočo fazo. Zato se ultrazvočna ekstrakcija pogosto uporablja za sproščanje znotrajceličnih snovi, kot so bioaktivne spojine, za proizvodnjo visokokakovostnih rastlinskih izvlečkov.
- Razplinjevanje in odzračevanje: Ultrazvočne naprave s sondo se uporabljajo za odstranjevanje plinskih mehurčkov ali raztopljenih plinov iz tekočin. Uporaba ultrazvočne kavitacije spodbuja združevanje plinskih mehurčkov, tako da rastejo in splavajo na površino tekočine. Zaradi ultrazvočne kavitacije je razplinjevanje hiter in učinkovit postopek. To je dragoceno v različnih panogah, na primer pri barvah, hidravličnih tekočinah ali predelavi hrane in pijač, kjer lahko prisotnost plinov negativno vpliva na kakovost in stabilnost izdelkov.
- Sonokataliza: Ultrazvočne sonde se lahko uporabljajo za sonokatalizo, proces, ki združuje akustično kavitacijo s katalizatorji za izboljšanje kemijskih reakcij. Kavitacija, ki jo ustvarjajo ultrazvočni valovi, izboljšuje prenos snovi, povečuje hitrosti reakcij in spodbuja nastajanje prostih radikalov, kar omogoča učinkovitejše in selektivnejše kemijske pretvorbe.
- Priprava vzorcev: Ultrazvočne naprave s sondo se pogosto uporabljajo v laboratorijih za pripravo vzorcev. Uporabljajo se za homogenizacijo, razdruževanje in ekstrakcijo bioloških vzorcev, kot so celice, tkiva in virusi. Ultrazvočna energija, ki jo ustvarja sonda, razgradi celične membrane, sprosti celično vsebino in olajša nadaljnjo analizo.
- Dezintegracija in razgradnja celic: Ultrazvočne naprave s sondo se uporabljajo za dezintegracijo in razgradnjo celic in tkiv za različne namene, kot so ekstrakcija znotrajceličnih komponent, mikrobna inaktivacija ali priprava vzorcev za analizo. Visokointenzivni ultrazvočni valovi in kavitacija, ki jo pri tem ustvarjajo, povzročajo mehanske obremenitve in strižne sile, zaradi katerih pride do dezintegracije celičnih struktur. V bioloških raziskavah in medicinski diagnostiki se ultrazvočne naprave s sondo uporabljajo za lizo celic, proces odpiranja celic za sproščanje njihovih znotrajceličnih komponent. Ultrazvočna energija razgradi celične stene, membrane in organele ter omogoča ekstrakcijo beljakovin, DNA, RNA in drugih celičnih sestavin.
To so nekatere ključne uporabe ultrazvočnih naprav s sondo, vendar ima tehnologija še širši nabor drugih uporab, vključno s sonokemijo, zmanjševanjem velikosti delcev (mokrim mletjem), sintezo delcev od spodaj navzgor in sonosintezo kemijskih snovi in materialov v različnih panogah, kot so farmacija, predelava hrane, biotehnologija in okoljske znanosti.
Hitro zaporedje posnetkov (od a do f), ki prikazuje sonomehansko eksfoliacijo grafitnega lističa v vodi z uporabo UP200S, ultrazvočne naprave z močjo 200W in 3-mm sonotrodo. Puščice prikazujejo mesto razcepljanja delcev, kjer kavitacijski mehurčki prodirajo v razpoko.
© Tyurnina et al. 2020
Izkoristite ultrazvočno kavitacijo!
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Videoposnetek akustične kavitacije v tekočini
Naslednji videoposnetek prikazuje akustično kavitacijo na sonotrodi cascatrode ultrazvočne naprave UIP1000hdT v steklenem stolpcu, napolnjenem z vodo. Stekleni stolpec je od spodaj osvetljen z rdečo svetlobo, da so kavitacijski mehurčki bolje vidni.
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.
Pogosta vprašanja
Kaj je ultrazvočna kavitacija?
Ultrazvočna kavitacija je nastajanje, rast in silovito sesedanje mikroskopskih mehurčkov v tekočini, izpostavljeni visokointenzivnemu ultrazvoku. Sesedanje teh mehurčkov ustvarja močan lokalni strig, tekočinske mikrocurke, udarne valove, velike tlačne gradiente in močne učinke mikromešanja.
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 ustvarjajo ultrazvočne naprave velike moči.
Kako ultrazvočna kavitacija izboljšuje obdelavo tekočin?
Ultrazvočna kavitacija izboljšuje obdelavo tekočin z ustvarjanjem intenzivnih mehanskih in kemijskih učinkov v tekočini. Mehanski učinki podpirajo mešanje, homogenizacijo, emulgiranje, deaglomeracijo delcev, mokro mletje, ekstrakcijo in razgradnjo celic. V reaktivnih sistemih lahko kavitacija spodbuja tudi sonokemijske učinke in izboljšuje prenos snovi.
Pri katerih uporabah se uporablja ultrazvočna kavitacija?
Ultrazvočna kavitacija se uporablja za homogenizacijo, dispergiranje, emulgiranje, nanoemulgiranje, ekstrakcijo, razplinjevanje, deaglomeracijo, zmanjševanje velikosti delcev, lizo celic, razgradnjo mikrobov, sonokemijo, sonokatalizo in napredne reakcije v tekoči fazi.
Zakaj so ultrazvočne naprave s sondo učinkovite pri ustvarjanju kavitacije?
Ultrazvočne naprave s sondo prenašajo ultrazvočno energijo neposredno v tekočino prek sonotrode. To neposredno sklapljanje energije ustvarja intenzivno območje kavitacije v bližini površine sonde in omogoča natančno prilagajanje pomembnih procesnih parametrov, kot so amplituda, dovajana moč, temperatura, tlak in čas obdelave.
Ali je ultrazvočna kopel primerna za močno kavitacijo?
Ultrazvočne kopeli ustvarjajo kavitacijo, vendar je energijska gostota običajno veliko nižja in manj osredotočena kot pri sonikatorju s sondo. Kopeli so uporabne za čiščenje in blago obdelavo, medtem ko so ultrazvočne naprave s sondo prednostna izbira za ponovljivo homogenizacijo, ekstrakcijo, emulgiranje, dispergiranje, razgradnjo celic in industrijsko obdelavo tekočin.
Preberite in si oglejte, kako se sonikatorji s sondo in ultrazvočne kopeli razlikujejo!
Kateri parametri vplivajo na intenzivnost ultrazvočne kavitacije?
Pomembni parametri vključujejo amplitudo, ultrazvočno moč, površino sonotrode, prostornino tekočine, viskoznost, vsebnost trdnih snovi, tlak, temperaturo, geometrijo posode, geometrijo pretočne celice, pretok in zadrževalni čas. Prilagajanje teh parametrov omogoča prilagoditev intenzivnosti kavitacije cilju procesa.
Ali je mogoče ultrazvočno kavitacijo prenesti iz laboratorija v proizvodnjo?
Da. Procese ultrazvočne kavitacije je mogoče razviti pri laboratorijskih prostorninah in prenesti v pilotno ali industrijsko merilo z nadzorovanjem amplitude, vnosa energije, geometrije sonotrode, pretoka in zadrževalnega časa. Hielscher ponuja ultrazvočne naprave in reaktorje za laboratorijske preizkuse, pilotne preizkuse 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 izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijskih do industrijskih velikosti.