Kavitacion tejzanor në lëngje

Valët tejzanor të ultrazërit me intensitet të lartë gjenerojnë kavitacion akustik në lëngje. Kavitacioni shkakton efekte ekstreme në nivel lokal, si avionë të lëngshëm deri në 1000 km/orë, presione deri në 2000 atm dhe temperatura deri në 5000 Kelvin. Këto forca të krijuara me ultratinguj përdoren për aplikime të shumta të përpunimit të lëngjeve si homogjenizimi, shpërndarja, emulsifikimi, nxjerrja, prishja e qelizave, si dhe intensifikimi i reaksioneve kimike.

Parimi i punës i kavitacionit tejzanor

Gjatë sonikimit të lëngjeve me intensitet të lartë, valët e zërit që përhapen në median e lëngshme rezultojnë në cikle alternative të presionit të lartë (ngjeshje) dhe presionit të ulët (rrallimi), me shpejtësi në varësi të frekuencës. Gjatë ciklit të presionit të ulët, valët ultrasonike me intensitet të lartë krijojnë flluska të vogla vakumi ose zbrazëti në lëng. Kur flluskat arrijnë një vëllim në të cilin nuk mund të thithin më energji, ato shemben me dhunë gjatë një cikli me presion të lartë. Ky fenomen quhet kavitacion. Gjatë shpërthimit arrihen temperatura shumë të larta (rreth 5,000 K) dhe presione (rreth 2,000 atm). Shpërthimi i flluskës së kavitacionit rezulton gjithashtu në avionë të lëngshëm me shpejtësi deri në 280 m/s.

Kavitacioni akustik (i krijuar nga ultratingulli i fuqisë) krijon kushte ekstreme në nivel lokal, të ashtuquajturat efekte sonomekanike dhe sonokimike. Për shkak të këtyre efekteve, sonikimi nxit reaksionet kimike që çojnë në rendimente më të larta, shpejtësi më të shpejtë të reagimit, rrugë të reja dhe përmirësim të efikasitetit të përgjithshëm.

Aplikimet kryesore të ultrazërit që përdorin kavitacionin akustik

Ultrasonikët e tipit sondë, të njohur gjithashtu si sonda tejzanor, gjenerojnë në mënyrë efikase kavitacion akustik intensiv në lëngje. Prandaj, ato përdoren gjerësisht në aplikime të ndryshme në industri të ndryshme. Disa nga aplikimet më të rëndësishme të kavitacionit akustik të krijuar nga ultrasonikët e tipit sonda përfshijnë:
 

1. Homogjenizimi: Sondat tejzanor mund të gjenerojnë kavitacion intensiv, i cili karakterizohet si një fushë e dendur energjie e forcave të dridhjeve dhe prerjes. Këto forca sigurojnë përzierjen, përzierjen dhe zvogëlimin e madhësisë së grimcave të shkëlqyera. Homogjenizimi tejzanor prodhon pezullime të përziera në mënyrë uniforme. Prandaj, sonikimi përdoret për të prodhuar suspension koloidal homogjen me kthesa të ngushta të shpërndarjes.
2. Shpërndarja e nanogrimcave: Ultrasonikët përdoren për shpërndarjen, deagglomerimin dhe bluarjen e lagësht të nanogrimcave. Valët ultratinguj me frekuencë të ulët mund të gjenerojnë kavitacion me ndikim, i cili zbërthen aglomeratet dhe zvogëlon madhësinë e grimcave. Në veçanti, prerja e lartë e avionëve të lëngshëm përshpejton grimcat në lëng, të cilat përplasen me njëra-tjetrën (përplasja ndërpartikulare) në mënyrë që grimcat si pasojë të thyhen dhe gërryen. Kjo rezulton në shpërndarje uniforme dhe të qëndrueshme të grimcave duke parandaluar sedimentimin. Kjo është thelbësore në fusha të ndryshme, duke përfshirë nanoteknologjinë, shkencën e materialeve dhe farmaceutikën.
3. Emulsifikimi dhe përzierja: Ultrasonikët e tipit sonda përdoren për të krijuar emulsione dhe përzierje të lëngjeve. Energjia tejzanor shkakton kavitacion, formimin dhe kolapsin e flluskave mikroskopike, të cilat gjenerojnë forca lokale prerëse intensive. Ky proces ndihmon në emulsifikimin e lëngjeve të papërziershme, duke prodhuar emulsione të qëndrueshme dhe të shpërndara imët.
4. Nxjerrja: Për shkak të forcave të prerjes kavitacionale, ultrasonikët janë shumë efikas në prishjen e strukturave qelizore dhe për të përmirësuar transferimin e masës midis të ngurtë dhe të lëngshëm. Prandaj, nxjerrja me ultratinguj përdoret gjerësisht për lirimin e materialit ndërqelizor, siç janë komponimet bioaktive për prodhimin e ekstrakteve botanike me cilësi të lartë.
5. Degazimi dhe deaerimi: Ultrasonikët e tipit sondë përdoren për të hequr flluskat e gazit ose gazrat e tretur nga lëngjet. Aplikimi i kavitacionit tejzanor promovon bashkimin e flluskave të gazit në mënyrë që ato të rriten dhe të notojnë në majë të lëngut. Kavitacioni tejzanor e bën degazifikimin një procedurë të shpejtë dhe efikase. Kjo është e vlefshme në industri të ndryshme, si në bojëra, lëngje hidraulike ose në përpunimin e ushqimit dhe pijeve, ku prania e gazrave mund të ndikojë negativisht në cilësinë dhe stabilitetin e produktit.
6. Sonokataliza: Sondat tejzanor mund të përdoren për sonokatalizën, një proces që kombinon kavitacionin akustik me katalizatorët për të përmirësuar reaksionet kimike. Kavitacioni i krijuar nga valët ultrasonike përmirëson transferimin e masës, rrit shkallët e reagimit dhe nxit prodhimin e radikaleve të lira, duke çuar në transformime kimike më efikase dhe selektive.
7. Përgatitja e mostrës: Ultrasonikët e tipit sondë përdoren zakonisht në laboratorë për përgatitjen e mostrës. Ato përdoren për të homogjenizuar, zbërthyer dhe nxjerrë mostra biologjike, të tilla si qelizat, indet dhe viruset. Energjia tejzanor e gjeneruar nga sonda prish membranat qelizore, duke çliruar përmbajtjen qelizore dhe duke lehtësuar analizën e mëtejshme.
8. Shpërbërja dhe prishja e qelizave: Ultrasonikët e tipit sondë përdoren për të shpërbërë dhe prishur qelizat dhe indet për qëllime të ndryshme, të tilla si nxjerrja e komponentëve ndërqelizorë, inaktivizimi mikrobial ose përgatitja e mostrës për analizë. Valët ultrasonike me intensitet të lartë dhe kavitacioni i krijuar në këtë mënyrë shkaktojnë stres mekanik dhe forca prerëse, duke rezultuar në shpërbërjen e strukturave qelizore. Në kërkimin biologjik dhe diagnostikimin mjekësor, ultrasonikët e tipit sondë përdoren për lizën e qelizave, procesi i thyerjes së qelizave të hapura për të lëshuar përbërësit e tyre ndërqelizor. Energjia tejzanor prish muret qelizore, membranat dhe organelet, duke mundësuar nxjerrjen e proteinave, ADN-së, ARN-së dhe përbërësve të tjerë qelizor.

 
Këto janë disa nga aplikimet kryesore të ultrasonikëve të tipit sondë, por teknologjia ka një gamë edhe më të gjerë përdorimesh të tjera, duke përfshirë sonokiminë, reduktimin e madhësisë së grimcave (frezimi i lagësht), sinteza e grimcave nga poshtë-lart dhe sono-sinteza e substancave kimike dhe materiale në industri të ndryshme si farmaceutike, përpunimi i ushqimit, bioteknologjia dhe shkencat mjedisore.

Një sekuencë me shpejtësi të lartë (nga a në f) kornizash që ilustron shtresimin sono-mekanik të një flake grafiti në ujë duke përdorur UP200S, një ultrasonikator 200 W me sonotrode 3 mm. Shigjetat tregojnë vendin e ndarjes së grimcave me flluska të kavitacionit që depërtojnë në ndarje.
© Tyurnina et al. 2020

Video e kavitacionit akustik në lëng

Videoja e mëposhtme demonstron kavitacionin akustik në kaskatrodën e ultrazërit UIP1000hdT në një kolonë qelqi të mbushur me ujë. Kolona e xhamit ndriçohet nga fundi me dritë të kuqe në mënyrë që të përmirësohet vizualizimi i flluskave të kavitacionit.

Tabela e mëposhtme ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonikëve tanë: