Примена ултразвука велике снаге помоћу ултразвучних рогова

Ултразвучни рогови или сонде широко се користе за разноврсне примене у обради течности, укључујући хомогенизацију, дисперговање, мокро млевење, емулговање, екстракцију, дезинтеграцију, растварање и деаерацију. Сазнајте основе о ултразвучним роговима, ултразвучним сондама и њиховим применама.

Ултразвучни рог у поређењу са ултразвучном сондом

Термини ултразвучни рог и сонда често се користе као синоними и означавају ултразвучни штап који преноси ултразвучне таласе у течност. Други називи који се користе за ултразвучну сонду су акустички рог, сонотрода, акустички таласовод или ултразвучни прст. Међутим, у техничком смислу постоји разлика између ултразвучног рога и ултразвучне сонде.
И рог и сонда представљају делове такозваног ултразвучног уређаја са сондом. Ултразвучни рог је метални део ултразвучног претварача који се побуђује пиезоелектрично генерисаним вибрацијама. Ултразвучни рог вибрира на одређеној фреквенцији, нпр. 20kHz, што значи 20.000 вибрација у секунди. Титанијум је пожељан материјал за израду ултразвучних рогова због својих одличних својстава преноса звука, високе отпорности на замор и површинске тврдоће.

Ултразвучна сонда се назива и сонотрода или ултразвучни прст. То је метални штап, најчешће израђен од титанијума, који је навојним спојем причвршћен за ултразвучни рог. Ултразвучна сонда је неопходан део ултразвучног процесора који преноси ултразвучне таласе у сониковани медијум. Ултразвучне сонде / сонотроде доступне су у различитим облицима (нпр. конусне, са врхом, сужене или као Cascatrode). Иако је титанијум најчешће коришћени материјал за ултразвучне сонде, доступне су и сонотроде од нерђајућег челика, керамике, стакла и других материјала.

Пошто су ултразвучни рог и сонда током соникације стално изложени притиску или затезању, избор материјала за рог и сонду је пресудан. Висококвалитетна легура титанијума (класе 5) сматра се најпоузданијим, најтрајнијим и најефикаснијим металом за подношење напрезања, одржавање високих амплитуда током дугих временских периода и преношење акустичких и механичких својстава.

Растварање је честа примена ултразвучне обраде. Видео приказује брзо растварање кристала шећера у води помоћу уређаја Hielscher UP200St.

Ултразвучни уређаји високих перформанси углавном раде у фреквенцијском опсегу од 20–30kHz. При 20 kHz, ултразвучна сонда је обично резонантни штап дужине једнаке половини таласне дужине, који се непрестано шири и скупља 20.000 пута у секунди. Покрети ширења и скупљања преносе се као ултразвук велике снаге у процесни медијум, тј. флуид или суспензију, ради остваривања примена као што су

• ултразвучно мешање са великим смицањем
• ултразвучно мокро млевење
• ултразвучно дисперговање наночестица
• ултразвучно наноемулговање
• ултразвучна екстракција
• ултразвучна дезинтеграција
• ултразвучно разарање и лиза ћелија
• ултразвучно отплињавање и деаерација
• сонохемија (соносинтеза, сонокатализа)

Како делује ултразвук велике снаге? – Принцип рада акустичке кавитације

За ултразвучне примене високих перформанси, као што су хомогенизација, смањење величине честица, дезинтеграција или нанодисперзије, ултразвучни претварач генерише ултразвук високог интензитета и ниске фреквенције, који се преко ултразвучног рога и сонде (сонотроде) преноси у течност. Ултразвуком велике снаге сматра се ултразвук у опсегу од 16–30kHz. Ултразвучна сонда се шири и скупља, нпр. при 20kHz, чиме у медијум преноси 20.000 вибрација у секунди. Када ултразвучни таласи путују кроз течност, наизменични циклуси високог притиска (компресије) / ниског притиска (разређивања / ширења) стварају сићушне шупљине (вакуумске мехуриће), које расту током више циклуса притиска. Током фазе компресије течности и мехурића, притисак је позитиван, док фаза разређивања ствара вакуум (негативан притисак). Током циклуса компресије и ширења, шупљине у течности расту док не достигну величину при којој више не могу да апсорбују енергију. У том тренутку оне силовито имплодирају. Имплозија тих шупљина доводи до различитих високоенергетских ефеката, познатих као појава акустичке / ултразвучне кавитације. Акустичку кавитацију одликују разноврсни високоенергетски ефекти који утичу на течности, системе чврсто/течно, као и системе гас/течно. Зона високе густине енергије или кавитациона зона позната је као такозвана зона врућих тачака, у којој је густина енергије највећа у непосредној близини ултразвучне сонде и опада са повећањем удаљености од сонотроде. Главне карактеристике ултразвучне кавитације обухватају локалну појаву веома високих температура и притисака и њихових одговарајућих разлика, турбуленције и струјање течности. Током имплозије ултразвучних шупљина у ултразвучним врућим тачкама могу се измерити температуре до 5000 келвина, притисци до 200 атмосфера и млазеви течности брзине до 1000km/h. Ови изузетни услови високог енергетског интензитета доприносе сономеханичким и сонохемијским ефектима који на различите начине интензивирају процесе и хемијске реакције.
Главни ефекти ултразвучне обраде на течности и суспензије су следећи:

• Велико смицање: Велике ултразвучне смицајне силе разарају структуру течности и система течно–чврсто, изазивајући интензивно мешање, хомогенизацију и пренос масе.
• Удар: Млазеви и струјање течности које ствара ултразвучна кавитација убрзавају чврсте честице у течностима, што затим доводи до судара међу честицама. Када се честице сударају веома великим брзинама, оне еродирају, разбијају се, уситњавају и фино диспергују, често до нановеличине. Код биолошке материје, као што су биљни материјали, млазеви течности велике брзине и наизменични циклуси притиска разарају ћелијске зидове и ослобађају унутарћелијски материјал. То доводи до веома ефикасне екстракције биоактивних једињења и хомогеног мешања биолошке материје.
• Мешање: Ултразвучна обрада изазива интензивне турбуленције, смицајне силе и микрокретање у течности или суспензији. Тиме соникација увек интензивира пренос масе и тако убрзава реакције и процесе.

Ултразвучни хомогенизатори и мешалице са великим смицањем користе се у готово свакој прерађивачкој индустрији која ради са течностима или суспензијама. Интензивне ултразвучне кавитационе силе стварају интензивно мешање, смицање, ломљење честица и пренос масе. Тиме се течности хомогенизују, диспергују, емулгују, екстрахују, растварају и/или се покрећу хемијске реакције. У целини, ултразвучна обрада је метода интензивирања процеса која повећава принос, побољшава степен конверзије и чини процесе ефикаснијим.
Уобичајене индустријске примене ултразвука распрострањене су у многим гранама прехрамбене и фармацеутске индустрије, фине хемије, енергетике и петрохемије, рециклаже, биорафинерија итд. и обухватају следеће:

• ултразвучна синтеза биодизела
• ултразвучна хомогенизација воћних сокова
• ултразвучна производња вакцина
• ултразвучна рециклажа Li-ion батерија
• ултразвучна синтеза наноматеријала
• ултразвучно формулисање фармацеутских препарата
• ултразвучно наноемулговање CBD-а
• ултразвучна екстракција биљних сировина
• ултразвучна припрема узорака у лабораторијама
• ултразвучно отплињавање течности
• ултразвучна десулфуризација сирове нафте
• и многе друге …

Ултразвучни рогови и сонде за примене високих перформанси

Hielscher Ultrasonics је произвођач и дистрибутер ултразвучних уређаја велике снаге са дугогодишњим искуством, који се широм света користе за захтевне примене у многим индустријама.
Са ултразвучним процесорима свих величина, од 50 вати до 16kW по уређају, сондама различитих величина и облика и ултразвучним реакторима различитих запремина и геометрија, Hielscher Ultrasonics има одговарајућу опрему за конфигурисање идеалне ултразвучне поставке за вашу примену.
Табела у наставку даје вам увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја: