Ултразвучна кавитација у течностима
Ултразвучна кавитација је покретачка сила ултразвучне обраде течности високог интензитета. Када се ултразвук велике снаге уведе у течност, настају микроскопски мехурићи паре, расту и нагло колабирају. Ова акустична кавитација ствара интензивне локалне смицајне силе, микромлазеве, ударне таласе, промене притиска и ефекте микромешања који могу убрзати хомогенизацију, дисперговање, емулговање, екстракцију, дегазацију, разарање ћелија и сонохемијске реакције.
Hielscher соникатори са сондом користе контролисану акустичну кавитацију за пренос ултразвучне енергије директно у течности, суспензије и пулпе. Од малих лабораторијских узорака до континуалне индустријске производње у проточном режиму, Hielscher системи омогућавају вам да подесите амплитуду, геометрију сонотроде, притисак, температуру, проток и време задржавања ради постизања поновљивих резултата кавитације.
- За лабораторије: развијајте и оптимизујте параметре соникације у малим запреминама.
- За пилот-постројења: валидирајте процесе засноване на кавитацији у реалним условима обраде.
- За производњу: повећајте размеру примене ултразвучне кавитације у шаржним, рециркулационим или континуалним процесима у производној линији.
Наведите коју течност обрађујете, запремину шарже или проток, вискозност, садржај чврсте материје, температурна ограничења и циљни резултат процеса. Препоручићемо оптималну конфигурацију соникатора, сонотроде и проточне ћелије за вашу примену кавитације.
Соникатори са сондом, као што је UP400St, користе принцип рада заснован на акустичној кавитацији.
Принцип рада ултразвучне кавитације
При соникацији течности високим интензитетом, звучни таласи који се простиру кроз течну средину доводе до наизменичних циклуса високог притиска (компресије) и ниског притиска (разређења), чија брзина смењивања зависи од фреквенције. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће или шупљине у течности. Када мехурићи достигну запремину при којој више не могу да апсорбују енергију, нагло колабирају током циклуса високог притиска. Ова појава се назива кавитација. Током имплозије локално се достижу веома високе температуре (прибл. 5.000K) и притисци (прибл. 2.000atm). Имплозија кавитационог мехурића такође доводи до стварања млазева течности брзине до 280m/s.
Акустична кавитација (настала дејством ултразвука велике снаге) ствара локално екстремне услове, такозване сономеханичке и сонохемијске ефекте. Захваљујући овим ефектима, соникација подстиче хемијске реакције, што доводи до већих приноса, веће брзине реакције, нових реакционих путева и побољшане укупне ефикасности.
Соникатор са сондом или ултразвучно купатило: који метод кавитације је одговарајући?
И соникатори са сондом и ултразвучна купатила стварају акустичну кавитацију, али се знатно разликују по интензитету, могућностима контроле и поузданости процеса. Док су ултразвучна купатила корисна за чишћење, соникатори са сондом уводе ултразвучну енергију директно у течност и стварају много снажнију, фокусирану зону кавитације. Због тога су соникатори са сондом пожељан избор за примене у обради течности које захтевају поновљиве резултате, као што су хомогенизација, емулговање, екстракција, разарање ћелија, дисперговање наночестица и сонохемијске реакције.
| Критеријуми поређења | Соникатор са сондом | Ултразвучно купатило |
|---|---|---|
| Интензитет кавитације | Ствара акустичну кавитацију високог интензитета директно на врху сонотроде. | Ствара слабију кавитацију распоређену по запремини купатила. |
| Пренос енергије | Преноси ултразвучну енергију директно у течност, суспензију или пулпу. | Преноси енергију посредно кроз течност у купатилу и зид посуде. |
| Контрола процеса | Омогућава прецизно подешавање амплитуде, улазне снаге, импулсног режима, температуре и времена обраде. | Нуди ограничену контролу над стварном ултразвучном енергијом која доспева до узорка. |
| Поновљивост | Обезбеђује поновљиве резултате соникације када су параметри процеса дефинисани и праћени. | Резултати могу варирати услед неравномерне расподеле кавитације, положаја посуде, материјала посуде, нивоа напуњености и оптерећења купатила. |
| Ефикасност обраде | Веома ефикасан за хомогенизацију, дисперговање, емулговање, екстракцију, разарање ћелија и сонохемију. | Погодна углавном за чишћење. |
| Запремина узорка | Доступан за мале лабораторијске узорке, као и за запремине у пилот-постројењима и индустрији. | Обично се користи за мале посуде или више посуда постављених унутар купке. |
| Повећање размера процеса | Може се повећати размера од лабораторијских испитивања до пилот-проба и континуиране индустријске обраде у проточној линији. | Тешко је поуздано повећати размеру јер се расподела енергије и интензитет кавитације не могу лако пренети на веће размере. |
| Погодни медијуми | Ефикасан за течности, емулзије, суспензије, густе суспензије и формулације са високим садржајем чврсте материје. | Најпогоднија за течности ниске вискозности и једноставне поступке чишћења или дегазације. |
| Типичне примене | Дисперговање наночестица, наноемулзије, екстракција, лиза ћелија, хомогенизација, деагломерација, мокро млевење и сонохемијске реакције. | Чишћење стакленог посуђа, дегазација течности, растварање прахова и благо мешање узорака. |
| Најбољи избор за | Контролисану, снажну и поновљиву ултразвучну обраду течности. | Једноставно чишћење или ултразвучни третман ниског интензитета. |
Кључне примене соникатора и акустичне кавитације
Ултразвучни уређаји са сондом, познати и као ултразвучне сонде, ефикасно стварају интензивну акустичну кавитацију у течностима. Због тога се широко користе за различите примене у разним индустријама. Неке од најважнијих примена акустичне кавитације коју стварају ултразвучни уређаји са сондом обухватају:
- Хомогенизација: Ултразвучне сонде могу да стварају интензивну кавитацију, коју карактерише поље вибрација и сила смицања високе густине енергије. Ове силе омогућавају одлично мешање, умешавање и смањење величине честица. Ултразвучном хомогенизацијом добијају се равномерно измешане суспензије. Због тога се соникација користи за производњу хомогене колоидне суспензије са уским кривама расподеле.
- Дисперговање наночестица: Ултразвучни уређаји користе се за дисперговање, деагломерацију и мокро млевење наночестица. Ултразвучни таласи ниске фреквенције могу да стварају кавитацију снажног дејства, која разбија агломерате и смањује величину честица. Нарочито снажно смицање у млазевима течности убрзава честице у течности, које се међусобно сударају (међучестични судари), па се услед тога ломе и еродирају. Тако се постиже равномерна и стабилна расподела честица, чиме се спречава таложење. То је од пресудног значаја у различитим областима, укључујући нанотехнологију, науку о материјалима и фармацију.
- Емулговање и мешање: Ултразвучни уређаји са сондом користе се за стварање емулзија и мешање течности. Ултразвучна енергија изазива кавитацију, односно настанак и колапс микроскопских мехурића, чиме се стварају интензивне локалне силе смицања. Овај процес помаже емулговању течности које се међусобно не мешају, при чему се добијају стабилне и фино дисперговане емулзије.
- Екстракција: Захваљујући кавитационим силама смицања, ултразвучни уређаји веома су ефикасни у разарању ћелијских структура и побољшању преноса масе између чврсте и течне фазе. Због тога се ултразвучна екстракција широко користи за ослобађање унутарћелијског материјала, као што су биоактивна једињења, ради производње висококвалитетних биљних екстраката.
- Дегазација и деаерација: Ултразвучни уређаји са сондом користе се за уклањање мехурића гаса или растворених гасова из течности. Примена ултразвучне кавитације подстиче спајање мехурића гаса, тако да они расту и испливавају на површину течности. Ултразвучна кавитација чини дегазацију брзим и ефикасним поступком. То је корисно у различитим индустријама, на пример у производњи боја, хидрауличних течности или преради хране и пића, где присуство гасова може негативно да утиче на квалитет и стабилност производа.
- Сонокатализа: Ултразвучне сонде могу се користити за сонокатализу, процес који комбинује акустичну кавитацију са катализаторима ради унапређења хемијских реакција. Кавитација коју стварају ултразвучни таласи побољшава пренос масе, повећава брзине реакција и подстиче стварање слободних радикала, што доводи до ефикаснијих и селективнијих хемијских трансформација.
- Припрема узорака: Ултразвучни уређаји са сондом често се користе у лабораторијама за припрему узорака. Користе се за хомогенизацију, дезагрегацију и екстракцију биолошких узорака, као што су ћелије, ткива и вируси. Ултразвучна енергија коју ствара сонда разара ћелијске мембране, ослобађајући ћелијски садржај и олакшавајући даљу анализу.
- Дезинтеграција и разарање ћелија: Ултразвучни уређаји са сондом користе се за дезинтеграцију и разарање ћелија и ткива у различите сврхе, као што су екстракција унутарћелијских компоненти, инактивација микроорганизама или припрема узорака за анализу. Ултразвучни таласи високог интензитета и кавитација коју они стварају изазивају механичко напрезање и силе смицања, што доводи до дезинтеграције ћелијских структура. У биолошким истраживањима и медицинској дијагностици, ултразвучни уређаји са сондом користе се за лизу ћелија, процес разарања ћелија ради ослобађања њихових унутарћелијских компоненти. Ултразвучна енергија разара ћелијске зидове, мембране и органеле, омогућавајући екстракцију протеина, ДНК, РНК и других ћелијских састојака.
Ово су неке од кључних примена ултразвучних уређаја са сондом, али ова технологија има још шири спектар других примена, укључујући сонохемију, смањење величине честица (мокро млевење), синтезу честица приступом „одоздо нагоре“ и соносинтезу хемијских супстанци и материјала у различитим областима, као што су фармацеутска индустрија, прерада хране, биотехнологија и науке о животној средини.
Низ снимака начињених великом брзином (од a до f) који приказују сономеханичку ексфолијацију графитне љуспице у води помоћу UP200S, ултразвучног уређаја снаге 200W са сонотродом од 3 mm. Стрелице показују место раздвајања честица, при чему кавитациони мехурићи продиру у пукотину.
© Tyurnina et al. 2020
Искористите предности ултразвучне кавитације!
Табела у наставку даје оквирни приказ приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:
| Запремина шарже | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | већи | група уређаја UIP16000 |
Видео-снимак акустичне кавитације у течности
Следећи видео-снимак приказује акустичну кавитацију на каскатроди ултразвучног уређаја UIP1000hdT у стакленој колони испуњеној водом. Стаклена колона је одоздо осветљена црвеном светлошћу ради боље визуелизације кавитационих мехурића.
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за мешање, дисперговање, емулговање и екстракцију у лабораторијским, пилотским и индустријским размерама.
Често постављана питања
Шта је ултразвучна кавитација?
Ултразвучна кавитација је настанак, раст и силовит колапс микроскопских мехурића у течности изложеној ултразвуку високог интензитета. Колапс ових мехурића ствара интензивно локално смицање, микромлазеве течности, ударне таласе, велике градијенте притиска и снажне ефекте микромешања.
Која је разлика између ултразвучне кавитације и акустичне кавитације?
Акустична кавитација је општи назив за кавитацију изазвану звучним таласима. Ултразвучна кавитација је акустична кавитација настала деловањем ултразвучних фреквенција, обично изнад чујног опсега. У индустријској обради течности, оба термина се често користе за кавитацију коју стварају ултразвучни уређаји велике снаге.
Како ултразвучна кавитација побољшава обраду течности?
Ултразвучна кавитација побољшава обраду течности стварањем интензивних механичких и хемијских ефеката унутар течности. Механички ефекти поспешују мешање, хомогенизацију, емулговање, деагломерацију честица, мокро млевење, екстракцију и разарање ћелија. У реактивним системима кавитација такође може да поспеши сонохемијске ефекте и побољша пренос масе.
У којим применама се користи ултразвучна кавитација?
Ултразвучна кавитација се користи за хомогенизацију, дисперговање, емулговање, наноемулговање, екстракцију, дегазацију, деагломерацију, смањење величине честица, лизу ћелија, разарање микроорганизама, сонохемију, сонокатализу и напредне реакције у течној фази.
Зашто су ултразвучни уређаји са сондом ефикасни за кавитацију?
Ултразвучни уређаји са сондом преносе ултразвучну енергију директно у течност преко сонотроде. Ово директно спрезање енергије ствара зону интензивне кавитације у близини површине сонде и омогућава прецизно подешавање важних процесних параметара као што су амплитуда, улазна снага, температура, притисак и време обраде.
Да ли је ултразвучно купатило погодно за снажну кавитацију?
Ултразвучна купатила стварају кавитацију, али је густина енергије обично много мања, а енергија мање усмерена него код соникатора са сондом. Купатила су корисна за чишћење и благу обраду, док се ултразвучни уређаји са сондом првенствено бирају за поновљиву хомогенизацију, екстракцију, емулговање, дисперговање, разарање ћелија и индустријску обраду течности.
Прочитајте и погледајте како се соникатори са сондом и ултразвучна купатила разликују!
Који параметри утичу на интензитет ултразвучне кавитације?
Важни параметри обухватају амплитуду, ултразвучну снагу, површину сонотроде, запремину течности, вискозност, садржај чврсте материје, притисак, температуру, геометрију посуде, геометрију проточне ћелије, проток и време задржавања. Подешавање ових параметара омогућава прилагођавање интензитета кавитације циљу процеса.
Може ли се ултразвучна кавитација пренети са лабораторијских на производне размере?
Да. Процеси ултразвучне кавитације могу се развијати у лабораторијским запреминама и пренети на пилотске или индустријске размере контролисањем амплитуде, уноса енергије, геометрије сонотроде, протока и времена задржавања. Hielscher нуди ултразвучне уређаје и реакторе за лабораторијска испитивања, пилотске пробе и континуирану индустријску производњу.
Литература / Референце
- 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 производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси у распону од лабораторијских до индустријских размера.