Ултразвучна кавитација у течностима
Ултразвучна кавітација је покретачка снага високоинтензивне ултразвучне обраде течности. Када се снажан ултразвук пренесе у течност, формирају се микроскопске парне пљуске, које расту и насилно се урушавају. Ова акустична кавітација ствара интензивне локалне сечне силе, микротокове, ударне таласе, промене притиска и ефекте микро-помешања који могу убрзати хомогенизацију, дисперзију, емулгирање, екстракцију, дегасацију, разарање ћелија и сонохемијске реакције.
Хилшер Сонікатори типа сонде користе контролисану акустичну кавитацију за директан пренос ултразвучне енергије у течности, суспензије и суспензоване мешавине. Од малих лабораторијских узорака до континуиране индустријске производње проласком, Хилшер системи вам омогућавају подешавање амплитуде, геометрије сонотрода, притиска, температуре, протока и времена задржавања за понављиве резултате кавитације.
- За лабораторије: развијајте и оптимизујте параметре соникације у малим запреминама.
- За пилот постројења: валидирајте процесе покренуте кавитацијом под реалним условима обраде.
- За производњу: проширујте ултразвучну кавитацију у серијске, рециркулационе или континуиране инлајн процесе.
Реците нам ваш течни медиј, обим серије или проток, вискозност, садржај чврстих материја, температурна ограничења и жељени резултат процеса. Ми ћемо препоручити оптимални соникатор, сонотрод и конфигурацију флов-ћелије за вашу примену кавитације.
Соникатори типа сондe као што је UP400St користите принцип рада акустичне кавитације.
Принцип рада ултразвучне кавитације
Када ултразвучно обрађујете течности високог интензитета, звучни таласи који се шире у течне медије резултирају наизменичним циклусима високог притиска (компресија) и ниског притиска (разређивање), са брзинама које зависе од фреквенције. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће или празнине у течности. Када мехурићи достигну запремину при којој више не могу да апсорбују енергију, они се насилно срушавају током циклуса високог притиска. Овај феномен се назива кавитација. Током имплозије, локално се постижу веома високе температуре (око 5.000 К) и притисци (приближно 2.000 атм). Имплозија кавитационог мехурића такође резултира млазовима течности брзине до 280 м/с.
Акустична кавитација (генерисана ултразвуком снаге) ствара локално екстремне услове, такозване сономеханичке и сонохемијске ефекте. Због ових ефеката, соникација промовише хемијске реакције које доводе до већих приноса, брже реакције, нових путева и побољшане укупне ефикасности.
Соникатор са сондом или ултразвучна купка: Која метода кавитације је права?
Соницатори сонде и ултразвучне купке генеришу акустичну кавитацију, али се значајно разликују по интензитету, контроли и поузданости процеса. Док су ултразвучне купке корисне за чишћење, соникатори типа сонде спајају ултразвучну енергију директно у течност и стварају много јачу, фокусирану зону кавитације. То чини сонде соницаторс пожељан избор за поновљиве течности прераде апликације као што су хомогенизација, емулгирање, екстракција, поремећај ћелија, наночестица дисперзија и сонохемијске реакције.
| Критеријуми за поређење | соницатор сонде | ултразвучна купка |
|---|---|---|
| intenzitet kavitacije | Производи високог интензитета акустичне кавитације директно на сонотроде врху. | Производи слабију кавитацију распоређена преко запремине купатила. |
| Трансфер енергије | Преноси ултразвучну енергију директно у течност, суспензију или суспензију. | Преноси енергију индиректно кроз течност за купање и зид посуде. |
| контрола процеса | Омогућава прецизно подешавање амплитуде, улазне снаге, пулсног режима, температуре и времена обраде. | Нуди ограничену контролу над стварном ултразвучном енергијом која достиже узорак. |
| репродуктивност | Обезбеђује поновљиве резултате ултразвука када су дефинисани и праћени параметри процеса. | Резултати могу варирати због неуједначене расподеле кавитације, положаја посуде, материјала посуде, ниво пуњења, и купатило оптерећења. |
| Ефикасност обраде | Високо ефикасан за хомогенизацију, дисперзију, емулгирање, екстракцију, поремећај ћелија и сонохемију. | Погодан углавном за чишћење. |
| Сампле Волуме | Доступно за мале лабораторијске узорке, као и пилот и индустријских запремина. | Обично се користи за мале посуде или више контејнера смештених у купатилу. |
| појачају | Može se skalirati od laboratorijskih testova do pilot studija i kontinuirane industrijske inline obrade. | Teško je pouzdano skalirati jer raspodela energije i intenzitet kavitacije nisu lako prenosivi. |
| Pogodna sredstva | Efikasno za tečnosti, emulzije, suspenzije, kašaste smese i formulacije sa visokim sadržajem čvrstih materija. | Najpogodnije za tečnosti niske viskoznosti i jednostavne zadatke čišćenja ili degaziranja. |
| Tipične aplikacije | Disperzija nanodelaca, nanoemulzije, ekstrakcija, liza ćelija, homogenizacija, dezaglomeracija, mokro mlevenje i sonokemijske reakcije. | Čišćenje staklene opreme, degaziranje tečnosti, rastvaranje prahova i blago mućkanje uzoraka. |
| Najbolji izbor za | Kontrolisanu, snažnu i ponovljivu ultrazvučnu obradu tečnosti. | Jednostavno čišćenje ili ultrazvučna obrada niskog intenziteta. |
Ključne primene sonikatora i akustične kavitacije
Ултрасоникатори типа сонде, такође познати као ултразвучне сонде, ефикасно стварају интензивну акустичну кавитацију у течностима. Због тога се широко користе у различитим апликацијама у различитим индустријама. Неке од најважнијих примена акустичне кавитације коју генеришу ултрасоникатори типа сонде укључују:
- Хомогенизација: Ултразвучне сонде могу да генеришу интензивну кавитацију, која се карактерише као енергетски густо поље вибрација и сила смицања. Ове силе обезбеђују одлично мешање, мешање и смањење величине честица. Ултразвучна хомогенизација производи униформно мешане суспензије. Због тога се соникација користи за производњу хомогене колоидне суспензије са уским кривуљама расподеле.
- Дисперзија наночестица: Ултрасоникатори се користе за дисперзију, деагломерацију и мокро млевење наночестица. Ултразвучни таласи ниске фреквенције могу да генеришу ударну кавитацију, која разграђује агломерате и смањује величину честица. Посебно велико смицање млаза течности убрзава честице у течности, које се сударају једна са другом (међупартикуларни судар) тако да се честице ломе и еродирају. Ово резултира уједначеном и стабилном расподелом честица спречавајући таложење. Ово је кључно у различитим областима, укључујући нанотехнологију, науку о материјалима и фармацеутске производе.
- Емулзификација и мешање: Ултрасоникатори типа сонде се користе за стварање емулзија и мешање течности. Ултразвучна енергија изазива кавитацију, формирање и колапс микроскопских мехурића, што ствара интензивне локалне силе смицања. Овај процес помаже у емулговању течности које се не мешају, стварајући стабилне и фино дисперговане емулзије.
- Екстракција: Због кавитационих смичућих сила, ултразвучни апарати су веома ефикасни у ометању ћелијских структура и побољшању преноса масе између чврсте материје и течности. Због тога се ултразвучна екстракција широко користи за ослобађање интрацелуларног материјала као што су биоактивна једињења за производњу висококвалитетних ботаничких екстраката.
- Дегазација и одзрачивање: Ултрасоникатори типа сонде се користе за уклањање мехурића гаса или растворених гасова из течности. Примена ултразвучне кавитације промовише спајање мехурића гаса тако да они расту и лебде до врха течности. Ултразвучна кавитација чини дегазификацију брзом и ефикасном процедуром. Ово је драгоцено у различитим индустријама, као што су боје, хидрауличне течности или прерада хране и пића, где присуство гасова може негативно утицати на квалитет и стабилност производа.
- сонокатализа: Ултразвучне сонде се могу користити за сонокатализу, процес који комбинује акустичну кавитацију са катализаторима да би се побољшале хемијске реакције. Кавитација коју стварају ултразвучни таласи побољшава пренос масе, повећава брзину реакције и промовише производњу слободних радикала, што доводи до ефикаснијих и селективнијих хемијских трансформација.
- Припрема узорка: Ултрасоникатори типа сонде се обично 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 генерише сонда омета ћелијске мембране, ослобађајући ћелијски садржај и олакшавајући даљу анализу.
- Дезинтеграција и поремећај ћелија: Ултрасоникатори типа сонде се користе за дезинтеграцију и ометање ћелија и ткива у различите сврхе, као што је екстракција интрацелуларних компоненти, микробна инактивација или припрема узорка за анализу. Ултразвучни таласи високог интензитета и тиме настала кавитација изазивају механички стрес и силе смицања, што доводи до распадања ћелијских структура. У биолошким истраживањима и медицинској дијагностици, ултрасоникатори типа сонде се користе за лизу ћелија, процес разбијања отворених ћелија да би се ослободиле њихове интрацелуларне компоненте. Ултразвучна енергија ремети ћелијске зидове, мембране и органеле, омогућавајући екстракцију протеина, ДНК, РНК и других ћелијских састојака.
Ово су неке од кључних примена ултразвучних апарата типа сонде, али технологија има још шири спектар других употреба, укључујући сонохемију, смањење величине честица (мокро млевење), синтезу честица одоздо према горе и соно-синтезу хемијских супстанци и материјали у разним индустријама као што су фармација, прерада хране, биотехнологија и науке о животној средини.
Брза секвенца (од а до ф) рамова која илуструје сономеханичко пилинг графитне пахуљице у води користећи УП200С, ултрасоникатор од 200 В са сонотродом од 3 мм. Стрелице показују место цепања честица са кавитационим мехурићима који продиру у расцеп.
© Тиурнина ет ал. 2020
Iskoristite ultrazvučnu kavitaciju!
Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата:
| Батцх Волуме | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | УП100Х |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20Л | 0.2 до 4Л/мин | УИП2000хдТ |
| 10 до 100 л | 2 до 10 л/мин | УИП4000хдТ |
| на | 10 до 100 л/мин | УИП16000 |
| на | већи | кластер оф УИП16000 |
Видео акустичне кавитације у течности
Следећи видео приказује акустичну кавитацију на каскатроди ултрасоникатора УИП1000хдТ у стакленој колони испуњеној водом. Стаклени стуб је одоздо осветљен црвеним светлом како би се побољшала визуелизација кавитационих мехурића.
Хиелсцхер Ултрасоницс производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за апликације за мешање, дисперзију, емулзификацију и екстракцију у лабораторијским, пилотским и индустријским размерама.
Често постављана питања
Шта је ултразвучна кавитација?
Ultrazvučna kavitacija je formiranje, rast i nasilni kolaps mikroskopskih mehurića u tečnosti izložene ultrazvuku visoke intenziteta. Kolaps tih mehurića stvara intenzivno lokalno smicanje, mikro mlazove tečnosti, udarne talase, visoke pritiske i jake mikro-mešajuće efekte.
Koja je razlika između ultrazvučne kavitacije i akustične kavitacije?
Акустична кавитација је општи термин за кавитацију изазвану звучним таласима. Ултразвучна кавитација је акустична кавитација која се јавља ултразвучним фреквенцијама, обично изнад слышивог опсега. У индустријској обради течности, оба термина се често користе за кавитацију произведену високопројектним ултразвучним апаратима.
Како ултразвучна кавитација побољшава обраду течности?
Ултразвучна кавитација побољшава обраду течности стварајући интензивне механичке и хемијске ефекте унутар течности. Механички ефекти подржавају мешање, хомогенизацију, емулговање, разбијање агрегата честица, влажно млевење, екстракцију и разбијање ћелија. У реактивним системима, кавитација такође може подстаћи сонохемијске ефекте и побољшати масовни пренос.
Које апликације користе ултразвучну кавитацију?
Ултразвучна кавітација се користи за хомогенизацију, дисперговање, емулгирање, наноемулгирање, екстракцију, дегасирање, деагломерацију, смањење величине честица, лизу ћелија, микробно разарање, сонохемију, сонокатализу и напредне реакције у течном фазом.
Зашто су ултразвучни апарати са сондом ефикасни за кавітацију?
Ултразвучни апарати са сондом преносе ултразвучну енергију директно у течност кроз сонотроду. Ово директно повезивање енергије ствара интензивну зону кавітације близу површине сонроде и омогућава прецизно подешавање важних параметара процеса као што су амплитуда, улазна снага, температура, притисак и време обраде.
Да ли је ултразвучна купка погодна за јаку кавітацију?
Ултразвучне каде производе кавітацију, али је густина енергије обично много нижа и мање фокусирана него код сонатора типа сонде. Каде су корисне за чишћење и блаже третмане, док се сонатори типа сонде преферирају за репродуктивну хомогенизацију, екстракцију, емулгирање, дисперзију, разбијање ћелија и индустријску обраду течности.
Прочитајте и погледајте како се сонатори типа сонде разликују од ултразвучних када!
Који параметри утичу на интензитет ултразвучне кавітације?
Важно параметри укључују амплитуду, ултразвучну снагу, површину сонотрода, запремину течности, вискозност, садржај чврстих материја, притисак, температуру, геометрију посуде, геометрију проточне ћелије, проток и време задржавања. Прилагођавањем ових параметара омогућава се да се интензитет кавітације прилагоди циљу процеса.
Може ли се ултразвучна кавітација пренети са лабораторијског на производни ниво?
Да. Ултразвучни кавітациони процеси се могу развијати у лабораторијским количинама и пренети на пилот или индустријску скалу контролом амплитуде, улаза енергије, геометрије сонотроде, протока и времена задржавања. Hielscher нуди ултразвучне апарате и реакторе за лабораторијска испитивања, пилот 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.
Хиелсцхер Ултрасоницс производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лаб до индустријска величина.