Ултразвучна кавитација у течностима

Ултразвучни таласи ултразвука високог интензитета стварају акустичну кавитацију у течностима. Кавитација изазива екстремне ефекте локално, као што су млазови течности до 1000 км/х, притисци до 2000 атм и температуре до 5000 Келвина. Ове ултразвучно генерисане силе се користе за бројне примене у преради течности као што су хомогенизација, дисперговање, емулзификација, екстракција, разбијање ћелија, као и за интензивирање хемијских реакција.

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.

Кључне примене ултразвучних апарата који користе акустичну кавитацију

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:
 

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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

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.

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: