Ултразвучна кавитација у течностима
Ultrazvučni talasi ultrazvuka visokog intenziteta generišu akustičnu kavitaciju u tečnostima. Kavitacija izaziva ekstremne efekte lokalno, kao što su tečni mlaznjaci do 1000km/hr, pritisci do 2000 bankomata i temperature do 5000 Kelvina. Ove ultrasonično generisane sile koriste se za brojne aplikacije za obradu tečnosti kao što su homogenizacija, raspršivanje, emulzija, vađenje, poremećaj ćelija, kao i intenzivanje hemijskih reakcija.
The Working Principle of Ultrasonic Cavitation
Kada se na visokim intenzivnostima gleda tečnosti, zvučni talasi koji se prenose u tečnost za tečni medij u skladu sa naizmenostima visokog pritiska (kompresija) i ciklusima niskog pritiska (rarefrakcije), sa stopama u zavisnosti od učestalosti. Za vreme ciklusa niskog pritiska, ultrasonični talasi stvaraju male vakuumske mehuriće ili voids u tečnosti. Kada mehurići imaju volumen na kome više ne mogu da apsorbuju energiju, oni se na taj način skupljaju tokom ciklusa visokog pritiska. Ovaj fenomen je nazvao kavitacijom. Za vreme implozije veoma visokih temperatura (oko 5, 2.000 k) i pritisaka (oko 2.000 bankomata) se lokalno dostigne. Implozija za Mehurić sa kavitacijom takođe rezultira tečnim mlaznicama do 280 miliona brzina.
Ultrazvučnici tipa sonde kao što je UP400St koristite radni princip akustične kavitacije.
Akustična kavitacija (generisana ultrazvukom napajanja) stvara lokalno ekstremne uslove, takozvane sonomehaničke i sonohemijske efekte. Zbog ovih efekata, sonication promoviše hemijske reakcije koje vode ka većim prinosima, bržoj brzini reakcije, novim putevima i poboljšanju ukupne efikasnosti.
Key Applications of Ultrasonicators using Acoustic Cavitation
Ultrazvučni uređaji tipa sonde, poznati i kao ultrazvučne sonde, efikasno generišu intenzivnu akustičnu kavitaciju u tečnostima. Zbog toga se široko koriste u različitim primenama u različitim industrijama. Neke od najvažnijih primena akustične kavitacije koju generišu ultrazvučni uređaji tipa sonde uključuju:
Moćna ultrazvučna kavitacija u Hielscher Ultrasonic Cascatrode
- Homogenizacija: Ultrazvučne sonde mogu da generišu intenzivnu kavitaciju, koja je okarakterisana kao energetski gusto polje vibracija i čistih sila. Ove sile obezbeđuju odlično mešanje, mešanje i smanjenje veličine čestica. Ultrazvučna homogenizacija proizvodi ujednačeno mešovito vešanje. Zbog toga se sonication koristi za proizvodnju homogene koloidne suspenzije sa uskim distributivnim krivinama.
- Raspršivanje nanočecikla: Ultrazvučni su zaposleni za disperziju, deagglomeraciju i mokro mlevenje nanočestica. Niskofrekventni ultrazvučni talasi mogu da generišu udarnu kavitaciju, koja razlaže aglomerate i smanjuje veličinu čestica. Posebno visoka čar tečnih mlaznica ubrzava čestice u tečnosti, koje se međusobno sudaraju (međupartikularni sudar) tako da se čestice posledično lome i erodiraju. To rezultira ravnomernom i stabilnom raspodelom čestica koje sprečavaju sedimentaciju. To je od ključnog značaja u raznim oblastima, uključujući nanotehnologiju, nauku o materijalima i farmaceutske proizvode.
- Emulzija i mešanje: Ultrazvučnici tipa sonde koriste se za stvaranje emulzija i mešanje tečnosti. Ultrazvučna energija izaziva kavitaciju, formiranje i urušavanje mikroskopskih mehurića, što generiše intenzivne lokalne sile. Ovaj proces pomaže u emulziji nepogrešivih tečnosti, proizvodeći stabilne i fino raspršene emulzije.
- Izvlaиenje: Zbog kavitacionih sila, ultrazvučni su veoma efikasni u remećenju ćelijskih struktura i poboljšanju masovnog prenosa između čvrstog i tečnog. Zbog toga se ultrazvučno vađenje široko koristi za oslobađanje intracelularnog materijala kao što su bioaktivna jedinjenja za proizvodnju visokokvalitetnih botaničkih ekstrakata.
- Degasing and Deaeration: Ultrazvučnici tipa sonde koriste se za uklanjanje gasnih mehurića ili rastvorenih gasova iz tečnosti. Primena ultrazvučne kavitacije promoviše koalescenciju gasnih mehurića tako da rastu i plutaju do vrha tečnosti. Ultrazvučna kavitacija čini degazaciju brzom i efikasnom procedurom. To je dragoceno u raznim industrijama, kao što su farbe, hidraulične tečnosti ili prerada hrane i pića, gde prisustvo gasova može negativno da utiče na kvalitet i stabilnost proizvoda.
- Sonocatalysis: Ultrazvučne sonalize se mogu koristiti za sonokatalizu, proces koji kombinuje akustičnu kavitaciju sa katalizatorima kako bi se poboljšale hemijske reakcije. Kavitacija koju stvaraju ultrazvučni talasi poboljšava masovni transfer, povećava stopu reakcije i promoviše proizvodnju slobodnih radikala, što dovodi do efikasnijih i selektivnijih hemijskih transformacija.
- Priprema uzorka: Ultrazvučni objekti tipa sonde se obično koriste u laboratorijama za pripremu uzoraka. Koriste se za homogenizaciju, razduživanje i vađenje bioloških uzoraka, kao što su ćelije, tkiva i virusi. Ultrazvučna energija koju generiše sonda remeti ćelijske membrane, oslobađa ćelijske sadržaje i olakšava dalju analizu.
- Dezintegracija i poremećaj ćelija: Ultrazvučni uređaji tipa sonde koriste se za dezintegraciju i ometanje ćelija i tkiva u različite svrhe, kao što su vađenje intracelularnih komponenti, mikrobiološka inaktivacija ili priprema uzorka za analizu. Ultrazvučni talasi visokog intenziteta i samim time generisana kavitacija izazivaju mehanički stres i sile, što rezultira dezintegracijom ćelijskih struktura. U biološkim istraživanjima i medicinskoj dijagnostici, ultrazvučni uređaji tipa sonde koriste se za ćelijsku lizu, proces razbijanja otvorenih ćelija kako bi se oslobodile njihove intracelularne komponente. Ultrazvučna energija remeti ćelijske zidove, membrane i organele, omogućavajući vađenje proteina, DNK, RNK i drugih ćelijskih birača.
Ovo su neke od ključnih primena ultrazvučnih vrsta sonde, ali tehnologija ima još širi spektar drugih upotreba, uključujući sonohemiju, smanjenje veličine čestica (mokro-mliniranje), sintezu čestica na dnu i sono-sintezu hemijskih supstanci i materijala u različitim industrijama kao što su farmacija, prerada hrane, biotehnologija i ekološke nauke.
Brza sekvenca (od a do f) ramova koji ilustruju sono-mehaničku eksfolijaciju grafitne pahuljice u vodi koristeći UP200S, ultrazvučni 200W sa 3-mm sonotrodom. Strelice prikazuju mesto razdvajanja čestica sa mehurićima kavitacije koji prodiru u razdeljak.
© Tyurnina et al. 2020
Ultrazvučna kavitacija na kaskatorodskoj sondi ultrazvučnog UIP1000hdT (1000 vati, 20kHz) u staklenom reaktoru.
Video of Acoustic Cavitation in Liquid
Sledeći video prikazuje akustičnu kavitaciju u kaskadi ultrazvučnog UIP1000hdT u staklenom stubu napunjenom vodom. Stakleni stub je osvetljen sa dna crvenim svetlom kako bi se poboljšala vizuelizacija mehurića kavitacije.
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Табела испод показује приближни капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:
| батцх tom | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200мЛ / мин | УП100Х |
| 10 до 2000мЛ | 20 до 400мЛ / мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20Л | 0.2 до 4Л / мин | УИП2000хдТ |
| 10 до 100Л | 2 до 10Л / мин | UIP4000hdT |
| Н.А. | 10 до 100Л / мин | УИП16000 |
| Н.А. | веће | кластер УИП16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za mešanje aplikacija, raspršivanje, emulzifikaciju i vađenje na laboratorijskoj, pilotskoj i industrijskoj skali.
Literatura/reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od Лаб до industrijske veličine.