Tillämpning av Power Ultrasound med hjälp av ultraljudshorn

Ultraljudshorn eller sonder används i stor utsträckning för många vätskebearbetningsapplikationer inklusive homogenisering, dispergering, våtmalning, emulgering, extraktion, sönderdelning, upplösning och avluftning. Lär dig grunderna om ultraljudshorn, ultraljudssonder och deras tillämpningar.

Ultraljudshorn vs ultraljudssond

Ofta används termen ultraljudshorn och sond omväxlande och hänvisar till ultraljudsstaven som överför ultraljudsvågorna till vätskan. Andra termer som används för ultraljudssonden är akustiskt horn, sonotrode, akustisk vågledare eller ultraljudsfinger. Tekniskt sett är det dock skillnad på ett ultraljudshorn och en ultraljudssond.
Både horn och sond avser delar av den så kallade ultraljudsapparaten av sondtyp. Ultraljudshornet är metalldelen av ultraljudsgivaren, som exciteras genom piezoelektriskt genererade vibrationer. Ultraljudshornet vibrerar med en viss frekvens, t.ex. 20 kHz, vilket innebär 20 000 vibrationer per sekund. Titan är det föredragna materialet för tillverkning av ultraljudshorn på grund av dess utmärkta akustiska transmissionsegenskaper, dess robusta utmattningshållfasthet och ythårdhet.

Ultraljudssonden kallas också sonotrode eller ultraljudsfinger. Det är en metallstång, oftast gjord av titan, och gängad till ultraljudshornet. Ultraljudssonden är en viktig del av ultraljudsprocessorn, som överför ultraljudsvågorna till det sonikerade mediet. Ultraljudssonder / sonotroder finns i olika former (t.ex. koniska, spetsiga, avsmalnande eller som Cascatrode) tillgängliga. Medan titan är det mest använda materialet för ultraljudssonder, finns det också sonotrode tillverkad av rostfritt stål, keramik, glas och andra material tillgängliga.

Eftersom ultraljudshornet och sonden är under konstant kompression eller spänning under ultraljudsbehandling, är materialvalet av horn och sond avgörande. Högkvalitativ titanlegering (klass 5) anses vara den mest pålitliga, hållbara och effektiva metallen för att motstå påfrestningar, för att upprätthålla höga amplituder under långa tidsperioder och för att överföra de akustiska och mekaniska egenskaperna.

Högpresterande ultraljudsapparater arbetar oftast i frekvensområdet 20-30kHz. Vid 20 kHz är ultraljudssonden vanligtvis en halv våglängd lång resonansstav, som ständigt expanderar och drar ihop sig 20 000 gånger per sekund. Expansions- och sammandragningsrörelserna överförs som ultraljud med hög effekt till processmediet, dvs. vätska eller slurry, för att uppfylla tillämpningar som

• Ultraljudsblandning med hög skjuvning
• Våtmalning med ultraljud
• Ultraljudsdispersion av nanopartiklar
• ultraljud nano-emulgering
• Ultraljud extraktion
• Ultraljud sönderfall
• Ultraljud cell störning och lys
• Ultraljud avgasning och avluftning
• sono-kemi (sono-syntes, sono-katalys)

Hur fungerar Power Ultrasound? – Arbetsprincipen för akustisk kavitation

För högpresterande ultraljudsapplikationer såsom homogenisering, partikelstorleksminskning, sönderfall eller nanodispersioner, genereras högintensivt, lågfrekvent ultraljud av en ultraljudsgivare och överförs via ultraljudshorn och sond (sonotrode) till en vätska. Ultraljud med hög effekt anses vara ultraljud i intervallet 16-30 kHz. Ultraljudssonden expanderar och drar ihop sig t.ex. vid 20 kHz och överför därmed 20 000 vibrationer per sekund till mediet. När ultraljudsvågorna färdas genom vätskan skapar omväxlande högtryckscykler (kompression) / lågtryck (sällsynthet/expansion) små håligheter (vakuumbubblor), som växer över flera tryckcykler. Under kompressionsfasen av vätskan och bubblorna är trycket positivt, medan sällsynthetsfasen producerar ett vakuum (negativt tryck). Under kompressions- och expansionscyklerna växer håligheterna i vätskan tills de når en storlek där de inte kan absorbera ytterligare energi. Vid denna punkt imploderar de våldsamt. Implosionen av dessa håligheter resulterar i olika mycket energetiska effekter, som är kända som fenomenet akustisk / ultraljudskavitation. Akustisk kavitation karakteriseras av många högenergetiska effekter, som påverkar vätskor, fasta/flytande system samt gas/vätskesystem. Den energitäta zonen eller kavitationszonen är känd som den så kallade hot-spot-zonen, som är mest energität i närheten av ultraljudssonden och minskar med ökande avstånd från sonotroden. De viktigaste egenskaperna hos ultraljudskavitation inkluderar lokalt förekommande mycket höga temperaturer och tryck och respektive skillnader, turbulens och vätskeströmning. Under implosionen av ultraljudskaviteter i ultraljudshärdar kan temperaturer på upp till 5000 Kelvin, tryck på upp till 200 atmosfärer och vätskestrålar med upp till 1000 km/h mätas. Dessa enastående energiintensiva förhållanden bidrar till sonomekaniska och sonokemiska effekter som intensifierar processer och kemiska reaktioner på olika sätt.
Den huvudsakliga effekten av ultraljud på vätskor och uppslamningar är följande:

• Hög skjuvning: Ultraljudshögskjuvkrafter stör vätskor och vätske-fasta system som orsakar intensiv omrörning, homogenisering och massöverföring.
• Effekt: Flytande strålar och strömning genererad av ultraljudskavitation accelererar fasta ämnen i vätskor, vilket leder till interpartiklär kollision. När partiklar kolliderar i mycket höga hastigheter eroderar de, splittras och mals och sprids fint, ofta ner till nanostorlek. För biologiskt material som växtmaterial stör vätskestrålarna med hög hastighet och växlande tryckcykler cellväggarna och frigör det intracellulära materialet. Detta resulterar i mycket effektiv extraktion av bioaktiva föreningar och homogen blandning av biologiskt material.
• Hets: Ultraljud orsakar intensiv turbulens, skjuvkrafter och mikrorörelse i vätskan eller uppslamningen. Därmed, ultraljudsbehandling intensifierar alltid massöverföring och påskyndar därmed reaktioner och processer.

Ultraljudshomogenisatorer och blandare med hög skjuvning används i nästan alla bearbetningsindustrier som arbetar med vätskor eller uppslamningar. De intensiva ultraljudskavitationskrafterna skapar intensiv omrörning, skjuvning, partikelbrott och massöverföring. Därigenom homogeniseras, dispergeras, emulgeras, extraheras, löses upp och/eller kemiska reaktioner initieras. Sammantaget är ultraljud en processintensifierande metod som ökar avkastningen, förbättrar omvandlingsfrekvensen och gör processerna mer effektiva.
Vanliga ultraljudsapplikationer i branschen är spridda över många grenar av livsmedel & Läkemedel, Finkemi, Energi & petrokemi, återvinning, bioraffinaderier osv. och omfattar följande:

• Ultraljud biodiesel syntes
• Ultraljud homogenisering av fruktjuicer
• Ultraljudsproduktion av vacciner
• återvinning av ultraljudsbatterier med litiumjonbatterier
• Ultraljudssyntes av nanomaterial
• ultraljud formulering av läkemedel
• ultraljud nano-emulgering av CBD
• Ultraljud extraktion av växter
• Förberedelse av ultraljudsprov i laboratorier
• Ultraljudsavgasning av vätskor
• Ultraljud avsvavling av råolja
• och många fler ...

Ultraljudshorn och sonder för högpresterande applikationer

Hielscher Ultrasonics är lång erfarenhet tillverkare och distributör av högeffektiva ultraljudsapparater, som används över hela världen för tunga applikationer i många branscher.
Med ultraljudsprocessorer i alla storlekar från 50 watt till 16 kW per enhet, sonder i olika storlekar och former, ultraljudsreaktorer med olika volymer och geometrier, har Hielscher Ultrasonics rätt utrustning för att konfigurera den perfekta ultraljudsinställningen för din applikation.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: