Ultraljud kavitation i vätskor
Ultraljudskavitation är den drivande kraften bakom högintensiv ultraljudsbehandling av vätskor. När kraftfullt ultraljud kopplas in i en vätska bildas mikroskopiska ångbubblor som växer och kollapsar våldsamt. Denna akustiska kavitation skapar intensiva lokala skjuvkrafter, mikrostrålar, chockvågor, tryckförändringar och mikroblandningseffekter som kan påskynda homogenisering, dispersering, emulgering, extraktion, avgasning, celluppbrytning och sonokemiska reaktioner.
Hielschers sondbaserade ultraljudsapparater använder kontrollerad akustisk kavitation för att överföra ultraljudsenergi direkt till vätskor, suspensioner och uppslamningar. Från små laboratorieprover till kontinuerlig industriell genomströmningsproduktion gör Hielschers system det möjligt att justera amplitud, sonotrodens geometri, tryck, temperatur, flödeshastighet och uppehållstid för att uppnå reproducerbara kavitationsresultat.
- För laboratorier: utveckla och optimera ultraljudsparametrar i små volymer.
- För pilotanläggningar: validera kavitationsdrivna processer under realistiska processförhållanden.
- För produktion: använda ultraljudskavitation i satsvisa, återcirkulerande eller kontinuerliga inline-processer.
Ange vilken vätska det gäller, batchvolym eller flödeshastighet, viskositet, fastämneshalt, temperaturgränser och önskat processresultat. Vi rekommenderar då den bästa kombinationen av ultraljudsapparat, sonotrod och flödesceller för just din kavitationsapplikation.
Ultraljudsapparater av sondtyp, till exempel UP400St Använd arbetsprincipen för akustisk kavitation.
Arbetsprincipen för ultraljudskavitation
Vid ultraljudsbehandling av vätskor vid höga intensiteter, ljudvågorna som fortplantar sig in i det flytande mediet resulterar i alternerande högtryckscykler (kompression) och lågtryck (sällsynthet), med hastigheter beroende på frekvensen. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor eller hålrum i vätskan. När bubblorna når en volym där de inte längre kan absorbera energi, kollapsar de våldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas kavitation. Under implosionen uppnås mycket höga temperaturer (ca 5 000 K) och tryck (ca 2 000 atm) lokalt. Implosionen av kavitationsbubblan resulterar också i vätskestrålar med en hastighet på upp till 280 m/s.
Akustisk kavitation (genererad av ultraljud) skapar lokalt extrema förhållanden, så kallade sonomekaniska och sonokemiska effekter. På grund av dessa effekter, ultraljudsbehandling främjar kemiska reaktioner som leder till högre utbyten, snabbare reaktionshastighet, nya vägar, och förbättrad övergripande effektivitet.
Ultraljudsprob eller ultraljudsbad: Vilken kavitationsmetod är rätt?
Både sondsonikatorer och ultraljudsbad ger upphov till akustisk kavitation, men de skiljer sig avsevärt åt när det gäller intensitet, reglerbarhet och processtillförlitlighet. Medan ultraljudsbad är användbara för rengöring, kopplar sondsonikatorer ultraljudsenergi direkt till vätskan och skapar en mycket starkare, fokuserad kavitationszon. Detta gör sondsonikatorer till det föredragna valet för reproducerbara vätskebehandlingsapplikationer såsom homogenisering, emulgering, extraktion, celluppbrytning, nanopartikeldispersion och sonokemiska reaktioner.
| Jämförelsekriterier | sond sond sonikator | ultraljud bad |
|---|---|---|
| kavitationsintensitet | Skapar akustisk kavitation med hög intensitet direkt vid sonotrodspetsen. | Ger upphov till svagare kavitation som fördelas över hela badvolymen. |
| Energiöverföring | Överför ultraljudsenergi direkt till vätskan, suspensionen eller slammet. | Överför energi indirekt via badvätskan och behållarens vägg. |
| Processtyrning | Möjliggör exakt inställning av amplitud, ingångseffekt, pulsläge, temperatur och behandlingstid. | Ger begränsad kontroll över den faktiska ultraljudsenergin som når provet. |
| reproducerbarhet | Ger reproducerbara ultraljudsbehandlingsresultat när processparametrarna fastställs och övervakas. | Resultaten kan variera beroende på ojämn kavitationsfördelning, behållarens placering, behållarens material, fyllnadsnivå och badets belastning. |
| Bearbetningseffektivitet | Mycket effektiv för homogenisering, dispergering, emulgering, extraktion, celluppbrytning och sonokemi. | Lämpar sig främst för rengöring. |
| Provvolym | Finns för både små laboratorieprover samt pilot- och industriella volymer. | Används vanligtvis för små kärl eller flera behållare som placeras i badet. |
| Skala upp | Kan skalas upp från laboratorietester till pilotförsök och kontinuerlig industriell inline-bearbetning. | Svårt att skala upp på ett tillförlitligt sätt eftersom energifördelningen och kavitationsintensiteten inte är lätta att överföra. |
| Lämpliga medier | Lämplig för vätskor, emulsioner, suspensioner, slam och beredningar med hög fastämneshalt. | Lämpar sig bäst för vätskor med låg viskositet och enklare rengörings- eller avgasningsuppgifter. |
| Typiska tillämpningar | Dispersion av nanopartiklar, nanoemulsioner, extraktion, celllysering, homogenisering, deagglomerering, våtmalning och sonokemiska reaktioner. | Rengöring av glasutrustning, avgasning av vätskor, upplösning av pulver och försiktig omrörning av prover. |
| Det bästa valet för | Kontrollerad, kraftfull och reproducerbar ultraljudsbehandling av vätskor. | Enkel rengöring eller ultraljudsbehandling med låg intensitet. |
Viktiga tillämpningar för ultraljudsapparater och akustisk kavitation
Ultraljudsapparater av sondtyp, även kända som ultraljudssonder, genererar effektivt intensiv akustisk kavitation i vätskor. Därför används de i stor utsträckning i olika applikationer inom olika branscher. Några av de viktigaste tillämpningarna av akustisk kavitation som genereras av ultraljudsapparater av sondtyp inkluderar:
- Homogenisering: Ultraljudssonder kan generera intensiv kavitation, som karakteriseras som ett energitätt fält av vibrationer och skjuvkrafter. Dessa krafter ger utmärkt blandning, blandning och minskning av partikelstorleken. Ultraljudshomogenisering ger jämnt blandade suspensioner. Därför används ultraljudsbehandling för att producera homogen kolloidal suspension med smala fördelningskurvor.
- Dispersion av nanopartiklar: Ultraljudsapparater används för dispersion, deagglomerering och våtmalning av nanopartiklar. Lågfrekventa ultraljudsvågor kan generera effektfull kavitation, som bryter ner agglomerat och minskar partikelstorleken. I synnerhet den höga skjuvningen av vätskestrålarna accelererar partiklar i vätskan, som kolliderar med varandra (kollision mellan partiklarna) så att partiklarna följaktligen bryts och eroderas. Detta resulterar i en jämn och stabil fördelning av partiklar som förhindrar sedimentation. Detta är avgörande inom olika områden, inklusive nanoteknik, materialvetenskap och läkemedel.
- Emulgering och blandning: Ultraljudsapparater av sondtyp används för att skapa emulsioner och blanda vätskor. Ultraljudsenergin orsakar kavitation, bildning och kollaps av mikroskopiska bubblor, vilket genererar intensiva lokala skjuvkrafter. Denna process hjälper till att emulgera oblandbara vätskor, vilket ger stabila och finfördelade emulsioner.
- Extraktion: På grund av kavitationella skjuvkrafter, ultraljud är mycket effektiva för att störa cellulära strukturer och för att förbättra massöverföringen mellan fast och vätska. Därför används ultraljudsextraktion i stor utsträckning för att frigöra intracellulärt material såsom bioaktiva föreningar för produktion av högkvalitativa botaniska extrakt.
- Avgasning och avluftning: Ultraljudsapparater av sondtyp används för att avlägsna gasbubblor eller upplösta gaser från vätskor. Tillämpningen av ultraljudskavitation främjar sammansmältningen av gasbubblor så att de växer och flyter till toppen av vätskan. Ultraljudskavitation gör avgasning till en snabb och effektiv procedur. Detta är värdefullt i olika branscher, t.ex. i färger, hydraulvätskor eller livsmedels- och dryckesbearbetning, där närvaron av gaser kan påverka produktkvaliteten och stabiliteten negativt.
- Sonokatalys: Ultraljudssonder kan användas för sonokatalys, en process som kombinerar akustisk kavitation med katalysatorer för att förbättra kemiska reaktioner. Kavitationen som genereras av ultraljudsvågor förbättrar massöverföringen, ökar reaktionshastigheterna och främjar produktionen av fria radikaler, vilket leder till mer effektiva och selektiva kemiska omvandlingar.
- Förberedelse av prover: Ultraljudsapparater av sondtyp används ofta i laboratorier för provberedning. De används för att homogenisera, disaggregera och extrahera biologiska prover, såsom celler, vävnader och virus. Ultraljudsenergin som genereras av sonden stör cellmembranen, frigör cellulärt innehåll och underlättar vidare analys.
- Disintegration och cellstörningar: Sond-typ ultraljudsapparater används för att sönderdela och störa celler och vävnader för olika ändamål, såsom extraktion av intracellulära komponenter, mikrobiell inaktivering, eller provberedning för analys. De högintensiva ultraljudsvågorna och den därmed genererade kavitationen orsakar mekanisk stress och skjuvkrafter, vilket resulterar i sönderfall av cellstrukturer. Inom biologisk forskning och medicinsk diagnostik används ultraljudsapparater av sondtyp för celllys, processen att bryta upp celler för att frigöra deras intracellulära komponenter. Ultraljudsenergi stör cellväggar, membran och organeller, vilket möjliggör extraktion av proteiner, DNA, RNA och andra cellulära beståndsdelar.
Dessa är några av de viktigaste tillämpningarna av ultraljudsapparater av sondtyp, men tekniken har ett ännu bredare utbud av andra användningsområden, inklusive sonokemi, partikelstorleksreduktion (våtmalning), partikelsyntes nedifrån och upp och son-syntes av kemiska ämnen och material i olika industrier som läkemedel, livsmedelsbearbetning, bioteknik och miljövetenskap.
En höghastighetssekvens (från a till f) av ramar som illustrerar sono-mekanisk exfoliering av en grafitflaga i vatten med hjälp av UP200S, en 200W ultraljudsapparat med 3 mm sonotrode. Pilar visar platsen för spjälkningspartiklar med kavitationsbubblor som tränger in i delningen.
© Tyurnina et al. 2020
Dra nytta av ultraljudskavitation!
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
| Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
|---|---|---|
| 1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
| 10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
| N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Video av akustisk kavitation i vätska
Följande video visar akustisk kavitation vid kaskad av ultraljudsapparaten UIP1000hdT i en vattenfylld glaspelare. Glaspelaren belyses från botten med rött ljus för att förbättra visualiseringen av kavitationsbubblorna.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandningsapplikationer, dispersion, emulgering och extraktion i labb-, pilot- och industriell skala.
Vanliga frågor och svar
Vad är ultraljudskavitation?
Ultraljudskavitation är bildandet, tillväxten och det våldsamma kollapsandet av mikroskopiska bubblor i en vätska som utsätts för högintensivt ultraljud. När dessa bubblor kollapsar uppstår kraftiga lokala skjuvkrafter, mikrostrålar av vätska, chockvågor, stora tryckgradienter och starka mikroblandningseffekter.
Vad är skillnaden mellan ultraljudskavitation och akustisk kavitation?
Akustisk kavitation är ett samlingsbegrepp för kavitation som orsakas av ljudvågor. Ultraljudskavitation är akustisk kavitation som alstras av ultraljudsfrekvenser, vanligtvis utanför det hörbara frekvensområdet. Inom industriell vätskebehandling används ofta båda termerna för att beskriva kavitation som alstras av kraftfulla ultraljudsenheter.
Hur förbättrar ultraljudskavitation bearbetningen av vätskor?
Ultraljudskavitation förbättrar vätskebehandlingen genom att skapa kraftfulla mekaniska och kemiska effekter inuti vätskan. De mekaniska effekterna underlättar blandning, homogenisering, emulgering, upplösning av partikelklumpar, våtmalning, extraktion och celluppbrytning. I reaktiva system kan kavitationen även främja sonokemiska effekter och förbättra massöverföringen.
Vilka tillämpningar använder ultraljudskavitation?
Ultraljudskavitation används för homogenisering, dispersering, emulgering, nanoemulgering, extraktion, avgasning, upplösning av agglomerat, partikelstorleksreduktion, celllysering, nedbrytning av mikroorganismer, sonokemi, sonokatalys och avancerade reaktioner i vätskefas.
Varför är ultraljudsgeneratorer av sondtyp effektiva för kavitation?
Ultraljudsgeneratorer av sondtyp överför ultraljudsenergi direkt till vätskan via en sonotrod. Denna direkta energikoppling skapar en intensiv kavitationszon nära sondens yta och möjliggör precis inställning av viktiga processparametrar såsom amplitud, effekt, temperatur, tryck och bearbetningstid.
Är ett ultraljudsbad lämpligt för kraftig kavitation?
Ultraljudsbad ger upphov till kavitation, men energitätheten är vanligtvis betydligt lägre och mindre koncentrerad än hos ultraljudsapparater av sondtyp. Bad är lämpliga för rengöring och mild behandling, medan ultraljudsapparater av sondtyp är att föredra för reproducerbar homogenisering, extraktion, emulgering, dispersion, celluppbrytning och industriell vätskebearbetning.
Läs och se hur sondultraljudsapparater och ultraljudsbad skiljer sig åt!
Vilka parametrar påverkar intensiteten hos ultraljudskavitationen?
Viktiga parametrar är bland annat amplitud, ultraljudseffekt, sonotrodens yta, vätskevolym, viskositet, fastämneshalt, tryck, temperatur, behållarens geometri, flödescellets geometri, flödeshastighet och uppehållstid. Genom att justera dessa parametrar kan kavitationsintensiteten anpassas efter processmålet.
Kan ultraljudskavitation skalas upp från laboratorienivå till produktionsnivå?
Ja. Ultraljudskavitationsprocesser kan utvecklas i laboratorieskala och överföras till pilot- eller industriell skala genom att man reglerar amplitud, energitillförsel, sonotrodens geometri, flödeshastighet och uppehållstid. Hielscher erbjuder ultraljudsapparater och reaktorer för laboratorietester, pilotförsök och kontinuerlig industriell produktion.
Litteratur / Referenser
- 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 tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.