Ultraljud kavitation i vätskor
Ultraljudsvågor med hög intensitet ultraljud genererar akustisk kavitation i vätskor. Kavitation orsakar extrema effekter lokalt, såsom vätskestrålar på upp till 1000 km/h, tryck på upp till 2000 atm och temperaturer på upp till 5000 Kelvin. Dessa ultraljudsgenererade krafter används för många vätskebearbetningsapplikationer såsom homogenisering, dispergering, emulgering, extraktion, cellstörning, såväl som intensifiering av kemiska reaktioner.
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.

Ultraljudsapparater av sondtyp som UP400St Använd arbetsprincipen för akustisk kavitation.

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.
Viktiga tillämpningar av ultraljudsapparater med hjälp av 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
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.
Kontakta oss! / Fråga oss!
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 |
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.