การประยุกต์ใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงด้วยฮอร์นอัลตราโซนิก

ฮอร์นหรือโพรบอัลตราโซนิกใช้กันอย่างแพร่หลายในงานแปรรูปของเหลวหลากหลายประเภท ได้แก่ การทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน การกระจายตัว การบดแบบเปียก การทำอิมัลชัน การสกัด การสลายตัว การละลาย และการไล่อากาศ เรียนรู้พื้นฐานเกี่ยวกับฮอร์นอัลตราโซนิก โพรบอัลตราโซนิก และการประยุกต์ใช้งาน

ฮอร์นอัลตราโซนิกเทียบกับโพรบอัลตราโซนิก

คำว่าฮอร์นอัลตราโซนิกและโพรบอัลตราโซนิกมักใช้แทนกัน โดยหมายถึงแท่งอัลตราโซนิกที่ส่งคลื่นอัลตราซาวนด์เข้าสู่ของเหลว คำอื่นที่ใช้เรียกโพรบอัลตราโซนิก ได้แก่ ฮอร์นเสียง โซโนโทรด ท่อนำคลื่นเสียง หรือนิ้วอัลตราโซนิก อย่างไรก็ตาม ในทางเทคนิค ฮอร์นอัลตราโซนิกและโพรบอัลตราโซนิกมีความแตกต่างกัน
ทั้งฮอร์นและโพรบต่างหมายถึงชิ้นส่วนของอุปกรณ์ที่เรียกว่าเครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบ ฮอร์นอัลตราโซนิกเป็นส่วนโลหะของทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก ซึ่งถูกกระตุ้นด้วยการสั่นที่เกิดจากปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก ฮอร์นอัลตราโซนิกสั่นที่ความถี่ค่าหนึ่ง เช่น 20kHz ซึ่งหมายถึงการสั่น 20,000 ครั้งต่อวินาที ไทเทเนียมเป็นวัสดุที่นิยมเลือกใช้ในการผลิตฮอร์นอัลตราโซนิก เนื่องจากมีสมบัติการส่งผ่านเสียงที่ดีเยี่ยม มีความแข็งแรงต่อความล้าสูง และมีความแข็งของผิวสูง

โพรบอัลตราโซนิกเรียกอีกอย่างว่าโซโนโทรดหรือนิ้วอัลตราโซนิก เป็นแท่งโลหะที่ส่วนใหญ่มักทำจากไทเทเนียม และยึดเข้ากับฮอร์นอัลตราโซนิกด้วยเกลียว โพรบอัลตราโซนิกเป็นส่วนสำคัญของเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกที่ส่งคลื่นอัลตราซาวนด์เข้าสู่ตัวกลางที่ได้รับอัลตราซาวนด์ โพรบอัลตราโซนิก / โซโนโทรดมีให้เลือกหลายรูปทรง เช่น ทรงกรวย แบบมีปลายเฉพาะ แบบเรียว หรือแบบ Cascatrode แม้ไทเทเนียมจะเป็นวัสดุที่ใช้ทำโพรบอัลตราโซนิกมากที่สุด แต่ก็มีโซโนโทรดที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม เซรามิก แก้ว และวัสดุอื่น ๆ ให้เลือกด้วย

เนื่องจากฮอร์นและโพรบอัลตราโซนิกอยู่ภายใต้แรงอัดหรือแรงดึงอย่างต่อเนื่องระหว่างการใช้อัลตราซาวนด์ การเลือกวัสดุสำหรับฮอร์นและโพรบจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง โลหะผสมไทเทเนียมคุณภาพสูง (เกรด 5) ถือเป็นโลหะที่เชื่อถือได้มากที่สุด ทนทานที่สุด และมีประสิทธิภาพสูงสุดในการทนต่อความเค้น รักษาแอมพลิจูดสูงได้เป็นเวลานาน และส่งผ่านสมบัติทางเสียงและทางกล

การละลายเป็นการประยุกต์ใช้อัลตราโซนิกที่พบได้ทั่วไป วิดีโอนี้สาธิตการละลายผลึกน้ำตาลในน้ำอย่างรวดเร็วโดยใช้ Hielscher UP200St

เครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงส่วนใหญ่ทำงานในช่วงความถี่ 20–30kHz ที่ความถี่ 20 kHz โดยทั่วไปโพรบอัลตราโซนิกเป็นแท่งเรโซแนนซ์ที่มีความยาวเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น ซึ่งขยายตัวและหดตัวอย่างต่อเนื่อง 20,000 ครั้งต่อวินาที การเคลื่อนที่จากการขยายตัวและหดตัวจะถูกส่งเข้าสู่ตัวกลางในกระบวนการ ซึ่งก็คือของไหลหรือสลาร์รี ในรูปของอัลตราซาวนด์กำลังสูง เพื่อใช้ในงานต่าง ๆ เช่น

อัลตราซาวนด์กำลังสูงทำงานอย่างไร? – หลักการทำงานของคาวิเทชันจากคลื่นเสียง

สำหรับการใช้อัลตราซาวนด์ที่ต้องการสมรรถนะสูง เช่น การทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน การลดขนาดอนุภาค การสลายตัว หรือการกระจายตัวระดับนาโน ทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์จะสร้างอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงที่มีความถี่ต่ำ แล้วส่งผ่านฮอร์นและโพรบอัลตราโซนิก (โซโนโทรด) เข้าสู่ของเหลว อัลตราซาวนด์กำลังสูงถือเป็นอัลตราซาวนด์ในช่วง 16–30kHz โพรบอัลตราซาวนด์ขยายตัวและหดตัว เช่น ที่ความถี่ 20kHz จึงส่งการสั่น 20,000 ครั้งต่อวินาทีเข้าสู่ตัวกลาง เมื่อคลื่นอัลตราโซนิกเคลื่อนที่ผ่านของเหลว วัฏจักรความดันสูง (การอัด) / ความดันต่ำ (การคลายตัว / การขยายตัว) ที่สลับกันจะสร้างโพรงขนาดเล็กมาก (ฟองสุญญากาศ) ซึ่งเติบโตขึ้นตลอดหลายวัฏจักรความดัน ในช่วงการอัดของของเหลวและฟอง ความดันเป็นบวก ขณะที่ช่วงการคลายตัวทำให้เกิดสุญญากาศ (ความดันลบ) ระหว่างวัฏจักรการอัดและการขยายตัว โพรงในของเหลวจะเติบโตจนมีขนาดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานเพิ่มเติมได้อีก ณ จุดนี้ โพรงจะยุบตัวเข้าด้านในอย่างรุนแรง การยุบตัวของโพรงเหล่านี้ทำให้เกิดผลต่าง ๆ ที่มีพลังงานสูงมาก ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์คาวิเทชันจากคลื่นเสียง / อัลตราซาวนด์ คาวิเทชันจากคลื่นเสียงมีลักษณะเฉพาะคือก่อให้เกิดผลหลากหลายที่มีพลังงานสูงมาก ซึ่งส่งผลต่อของเหลว ระบบของแข็ง/ของเหลว และระบบก๊าซ/ของเหลว บริเวณที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงหรือบริเวณคาวิเทชันเรียกว่าบริเวณจุดร้อน โดยมีความหนาแน่นของพลังงานสูงที่สุดในบริเวณใกล้โพรบอัลตราโซนิก และความหนาแน่นนี้ลดลงเมื่อระยะห่างจากโซโนโทรดเพิ่มขึ้น ลักษณะสำคัญของคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ ได้แก่ อุณหภูมิและความดันที่สูงมากเฉพาะบริเวณ ตลอดจนความแตกต่างของอุณหภูมิและความดันเหล่านั้น ความปั่นป่วน และการไหลของของเหลว ระหว่างการยุบตัวของโพรงที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ในจุดร้อนจากอัลตราซาวนด์ สามารถวัดอุณหภูมิได้สูงถึง 5000 เคลวิน ความดันสูงถึง 200 บรรยากาศ และเจ็ตของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 1000km/h สภาวะที่มีพลังงานเข้มข้นอย่างโดดเด่นเหล่านี้มีส่วนทำให้เกิดผลทางกลและทางเคมีจากอัลตราซาวนด์ ซึ่งเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการและปฏิกิริยาเคมีในรูปแบบต่าง ๆ
ผลหลักของการใช้อัลตราซาวนด์ต่อของเหลวและสลาร์รีมีดังต่อไปนี้:

แรงเฉือนสูง: แรงเฉือนสูงจากอัลตราซาวนด์รบกวนของเหลวและระบบของเหลว–ของแข็ง ทำให้เกิดการกวนอย่างเข้มข้น การทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน และการถ่ายเทมวล
แรงกระแทก: เจ็ตของเหลวและการไหลที่เกิดจากคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์เร่งการเคลื่อนที่ของของแข็งในของเหลว ซึ่งนำไปสู่การชนกันระหว่างอนุภาค เมื่ออนุภาคชนกันด้วยความเร็วสูงมาก อนุภาคจะสึกกร่อน แตกละเอียด ถูกบดและกระจายตัวอย่างละเอียด โดยมักมีขนาดเล็กลงถึงระดับนาโน สำหรับวัสดุชีวภาพ เช่น วัสดุจากพืช เจ็ตของเหลวความเร็วสูงและวัฏจักรความดันที่สลับกันจะทำให้ผนังเซลล์แตกและปลดปล่อยสารภายในเซลล์ออกมา ส่งผลให้การสกัดสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพมีประสิทธิภาพสูงมาก และทำให้วัสดุชีวภาพผสมกันเป็นเนื้อเดียวกัน
การกวน: การใช้อัลตราซาวนด์ทำให้เกิดความปั่นป่วนอย่างรุนแรง แรงเฉือน และการเคลื่อนที่ระดับจุลภาคในของเหลวหรือสลาร์รี ดังนั้น การใช้อัลตราซาวนด์จึงเพิ่มการถ่ายเทมวลเสมอ และด้วยเหตุนี้จึงเร่งปฏิกิริยาและกระบวนการต่าง ๆ

เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกและเครื่องผสมแรงเฉือนสูงใช้ในอุตสาหกรรมแปรรูปแทบทุกประเภทที่ทำงานกับของเหลวหรือสลาร์รี แรงคาวิเทชันที่รุนแรงจากอัลตราซาวนด์ทำให้เกิดการกวนอย่างเข้มข้น แรงเฉือน การแตกของอนุภาค และการถ่ายเทมวล ด้วยเหตุนี้ ของเหลวจึงถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน กระจายตัว ทำเป็นอิมัลชัน สกัด ละลาย และ/หรือเกิดการเริ่มต้นปฏิกิริยาเคมี โดยรวมแล้ว การใช้อัลตราซาวนด์เป็นวิธีเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการที่เพิ่มผลได้ ปรับปรุงอัตราการเปลี่ยนสาร และทำให้กระบวนการมีประสิทธิภาพมากขึ้น
การประยุกต์ใช้อัลตราซาวนด์ที่พบทั่วไปในอุตสาหกรรมครอบคลุมหลายสาขา ได้แก่ อาหารและเภสัชกรรม เคมีภัณฑ์ละเอียด พลังงานและปิโตรเคมี การรีไซเคิล โรงกลั่นชีวภาพ เป็นต้น และรวมถึงงานต่อไปนี้:

ฮอร์นและโพรบอัลตราโซนิกสำหรับงานที่ต้องการสมรรถนะสูง

Hielscher Ultrasonics เป็นผู้ผลิตและจัดจำหน่ายเครื่องอัลตราโซนิกกำลังสูงที่มีประสบการณ์ยาวนาน ซึ่งใช้ทั่วโลกในงานหนักของหลายอุตสาหกรรม
ด้วยเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกทุกขนาดตั้งแต่ 50 วัตต์ถึง 16kW ต่อเครื่อง โพรบหลายขนาดและรูปทรง และเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกที่มีปริมาตรและรูปทรงเรขาคณิตแตกต่างกัน Hielscher Ultrasonics มีอุปกรณ์ที่เหมาะสมสำหรับจัดระบบอัลตราโซนิกที่เหมาะที่สุดกับการใช้งานของคุณ
ตารางด้านล่างแสดงความสามารถในการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

ปริมาตรต่อแบตช์	อัตราการไหล	อุปกรณ์ที่แนะนำ
1 ถึง 500mL	10 ถึง 200mL/min	UP100H
10 ถึง 2000mL	20 ถึง 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0.1 ถึง 20L	0.2 ถึง 4L/min	UIP2000hdT
10 ถึง 100L	2 ถึง 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 ถึง 100L/min	UIP16000
n.a.	สูงกว่า	ชุดอุปกรณ์ที่ประกอบด้วย UIP16000

ติดต่อเรา! / สอบถามเรา!

ขอข้อมูลเพิ่มเติม

กรุณาใช้แบบฟอร์มด้านล่างเพื่อขอข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ การใช้งาน และราคา เรายินดีหารือเกี่ยวกับกระบวนการของท่านและเสนอระบบอัลตราซาวนด์ที่ตรงตามความต้องการของท่าน!

ที่อยู่อีเมล (จำเป็น)

หมายเลขโทรศัพท์

ชื่อ

ความสนใจ

หัวข้อที่เกี่ยวข้อง

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

Kenneth S. Suslick, Yuri Didenko, Ming M. Fang, Taeghwan Hyeon, Kenneth J. Kolbeck, William B. McNamara, Millan M. Mdleleni, Mike Wong (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Vol. 357, Issue 1751, 1999. 335-353.
Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.