Ultrasonic Cavitation ในของเหลว

คลื่นอัลตราโซนิกของอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงทําให้เกิดโพรงอากาศอะคูสติกในของเหลว โพรงอากาศทําให้เกิดผลกระทบที่รุนแรงในท้องถิ่น เช่น ไอพ่นของเหลวสูงถึง 1,000 กม./ชม. ความดันสูงถึง 2,000 atm และอุณหภูมิสูงถึง 5,000 เคลวิน แรงที่สร้างขึ้นด้วยอัลตราโซนิกเหล่านี้ใช้สําหรับการใช้งานการประมวลผลของเหลวจํานวนมากเช่นการทําให้เป็นเนื้อเดียวกันการกระจายตัวอิมัลชันการสกัดการหยุดชะงักของเซลล์ตลอดจนการเพิ่มความเข้มข้นของปฏิกิริยาเคมี

หลักการทํางานของโพรงอากาศอัลตราโซนิก

เมื่อ sonicating ของเหลวที่มีความเข้มสูงคลื่นเสียงที่แพร่กระจายไปยังสื่อของเหลวจะส่งผลให้เกิดรอบความดันสูง (การบีบอัด) และความดันต่ํา (หายาก) สลับกันโดยมีอัตราขึ้นอยู่กับความถี่ ในระหว่างรอบความดันต่ําคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงจะสร้างฟองสูญญากาศขนาดเล็กหรือช่องว่างในของเหลว เมื่อฟองอากาศมีปริมาตรที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีกต่อไปฟองอากาศจะยุบตัวลงอย่างรุนแรงในระหว่างวัฏจักรความดันสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าโพรงอากาศ ในระหว่างการระเบิด อุณหภูมิที่สูงมาก (ประมาณ 5,000K) และความดัน (ประมาณ 2,000atm) จะถึงในท้องถิ่น การระเบิดของฟองอากาศยังส่งผลให้เกิดไอพ่นของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280 ม./วินาที

โพรงอากาศอะคูสติก (เกิดจากอัลตราซาวนด์กําลัง) สร้างสภาวะที่รุนแรงในท้องถิ่น ซึ่งเรียกว่าเอฟเฟกต์โซโนคานิกและโซโนเคมี เนื่องจากผลกระทบเหล่านี้การ sonication ส่งเสริมปฏิกิริยาเคมีที่นําไปสู่ผลผลิตที่สูงขึ้นความเร็วในการตอบสนองที่เร็วขึ้นเส้นทางใหม่และประสิทธิภาพโดยรวมที่ดีขึ้น

การใช้งานที่สําคัญของเครื่องอัลตราโซนิกโดยใช้ Acoustic Cavitation

เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบหรือที่เรียกว่าโพรบอัลตราโซนิกสร้างโพรงอากาศอะคูสติกที่รุนแรงในของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานต่างๆ ในอุตสาหกรรมต่างๆ การใช้งานที่สําคัญที่สุดบางประการของโพรงอากาศอะคูสติกที่เกิดจากเครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบ ได้แก่:
 

1. การทําให้เป็นเนื้อเดียวกัน: โพรบอัลตราโซนิกสามารถสร้างโพรงอากาศที่รุนแรงซึ่งมีลักษณะเป็นสนามสั่นสะเทือนและแรงเฉือนที่มีพลังงานหนาแน่น แรงเหล่านี้ให้การผสม การผสม และการลดขนาดอนุภาคได้ดีเยี่ยม การทําให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยอัลตราโซนิกทําให้เกิดสารแขวนลอยผสมอย่างสม่ําเสมอ ดังนั้น sonication จึงถูกนํามาใช้ในการผลิตสารแขวนลอยคอลลอยด์ที่เป็นเนื้อเดียวกันที่มีเส้นโค้งการกระจายที่แคบ
2. การกระจายอนุภาคนาโน: เครื่องอัลตราโซนิกถูกนํามาใช้สําหรับการกระจายตัวการแยกตัวและการกัดแบบเปียกของอนุภาคนาโน คลื่นอัลตราซาวนด์ความถี่ต่ําสามารถสร้างโพรงอากาศที่มีผลกระทบ ซึ่งจะสลายการรวมตัวกันและลดขนาดอนุภาค โดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงเฉือนสูงของไอพ่นของเหลวจะเร่งอนุภาคในของเหลวซึ่งชนกัน (การชนกันระหว่างอนุภาค) เพื่อให้อนุภาคแตกและกัดเซาะ ส่งผลให้อนุภาคกระจายอย่างสม่ําเสมอและเสถียรเพื่อป้องกันการตกตะกอน นี่เป็นสิ่งสําคัญในสาขาต่างๆ รวมถึงนาโนเทคโนโลยี วัสดุศาสตร์ และเภสัชกรรม
3. อิมัลชันและการผสม: เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบใช้เพื่อสร้างอิมัลชันและผสมของเหลว พลังงานอัลตราโซนิกทําให้เกิดโพรงอากาศการก่อตัวและการยุบตัวของฟองอากาศด้วยกล้องจุลทรรศน์ซึ่งสร้างแรงเฉือนในท้องถิ่นที่รุนแรง กระบวนการนี้ช่วยในการทําให้ของเหลวที่ผสมกันไม่ได้เป็นอิมัลชันผลิตอิมัลชันที่เสถียรและกระจายตัวอย่างประณีต
4. การสกัด: เนื่องจากแรงเฉือนโพรงอากาศเครื่องอัลตราโซนิกจึงมีประสิทธิภาพสูงในการขัดขวางโครงสร้างเซลล์และเพื่อปรับปรุงการถ่ายโอนมวลระหว่างของแข็งและของเหลว ดังนั้นการสกัดด้วยอัลตราโซนิกจึงถูกนํามาใช้กันอย่างแพร่หลายในการปลดปล่อยวัสดุภายในเซลล์เช่นสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพสําหรับการผลิตสารสกัดจากพฤกษศาสตร์คุณภาพสูง
5. การไล่แก๊สและการขจัดอากาศ: เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบถูกนํามาใช้เพื่อขจัดฟองอากาศหรือก๊าซที่ละลายน้ําออกจากของเหลว การประยุกต์ใช้โพรงอากาศอัลตราโซนิกส่งเสริมการรวมตัวของฟองอากาศเพื่อให้เติบโตและลอยขึ้นไปด้านบนของของเหลว โพรงอากาศอัลตราโซนิกทําให้การแยกก๊าซเป็นขั้นตอนที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพ สิ่งนี้มีคุณค่าในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ในสี น้ํามันไฮดรอลิก หรือการแปรรูปอาหารและเครื่องดื่ม ซึ่งการมีก๊าซอาจส่งผลเสียต่อคุณภาพและความเสถียรของผลิตภัณฑ์
6. Sonocatalysis: โพรบอัลตราโซนิกสามารถใช้สําหรับ sonocatalysis ซึ่งเป็นกระบวนการที่รวมโพรงอากาศอะคูสติกเข้ากับตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเพิ่มปฏิกิริยาเคมี โพรงอากาศที่เกิดจากคลื่นอัลตราโซนิกช่วยเพิ่มการถ่ายเทมวลเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาและส่งเสริมการผลิตอนุมูลอิสระซึ่งนําไปสู่การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่มีประสิทธิภาพและคัดเลือกได้มากขึ้น
7. การเตรียมตัวอย่าง: เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบมักใช้ในห้องปฏิบัติการสําหรับการเตรียมตัวอย่าง ใช้เพื่อทําให้เป็นเนื้อเดียวกัน แยกส่วน และสกัดตัวอย่างทางชีวภาพ เช่น เซลล์ เนื้อเยื่อ และไวรัส พลังงานอัลตราโซนิกที่เกิดจากโพรบจะขัดขวางเยื่อหุ้มเซลล์ปล่อยเนื้อหาของเซลล์และอํานวยความสะดวกในการวิเคราะห์เพิ่มเติม
8. การสลายตัวและการหยุดชะงักของเซลล์: เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบถูกนํามาใช้เพื่อสลายตัวและขัดขวางเซลล์และเนื้อเยื่อเพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆเช่นการสกัดส่วนประกอบภายในเซลล์การยับยั้งการทํางานของจุลินทรีย์หรือการเตรียมตัวอย่างสําหรับการวิเคราะห์ คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงและโพรงอากาศที่เกิดขึ้นทําให้เกิดความเครียดเชิงกลและแรงเฉือนส่งผลให้โครงสร้างเซลล์สลายตัว ในการวิจัยทางชีววิทยาและการวินิจฉัยทางการแพทย์เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบจะใช้สําหรับการสลายเซลล์ซึ่งเป็นกระบวนการทําลายเซลล์ที่เปิดเพื่อปล่อยส่วนประกอบภายในเซลล์ พลังงานอัลตราโซนิกทําลายผนังเซลล์เยื่อหุ้มเซลล์และออร์แกเนลล์ทําให้สามารถสกัดโปรตีนดีเอ็นเออาร์เอ็นเอและส่วนประกอบอื่น ๆ ของเซลล์ได้

 
สิ่งเหล่านี้เป็นการใช้งานที่สําคัญบางประการของเครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบ แต่เทคโนโลยีนี้มีการใช้งานอื่น ๆ ที่กว้างกว่ารวมถึงโซโนเคมีการลดขนาดอนุภาค (การกัดแบบเปียก) การสังเคราะห์อนุภาคจากล่างขึ้นบนและการสังเคราะห์โซโนของสารเคมีและวัสดุในอุตสาหกรรมต่างๆเช่นยาการแปรรูปอาหารเทคโนโลยีชีวภาพและวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม

ลําดับความเร็วสูง (จาก a ถึง f) ของเฟรมที่แสดงให้เห็นถึงการขัดผิวแบบกลไกของเกล็ดกราไฟท์ในน้ํา ใช้ UP200S เครื่องอัลตราโซนิก 200W พร้อม sonotrode 3 มม. ลูกศรแสดงตําแหน่งของอนุภาคที่แยกออกโดยมีฟองอากาศทะลุผ่านการแยก
© Tyurnina และคณะ 2020

วิดีโอของ Acoustic Cavitation ในของเหลว

วิดีโอต่อไปนี้สาธิตโพรงอากาศอะคูสติกที่ cascatrode ของเครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hdT ในคอลัมน์แก้วที่เต็มไปด้วยน้ํา คอลัมน์แก้วส่องสว่างจากด้านล่างด้วยแสงสีแดงเพื่อปรับปรุงการแสดงภาพของฟองอากาศ

ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: