Застосування потужного ультразвуку за допомогою ультразвукових концентраторів

Ультразвукові концентратори або зонди широко використовуються для різноманітних застосувань обробки рідин, включаючи гомогенізацію, диспергування, мокре подрібнення, емульгацію, екстракцію, дезінтеграцію, розчинення та деаерацію. Дізнайтеся основи про ультразвукові концентратори, ультразвукові зонди та їх застосування.

Ультразвуковий концентратор проти ультразвукового зонда

Часто терміни ультразвуковий концентратор і зонд використовуються як взаємозамінні і стосуються ультразвукового стрижня, який передає ультразвукові хвилі в рідину. Інші терміни, що використовуються для ультразвукового зонда, це акустичний концентратор, сонотрод, акустичний хвилевід або ультразвуковий палець. Однак технічно існує різниця між ультразвуковим концентратором і ультразвуковим зондом.
І концентратор, і зонд відносяться до частин так званого ультразвукового апарату зондового типу. Ультразвуковий концентратор – це металева частина ультразвукового перетворювача, яка збуджується через п’єзоелектрично генеровані коливання. Ультразвуковий концентратор коливається на певній частоті, наприклад, 20kHz, що означає 20 000 коливань на секунду. Титан є переважним матеріалом для виготовлення ультразвукових концентраторів завдяки його відмінним акустичним передавальним властивостям, його міцній втомній міцності та поверхневій твердості.

Ультразвуковий зонд також називають сонотродом або ультразвуковим пальцем. Це металевий стрижень, найчастіше виготовлений з титану, який нарізаний на ультразвуковий концентратор. Ультразвуковий зонд є важливою частиною ультразвукового процесора, який передає ультразвукові хвилі в середовище, що обробляється ультразвуком. Ультразвукові зонди / сонотроди доступні в різних формах (наприклад, конічні, загострені, конусні або як Cascatrode). Хоча титан є найбільш поширеним матеріалом для ультразвукових зондів, також доступні сонотроди з нержавіючої сталі, кераміки, скла та інших матеріалів.

Оскільки ультразвуковий концентратор і зонд перебувають під постійним стисненням або розтягненням під час ультразвукової обробки, вибір матеріалу для концентратора та зонда є вирішальним. Високоякісний титановий сплав (марка 5) вважається найбільш надійним, довговічним та ефективним металом для протистояння напрузі, для підтримки високих амплітуд протягом тривалих періодів часу та для передачі акустичних і механічних властивостей.

Розчинення – поширене застосування ультразвукової обробки. У відео продемонстровано швидке розчинення кристалів цукру у воді за допомогою Hielscher UP200St.

Високопродуктивні ультразвукові апарати переважно працюють у частотному діапазоні 20-30kHz. При 20 kHz ультразвуковий зонд зазвичай є резонансним стрижнем довжиною в половину довжини хвилі, який постійно розширюється і стискається 20 000 разів на секунду. Рухи розширення та стиснення передаються як потужний ультразвук у процесне середовище, тобто рідину або суспензію, щоб виконати такі застосування, як

• ультразвукове високосервне змішування
• ультразвукове мокре подрібнення
• ультразвукове диспергування наночастинок
• ультразвукова нано-емульгація
• ультразвукова екстракція
• ультразвукова дезінтеграція
• ультразвукове руйнування клітин і лізис
• ультразвукове дегазування та деаерація
• сонохімія (соно-синтез, соно-каталіз)

Як працює потужний ультразвук? – Принцип дії акустичної кавітації

Для високоефективних ультразвукових застосувань, таких як гомогенізація, зменшення розміру частинок, дезінтеграція або нанодисперсії, ультразвук високої інтенсивності та низької частоти генерується ультразвуковим перетворювачем і передається через ультразвуковий концентратор і зонд (сонотрод) у рідину. Потужний ультразвук вважається ультразвуком у діапазоні 16-30kHz. Ультразвуковий зонд розширюється і стискається, наприклад, при 20kHz, тим самим передаючи відповідно 20 000 коливань на секунду в середовище. Коли ультразвукові хвилі проходять через рідину, чергування циклів високого тиску (стиснення) / низького тиску (розрідження / розширення) створюють крихітні порожнини (вакуумні бульбашки), які зростають протягом кількох циклів тиску. Під час фази стиснення рідини та бульбашок тиск є додатним, тоді як фаза розрідження створює вакуум (негативний тиск). Під час циклів стиснення-розширення порожнини в рідині зростають, доки не досягнуть розміру, при якому вони не можуть поглинати подальшу енергію. У цей момент вони імплідують насильно. Імплосія цих порожнин призводить до різних високоенергетичних ефектів, які відомі як явище акустичної / ультразвукової кавітації. Акустична кавітація характеризується різноманітними високоенергетичними ефектами, які впливають на рідини, системи тверде/рідке, а також системи газ/рідина. Зона з високою концентрацією енергії або кавітаційна зона відома як так звана зона гарячих точок, яка є найбільш енергонасиченою в безпосередній близькості від ультразвукового зонда і зменшується зі збільшенням відстані від сонотрода. Основні характеристики ультразвукової кавітації включають локально виникаючі дуже високі температури та тиски та відповідні диференціали, турбулентності та потоки рідини. Під час імплосії ультразвукових порожнин в ультразвукових гарячих точках можна виміряти температури до 5000 Kelvin, тиски до 200 атмосфер і струмені рідини зі швидкістю до 1000km/h. Ці видатні енергонасичені умови сприяють сономеханічним і сонохімічним ефектам, які інтенсифікують процеси та хімічні реакції різними способами.
Основний вплив ультразвукової обробки на рідини та суспензії полягає в наступному:

• Високий зсув: Ультразвукові високосервні сили руйнують рідини та системи рідина-тверде, спричиняючи інтенсивне перемішування, гомогенізацію та масоперенесення.
• Удар: Струмені рідини та потоки, що генеруються ультразвуковою кавітацією, прискорюють тверді частинки в рідинах, що згодом призводить до міжчастинкового зіткнення. Коли частинки зіштовхуються на дуже високих швидкостях, вони еродуються, розколюються і подрібнюються та диспергуються дрібно, часто до нанорозміру. Для біологічної матерії, тако як рослинні матеріали, високосхидкі струмені рідини та чергування циклів тиску руйнують клітинні стінки та вивільняють внутрішньоклітинний матеріал. Це призводить до високоефективної екстракції біоактивних сполук та однорідного змішування біологічної матерії.
• Перемішування: Ультразвукова обробка спричиняє інтенсивні турбулентності, зсувні сили та мікрорухи в рідині або суспензії. Таким чином, ультразвукова обробка завжди інтенсифікує масоперенесення і тим самим прискорює реакції та процеси.

Ультразвукові гомогенізатори та високосервні змішувачі використовуються майже в будь-якій переробній промисловості, яка працює з рідинами або суспензіями. Інтенсивні ультразвукові кавітаційні сили створюють інтенсивне перемішування, зсув, руйнування частинок та масоперенесення. Таким чином, рідини гомогенізуються, диспергуються, емульгуються, екстрагуються, розчиняються і/або ініціюються хімічні реакції. Загалом, ультразвукова обробка є методом інтенсифікації процесів, який збільшує вихід, покращує коефіцієнти перетворення та робить процеси більш ефективними.
Поширені ультразвукові застосування в промисловості охоплюють багато галузей харчової та фармацевтичної промисловості, тонкої хімії, енергетики та нафтохімії, переробки, біопереробних заводів тощо, і включають наступне:

• ультразвуковий синтез біодизеля
• ультразвукова гомогенізація фруктових соків
• ультразвукове виробництво вакцин
• ультразвукова переробка літій-іонних батарей
• ультразвуковий синтез наноматеріалів
• ультразвукова формуляція фармацевтичних препаратів
• ультразвукова нано-емульгація CBD
• ультразвукова екстракція рослинних матеріалів
• ультразвукова підготовка зразків у лабораторіях
• ультразвукове дегазування рідин
• ультразвукова десульфуризація нафти
• та багато інших …

Ультразвукові концентратори та зонди для високоефективних застосувань

Hielscher Ultrasonics є багаторічним досвідченим виробником і дистриб’ютором потужних ультразвукових апаратів, які використовуються у всьому світі для важких застосувань у багатьох промисловостях.
З ультразвуковими процесорами всіх розмірів від 50 ват до 16kW на пристрій, зондами різних розмірів і форм, ультразвуковими реакторами з різними об’ємами та геометріями, Hielscher Ultrasonics має правильне обладнання для налаштування ідеальної ультразвукової установки для вашого застосування.
Нижче наведена таблиця дає вам уявлення про приблизну переробну потужність наших ультразвукових апаратів: