Ультразвукова кавітація в рідинах
Ультразвукова кавітація є рушійною силою високоінтенсивної ультразвукової обробки рідин. Коли потужний ультразвук передається в рідину, утворюються мікроскопічні бульбашки пари, які швидко зростають і бурхливо руйнуються. Ця акустична кавітація створює інтенсивні локальні зсувні сили, мікрострумені, ударні хвилі, зміни тиску та ефекти мікрозмішування, що можуть прискорювати гомогенізацію, диспергування, емульгування, екстракцію, дегазацію, руйнування клітин та сонохімічні реакції.
Ультразвукові апарати Hielscher з зондовим типом насадки використовують керовану акустичну кавітацію для передачі ультразвукової енергії безпосередньо в рідини, суспензії та суспензійні суміші. Від невеликих лабораторних зразків до безперервного промислового поточного виробництва — системи Hielscher дозволяють регулювати амплітуду, геометрію сонотрода, тиск, температуру, швидкість потоку та час перебування для отримання відтворюваних результатів кавітації.
- Для лабораторій: розробляти та оптимізувати параметри ультразвукової обробки в невеликих обсягах.
- Для пілотних установок: перевірити процеси, що базуються на кавітації, в реальних умовах обробки.
- Для виробництва: застосовувати ультразвукову кавітацію в періодичних, рециркуляційних або безперервних потокових процесах.
Повідомте нам дані про рідину, об’єм партії або швидкість потоку, в’язкість, вміст твердих частинок, граничні значення температури та бажаний результат процесу. Ми підберемо для вас оптимальну конфігурацію ультразвукового апарата, сонотрода та проточній камери відповідно до ваших потреб у кавітації.
Ультразвукові апарати з датчиком, такі як UP400St використовують принцип роботи акустичної кавітації.
Принцип роботи ультразвукової кавітації
При ультразвуковому синтезі рідин з високою інтенсивністю звукові хвилі, які поширюються в рідкі середовища, призводять до чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження) зі швидкістю в залежності від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності створюють невеликі вакуумні бульбашки або порожнечі в рідині. Коли бульбашки досягають об'єму, при якому вони більше не можуть поглинати енергію, вони сильно руйнуються під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією. Під час імплозії локально досягаються дуже високі температури (приблизно 5 000 К) і тиск (приблизно 2 000 атм). Імплозія кавітаційного міхура також призводить до утворення струменів рідини зі швидкістю до 280 м/с.
Акустична кавітація (породжується енергетичним ультразвуком) створює локально екстремальні умови, так звані сономеханічні та сонохімічні ефекти. Завдяки цим ефектам ультразвук сприяє хімічним реакціям, що призводить до вищих виходів, швидшої швидкості реакції, нових шляхів і покращення загальної ефективності.
Ультразвуковий пробник чи ультразвукова ванна: який метод кавітації обрати?
Як ультразвукові пробники, так і ультразвукові ванни створюють акустичну кавітацію, але вони суттєво відрізняються за інтенсивністю, можливістю регулювання та надійністю процесу. Ультразвукові ванни корисні для очищення, тоді як зондові ультразвукові прилади передають ультразвукову енергію безпосередньо в рідину та створюють набагато сильнішу зону сфокусованої кавітації. Це робить зондові ультразвукові прилади кращим вибором для застосувань з відтворюваною обробкою рідин, таких як гомогенізація, емульгування, екстракція, руйнування клітин, диспергування наночастинок та сонохімічні реакції.
| Критерії порівняння | зондовий ультразвуковий апарат | Ультразвукова ванна |
|---|---|---|
| інтенсивність кавітації | Створює високоінтенсивну акустичну кавітацію безпосередньо на кінчику сонотрода. | Створює слабшу кавітацію, розподілену по всьому об’єму ванни. |
| Передача енергії | Передає ультразвукову енергію безпосередньо в рідину, суспензію або шлам. | Енергія передається опосередковано через рідину у ванні та стінки ємності. |
| Управління процесом | Дозволяє точно регулювати амплітуду, вхідну потужність, імпульсний режим, температуру та час обробки. | Забезпечує обмежений контроль над фактичною ультразвуковою енергією, що надходить до зразка. |
| Відтворюваність | Забезпечує стабільні результати ультразвукової обробки за умови визначення та контролю технологічних параметрів. | Результати можуть відрізнятися через нерівномірний розподіл кавітації, положення посудини, матеріал посудини, рівень наповнення та завантаження ванни. |
| Ефективність обробки | Високоефективний для гомогенізації, диспергування, емульгування, екстракції, руйнування клітин та сонохімії. | Підходить переважно для прибирання. |
| Обсяг вибірки | Доступно як для невеликих лабораторних зразків, так і для пілотних та промислових обсягів. | Зазвичай використовується для невеликих ємностей або декількох контейнерів, розміщених усередині ванни. |
| Масштабування | Може бути масштабовано від лабораторних випробувань до пілотних випробувань і безперервної промислової потокової обробки. | Складно забезпечити надійне масштабування, оскільки розподіл енергії та інтенсивність кавітації важко перенести на інші умови. |
| Відповідні носії | Підходить для рідин, емульсій, суспензій, шламів та сумішей з високим вмістом твердих речовин. | Найкраще підходить для рідин з низькою в'язкістю та для виконання простих завдань з очищення або дегазації. |
| Типові застосування | Диспергування наночастинок, наноемульсії, екстракція, лізис клітин, гомогенізація, деагломерація, мокре подрібнення та ультразвукові реакції. | Миття скляного посуду, дегазація рідин, розчинення порошків та легке перемішування зразків. |
| Найкращий вибір для | Контрольована, потужна та відтворювана ультразвукова обробка рідин. | Просте очищення або ультразвукова обробка низької інтенсивності. |
Основні сфери застосування ультразвукових приладів та акустичної кавітації
Ультразвукові датчики зондового типу, також відомі як ультразвукові зонди, ефективно генерують інтенсивну акустичну кавітацію в рідинах. Тому вони широко використовуються в різних сферах застосування в різних галузях промисловості. Деякі з найважливіших застосувань акустичної кавітації, що генерується ультразвуковими пристроями зондового типу, включають:
- Гомогенізації: Ультразвукові зонди можуть генерувати інтенсивну кавітацію, яка характеризується як енергетично насичене поле сил вібрації та зсуву. Ці сили забезпечують чудове змішування, змішування та зменшення розміру частинок. При ультразвуковій гомогенізації утворюються рівномірно змішані суспензії. Тому за допомогою ультразвуку отримують гомогенну колоїдну суспензію з вузькими кривими розподілу.
- Дисперсія наночастинок: Ультразвукові апарати використовуються для диспергування, деагломерації та мокрого подрібнення наночастинок. Низькочастотні ультразвукові хвилі можуть генерувати ударну кавітацію, яка розщеплює агломери та зменшує розмір частинок. Зокрема, високий зсув струменів рідини прискорює частинки в рідині, які стикаються один з одним (міжчастинкове зіткнення), так що частинки відповідно ламаються і розмиваються. Це призводить до рівномірного і стабільного розподілу частинок, що запобігає осіданню. Це має вирішальне значення в різних галузях, включаючи нанотехнології, матеріалознавство та фармацевтику.
- Емульгування та змішування: Ультразвукові апарати зондового типу використовуються для створення емульсій і змішування рідин. Ультразвукова енергія викликає кавітацію, утворення і руйнування мікроскопічних бульбашок, що породжує інтенсивні локальні сили зсуву. Цей процес допомагає емульгувати рідини, що не змішуються, виробляючи стабільні та тонкодисперсні емульсії.
- Видобуток: Завдяки кавітаційним силам зсуву, ультразвукові апарати дуже ефективні для руйнування клітинних структур і для поліпшення масообміну між твердим і рідким тілом. Тому ультразвукова екстракція широко використовується для вивільнення внутрішньоклітинного матеріалу, такого як біологічно активні сполуки, для виробництва високоякісних рослинних екстрактів.
- Дегазація та деаерація: Ультразвукові апарати зондового типу використовуються для видалення бульбашок газу або розчинених газів з рідин. Застосування ультразвукової кавітації сприяє злиттю бульбашок газу, завдяки чому вони ростуть і спливають до верхньої частини рідини. Ультразвукова кавітація робить дегазацію швидкою та ефективною процедурою. Це цінно в різних галузях, таких як фарби, гідравлічні рідини або переробка харчових продуктів і напоїв, де наявність газів може негативно вплинути на якість і стабільність продукції.
- Сонокаталіз: Ультразвукові зонди можуть бути використані для сонокаталізу - процесу, який поєднує акустичну кавітацію з каталізаторами для посилення хімічних реакцій. Кавітація, що генерується ультразвуковими хвилями, покращує масообмін, збільшує швидкість реакції та сприяє виробленню вільних радикалів, що призводить до більш ефективних і селективних хімічних перетворень.
- Підготовка зразків: Ультразвукові апарати зондового типу зазвичай використовуються в лабораторіях для підготовки зразків. Вони використовуються для гомогенізації, дезагрегації та вилучення біологічних зразків, таких як клітини, тканини та віруси. Ультразвукова енергія, що генерується зондом, порушує роботу клітинних мембран, вивільняючи клітинний вміст і полегшуючи подальший аналіз.
- Розпад і руйнування клітин: Ультразвукові апарати зондового типу використовуються для розпаду та руйнування клітин і тканин для різних цілей, таких як екстракція внутрішньоклітинних компонентів, інактивація мікроорганізмів або підготовка зразків для аналізу. Ультразвукові хвилі високої інтенсивності і породжена ними кавітація викликають механічні навантаження і зсувні сили, що призводить до розпаду клітинних структур. У біологічних дослідженнях і медичній діагностиці ультразвукові апарати зондового типу використовуються для лізису клітин - процесу розщеплення клітин з метою вивільнення їх внутрішньоклітинних компонентів. Ультразвукова енергія руйнує клітинні стінки, мембрани та органели, що дозволяє екстрагувати білки, ДНК, РНК та інші клітинні компоненти.
Це деякі з ключових застосувань ультразвукових систем зондового типу, але ця технологія має ще ширший спектр інших застосувань, включаючи сонохімію, зменшення розміру частинок (мокре подрібнення), синтез частинок знизу вгору та соносинтез хімічних речовин і матеріалів у різних галузях промисловості, таких як фармацевтика, харчова промисловість, біотехнологія та науки про навколишнє середовище.
Високошвидкісна послідовність (від a до f) кадрів, що ілюструють сономеханічне відлущування графітової лусочки у воді за допомогою UP200S, ультразвукового апарату потужністю 200 Вт з сонотродом 3 мм. Стрілками показано місце розщеплення частинок з кавітаційними бульбашками, що проникають в розщеплення.
© Тюрніна та ін., 2020
Скористайтеся перевагами ультразвукової кавітації!
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Відео акустичної кавітації в рідині
У наступному відео демонструється акустична кавітація на каскатроді ультразвукового апарату UIP1000hdT в заповненій водою скляній колонці. Скляна колонка підсвічується знизу червоним світлом з метою поліпшення візуалізації кавітаційних бульбашок.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Поширені запитання
Що таке ультразвукова кавітація?
Ультразвукова кавітація — це процес утворення, зростання та бурхливого руйнування мікроскопічних бульбашок у рідині під дією ультразвуку високої інтенсивності. Руйнування цих бульбашок супроводжується виникненням інтенсивних локальних зсувів, мікроструменів рідини, ударних хвиль, значних градієнтів тиску та сильних ефектів мікроперемішування.
У чому полягає різниця між ультразвуковою кавітацією та акустичною кавітацією?
«Акустична кавітація» — це загальний термін, що позначає кавітацію, спричинену звуковими хвилями. Ультразвукова кавітація — це акустична кавітація, що генерується ультразвуковими частотами, зазвичай поза межами чутного діапазону. У промисловій обробці рідин обидва терміни часто використовуються для позначення кавітації, що створюється потужними ультразвуковими приладами.
Як ультразвукова кавітація покращує обробку рідин?
Ультразвукова кавітація покращує обробку рідин завдяки створенню інтенсивних механічних та хімічних ефектів усередині рідини. Механічні ефекти сприяють перемішуванню, гомогенізації, емульгуванню, деагломерації частинок, мокрому подрібненню, екстракції та руйнуванню клітин. У реакційних системах кавітація також може посилювати сонохімічні ефекти та покращувати масообмін.
У яких сферах застосування використовується ультразвукова кавітація?
Ультразвукову кавітацію застосовують для гомогенізації, диспергування, емульгування, наноемульгування, екстракції, дегазації, деагломерації, подрібнення частинок, лізису клітин, руйнування мікроорганізмів, сонохімії, сонокаталізу та складних реакцій у рідкій фазі.
Чому ультразвукові прилади з датчиком ефективні для створення кавітації?
Ультразвукові прилади з датчиком передають ультразвукову енергію безпосередньо в рідину через сонотрод. Таке пряме передавання енергії створює зону інтенсивної кавітації поблизу поверхні датчика та дозволяє точно регулювати такі важливі параметри процесу, як амплітуда, вхідна потужність, температура, тиск і час обробки.
Чи підходить ультразвукова ванна для сильної кавітації?
Ультразвукові ванни створюють кавітацію, але щільність енергії в них зазвичай набагато нижча і менш сконцентрована, ніж у зондових ультразвукових приладів. Ванни доцільно використовувати для очищення та м’якої обробки, тоді як зондові ультразвукові прилади є кращим вибором для відтворюваної гомогенізації, екстракції, емульгування, диспергування, руйнування клітин та промислової обробки рідин.
Прочитайте та подивіться, чим відрізняються ультразвукові апарати з зондовим насадками від ультразвукових ванн!
Які параметри впливають на інтенсивність ультразвукової кавітації?
До важливих параметрів належать амплітуда, потужність ультразвуку, площа поверхні сонотрода, об’єм рідини, в’язкість, вміст твердих частинок, тиск, температура, геометрія ємності, геометрія проточно-пробної комірки, швидкість потоку та час перебування. Регулювання цих параметрів дозволяє адаптувати інтенсивність кавітації до поставлених технологічних завдань.
Чи можна застосувати ультразвукову кавітацію на промисловому рівні?
Так. Процеси ультразвукової кавітації можна розробляти в лабораторних умовах і переносити на пілотний або промисловий рівень шляхом регулювання амплітуди, потужності, геометрії сонотрода, витрати рідини та часу перебування. Компанія Hielscher пропонує ультразвукові апарати та реактори для лабораторних випробувань, пілотних дослідів та безперервного промислового виробництва.
Література / Список літератури
- 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 виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторії до промислові розміри.