Ультразвукові хвилі ультразвуку високої інтенсивності генерують акустичну кавітацію в рідинах. Кавітація викликає екстремальні локальні ефекти, такі як рідкі струмені до 1000 км / год, тиск до 2000 атм і температура до 5000 кельвінів. Ці ультразвуково генеровані сили використовуються для численних застосувань обробки рідини, таких як гомогенізація, диспергування, емульгування, екстракція, порушення клітин, а також інтезифікація хімічних реакцій.

Принцип роботи ультразвукової кавітації

При звукоізолюючій рідині при високій інтенсивності звукові хвилі, які поширюються в рідкі середовища, приводять до чергових циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження) з частотою залежно від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності утворюють у рідині невеликі вакуумні бульбашки або порожнини. Коли бульбашки досягають об'єму, на якому вони більше не можуть поглинати енергію, вони сильно колапсуються під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією. Під час імплозії дуже високі температури (близько 5000 K) і тисків (приблизно 2000 атм) досягаються локально. Вплив кавітаційного міхура також призводить до утворення рідких струменів до швидкості 280 м / с.

Акустична кавітація (що генерується силовим ультразвуком) створює локально екстремальні умови, так звані сономеханічні і сонохімічні ефекти. Завдяки цим ефектам ультразвукова обробка сприяє хімічним реакціям, що призводять до підвищення врожайності, більш високої швидкості реакції, нових шляхів і підвищення загальної ефективності.

Основні застосування ультразвукових апаратів, що використовують акустичну кавітацію

Ультразвукові апарати 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 генеруються ультразвуковими апаратами зондового типу, включають:
 

1. Гомогенізації: Ультразвукові зонди можуть генерувати інтенсивну кавітацію, яка характеризується як енергоємне поле вібрації та зсувних сил. Ці сили забезпечують відмінне змішування, змішування і зменшення розміру частинок. Ультразвукова гомогенізація виробляє рівномірно змішані суспензії. Тому ультразвукова обробка використовується для отримання однорідної колоїдної суспензії з вузькими кривими розподілу.
2. Дисперсія наночастинок: Ультразвукові апарати використовуються для дисперсії, деагломерації та мокрого фрезерування наночастинок. Низькочастотні ультразвукові хвилі можуть генерувати ефективну кавітацію, яка розщеплює агломерати і зменшує розмір частинок. Зокрема, високий зсув рідких струменів прискорює частинки в рідині, які стикаються один з одним (міжчастинкове зіткнення), так що частинки, отже, розриваються і вивітрюються. Це призводить до рівномірного і стабільного розподілу частинок, що запобігають осіданню. Це має вирішальне значення в різних областях, включаючи нанотехнології, матеріалознавство та фармацевтику.
3. Емульгування і змішування: Ультразвукові апарати зондового типу використовуються для створення емульсій та змішування рідин. Ультразвукова енергія викликає кавітацію, утворення і колапс мікроскопічних бульбашок, що породжує інтенсивні локальні сили зсуву. Цей процес допомагає емульгувати незмішувані рідини, виробляючи стабільні та тонкодисперсні емульсії.
4. Видобуток: Завдяки кавітаційним зсувним силам, ультразвукові апарати високоефективні в порушенні клітинних структур і для поліпшення масової передачі між твердим і рідким. Тому ультразвукова екстракція широко використовується для вивільнення внутрішньоклітинного матеріалу, такого як біологічно активні сполуки, для виробництва високоякісних ботанічних екстрактів.
5. Дегазація та деаерація: Ультразвукові апарати зондового типу використовуються для видалення бульбашок газу або розчинених газів з рідин. Застосування ультразвукової кавітації сприяє злиттю бульбашок газу, так що вони ростуть і спливають до верхньої частини рідини. Ультразвукова кавітація робить дегазацію швидкою та ефективною процедурою. Це цінно в різних галузях промисловості, таких як фарби, гідравлічні рідини або обробка продуктів харчування та напоїв, де наявність газів може негативно вплинути на якість та стабільність продукції.
6. Сонокаталіз: Ультразвукові зонди можуть бути використані для сонокаталізу, процесу, який поєднує акустичну кавітацію з каталізаторами для посилення хімічних реакцій. Кавітація, спричинена ультразвуковими хвилями, покращує передачу маси, збільшує швидкість реакції та сприяє виробленню вільних радикалів, що призводить до більш ефективних та селективних хімічних перетворень.
7. Підготовка зразка: 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 клітинні мембрани, вивільняючи клітинний вміст і полегшуючи подальший аналіз.
8. Розпад і порушення клітин: Ультразвукові апарати зондового типу використовуються для розпаду та руйнування клітин і тканин для різних цілей, таких як вилучення внутрішньоклітинних компонентів, інактивація мікробів або підготовка зразків до аналізу. Ультразвукові хвилі високої інтенсивності і тим самим генеруються кавітації викликають механічну напругу і зсувні сили, що призводить до розпаду клітинних структур. У біологічних дослідженнях та медичній діагностиці ультразвукові апарати зондового типу використовуються для лізису клітин, процесу розбиття відкритих клітин для вивільнення їх внутрішньоклітинних компонентів. Ультразвукова енергія руйнує клітинні стінки, мембрани та органели, дозволяючи витягувати білки, ДНК, РНК та інші клітинні складові.

 
Це деякі з ключових застосувань ультразвукових апаратів зондового типу, але технологія має ще ширший спектр інших застосувань, включаючи сонохімію, зменшення розміру частинок (мокре фрезерування), синтез частинок знизу вгору та соносинтез хімічних речовин та матеріалів у різних галузях промисловості, таких як фармацевтика, харчова промисловість, біотехнологія та екологічні науки.

Високошвидкісна послідовність (від a до f) кадрів, що ілюструють соно-механічне відлущування графітової пластівці у воді використовуючи UP200S, ультразвуковий пристрій потужністю 200 Вт з 3-мм сонотродом. Стрілками показано місце розщеплення частинок з кавітаційними бульбашками, що пронизують розщеплення.
© Тюрніна та ін.

Відео акустичної кавітації в рідині

Наступне відео демонструє акустичну кавітацію на каскатроді ультразвукового пристрою UIP1000hdT у заповненій водою скляній колонці. Скляна колона підсвічується знизу червоним світлом з метою поліпшення візуалізації кавітаційних бульбашок.

У таблиці нижче наведено приблизну потужність обробки наших ультразвукових пристроїв: