Ультразвукова кавітація в рідинах
Ультразвукові хвилі ультразвуку високої інтенсивності породжують акустичну кавітацію в рідинах. Кавітація викликає екстремальні локальні ефекти, такі як струмені рідини зі швидкістю до 1000 км/год, тиск до 2000 атм і температура до 5000 Кельвінів. Ці ультразвукові сили використовуються для численних застосувань обробки рідин, таких як гомогенізація, диспергування, емульгування, екстракція, руйнування клітин, а також для інтенсифікації хімічних реакцій.
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.
Ультразвукові апарати зондового типу, такі як UP400St використовують принцип роботи акустичної кавітації.
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.
Основні сфери застосування ультразвукових апаратів з використанням 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:
Потужна ультразвукова кавітація в ультразвуковому каскатроде Hielscher
- 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
Ультразвукова кавітація на каскатродному зонді ультразвукового апарату UIP1000hdT (1000 Вт, 20кГц) у скляному реакторі.
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.
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
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 |
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
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.