Ультразвукова кавітація в рідинах
Ультразвукова кавітація є рушійною силою високоінтенсивної ультразвукової обробки рідин. Коли потужний ультразвук вводиться в рідину, у ній утворюються, ростуть і різко схлопуються мікроскопічні бульбашки пари. Ця акустична кавітація створює інтенсивні локальні зсувні сили, мікрострумені, ударні хвилі, зміни тиску та ефекти мікроперемішування, які можуть прискорювати гомогенізацію, диспергування, емульгування, екстракцію, дегазацію, руйнування клітин і сонохімічні реакції.
Ультразвукові апарати зондового типу Hielscher використовують керовану акустичну кавітацію для передавання ультразвукової енергії безпосередньо в рідини, суспензії та пульпи. Від малих лабораторних зразків до безперервного промислового виробництва в проточному режимі – системи Hielscher дають змогу регулювати амплітуду, геометрію сонотрода, тиск, температуру, об’ємну витрату та час перебування для отримання відтворюваних результатів кавітаційної обробки.
- Для лабораторій: розробляйте та оптимізуйте параметри ультразвукової обробки в малих об’ємах.
- Для пілотних установок: перевіряйте процеси, що ґрунтуються на кавітації, у реалістичних умовах обробки.
- Для виробництва: масштабуйте ультразвукову кавітацію для періодичних, рециркуляційних або безперервних процесів обробки в потоці.
Повідомте нам, яку рідину ви обробляєте, об’єм партії або об’ємну витрату, в’язкість, вміст твердих речовин, температурні обмеження та цільовий результат процесу. Ми порекомендуємо оптимальну конфігурацію ультразвукового апарата, сонотрода та проточної комірки для вашого кавітаційного застосування.
Ультразвукові апарати зондового типу, як-от UP400St, працюють за принципом акустичної кавітації.
Принцип дії ультразвукової кавітації
Під час високоінтенсивної ультразвукової обробки рідин звукові хвилі, що поширюються в рідкому середовищі, спричиняють чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження), швидкість чергування яких залежить від частоти. Під час циклу низького тиску високоінтенсивні ультразвукові хвилі створюють у рідині невеликі вакуумні бульбашки або порожнини. Коли бульбашки досягають об’єму, за якого вони більше не можуть поглинати енергію, вони різко схлопуються під час циклу високого тиску. Це явище називають кавітацією. Під час імплозії локально досягаються дуже високі температури (прибл. 5 000K) і тиски (прибл. 2 000atm). Імплозія кавітаційної бульбашки також спричиняє утворення струменів рідини зі швидкістю до 280m/s.
Акустична кавітація (створена потужним ультразвуком) локально створює екстремальні умови – так звані сономеханічні та сонохімічні ефекти. Завдяки цим ефектам ультразвукова обробка сприяє хімічним реакціям, забезпечуючи вищий вихід, більшу швидкість реакцій, нові шляхи їх перебігу та підвищену загальну ефективність.
Ультразвуковий апарат зондового типу чи ультразвукова ванна: який метод кавітації обрати?
І ультразвукові апарати зондового типу, і ультразвукові ванни створюють акустичну кавітацію, проте суттєво відрізняються за інтенсивністю, можливостями керування та надійністю процесу. Ультразвукові ванни корисні для очищення, тоді як ультразвукові апарати зондового типу вводять ультразвукову енергію безпосередньо в рідину та створюють набагато потужнішу, зосереджену зону кавітації. Завдяки цьому ультразвукові апарати зондового типу є кращим вибором для відтворюваної обробки рідин, зокрема гомогенізації, емульгування, екстракції, руйнування клітин, диспергування наночастинок і сонохімічних реакцій.
| Критерії порівняння | Ультразвуковий апарат зондового типу | Ультразвукова ванна |
|---|---|---|
| Інтенсивність кавітації | Створює високоінтенсивну акустичну кавітацію безпосередньо біля кінчика сонотрода. | Створює слабшу кавітацію, розподілену по всьому об’єму ванни. |
| Передавання енергії | Передає ультразвукову енергію безпосередньо в рідину, суспензію або пульпу. | Передає енергію опосередковано через рідину у ванні та стінку посудини. |
| Керування процесом | Дає змогу точно регулювати амплітуду, підведену потужність, імпульсний режим, температуру та час обробки. | Забезпечує обмежений контроль над фактичною ультразвуковою енергією, що надходить до зразка. |
| Відтворюваність | Забезпечує відтворювані результати ультразвукової обробки, коли параметри процесу визначені та контролюються. | Результати можуть варіюватися через нерівномірний розподіл кавітації, положення посудини, матеріал посудини, рівень заповнення та завантаження ванни. |
| Ефективність обробки | Високоефективний для гомогенізації, диспергування, емульгування, екстракції, руйнування клітин і сонохімії. | Придатна переважно для очищення. |
| Об’єм зразка | Доступний для роботи як із малими лабораторними зразками, так і з об’ємами пілотного та промислового масштабу. | Зазвичай використовується для невеликих посудин або кількох ємностей, розміщених усередині ванни. |
| Масштабування | Можна масштабувати від лабораторних досліджень до пілотних випробувань і безперервної промислової обробки в потоці. | Надійне масштабування утруднене, оскільки розподіл енергії та інтенсивність кавітації нелегко відтворити в іншому масштабі. |
| Придатні середовища | Ефективний для рідин, емульсій, суспензій, шламів і композицій із високим вмістом твердих речовин. | Найкраще підходить для рідин із низькою в’язкістю та простих завдань очищення або дегазації. |
| Типові застосування | Диспергування наночастинок, наноемульсії, екстракція, лізис клітин, гомогенізація, деагломерація, мокре подрібнення та сонохімічні реакції. | Очищення лабораторного скляного посуду, дегазація рідин, розчинення порошків і м’яке перемішування зразків. |
| Найкращий вибір для | Контрольованої, потужної та відтворюваної ультразвукової обробки рідин. | Простого очищення або ультразвукової обробки низької інтенсивності. |
Основні застосування ультразвукових оброблювачів та акустичної кавітації
Ультразвукові оброблювачі зондового типу, також відомі як ультразвукові зонди, ефективно генерують інтенсивну акустичну кавітацію в рідинах. Тому їх широко використовують для різноманітних завдань у різних галузях промисловості. До найважливіших застосувань акустичної кавітації, яку генерують ультразвукові оброблювачі зондового типу, належать:
- Гомогенізація: Ультразвукові зонди можуть генерувати інтенсивну кавітацію, яка характеризується як поле коливань і зсувних сил із високою щільністю енергії. Ці сили забезпечують відмінне перемішування, змішування та зменшення розміру частинок. Ультразвукова гомогенізація дає змогу отримувати рівномірно перемішані суспензії. Тому ультразвукову обробку використовують для отримання однорідної колоїдної суспензії з вузькими кривими розподілу.
- Диспергування наночастинок: Ультразвукові оброблювачі застосовують для диспергування, деагломерації та мокрого подрібнення наночастинок. Низькочастотні ультразвукові хвилі можуть генерувати потужну кавітацію, яка руйнує агломерати та зменшує розмір частинок. Зокрема, інтенсивний зсув у струменях рідини прискорює частинки в рідині, які стикаються одна з одною (міжчастинкові зіткнення), унаслідок чого частинки руйнуються та зазнають ерозії. Це забезпечує рівномірний і стабільний розподіл частинок, запобігаючи осадженню. Це має вирішальне значення в різних галузях, зокрема в нанотехнологіях, матеріалознавстві та фармацевтиці.
- Емульгування та змішування: Ультразвукові оброблювачі зондового типу використовують для створення емульсій і змішування рідин. Ультразвукова енергія спричиняє кавітацію – утворення та схлопування мікроскопічних бульбашок, що генерує інтенсивні локальні зсувні сили. Цей процес сприяє емульгуванню взаємно незмішуваних рідин з утворенням стабільних дрібнодисперсних емульсій.
- Екстракція: Завдяки кавітаційним зсувним силам ультразвукові оброблювачі високоефективні для руйнування клітинних структур і поліпшення масоперенесення між твердою та рідкою фазами. Тому ультразвукову екстракцію широко використовують для вивільнення внутрішньоклітинних речовин, зокрема біоактивних сполук, для виробництва високоякісних рослинних екстрактів.
- Дегазація та деаерація: Ультразвукові оброблювачі зондового типу застосовують для видалення газових бульбашок або розчинених газів із рідин. Застосування ультразвукової кавітації сприяє коалесценції газових бульбашок, завдяки чому вони збільшуються та спливають до поверхні рідини. Ультразвукова кавітація робить дегазацію швидкою та ефективною процедурою. Це цінно для різних галузей, зокрема виробництва фарб, гідравлічних рідин або переробки харчових продуктів і напоїв, де наявність газів може негативно впливати на якість і стабільність продукції.
- Сонокаталіз: Ультразвукові зонди можна використовувати для сонокаталізу – процесу, що поєднує акустичну кавітацію з каталізаторами для посилення хімічних реакцій. Кавітація, спричинена ультразвуковими хвилями, покращує масоперенесення, підвищує швидкість реакцій і сприяє утворенню вільних радикалів, забезпечуючи ефективніші та селективніші хімічні перетворення.
- Підготовка зразків: Ультразвукові апарати зондового типу широко використовують у лабораторіях для підготовки зразків. Їх застосовують для гомогенізації, дезагрегації та екстрагування біологічних зразків, зокрема клітин, тканин і вірусів. Ультразвукова енергія, яку генерує зонд, руйнує клітинні мембрани, вивільняючи вміст клітин і полегшуючи подальший аналіз.
- Дезінтеграція та руйнування клітин: Ультразвукові апарати зондового типу застосовують для дезінтеграції та руйнування клітин і тканин із різною метою, зокрема для екстракції внутрішньоклітинних компонентів, інактивації мікроорганізмів або підготовки зразків до аналізу. Високоінтенсивні ультразвукові хвилі та спричинена ними кавітація створюють механічні напруження й зсувні сили, що призводять до дезінтеграції клітинних структур. У біологічних дослідженнях і медичній діагностиці ультразвукові апарати зондового типу використовують для лізису клітин – процесу руйнування клітин для вивільнення їхніх внутрішньоклітинних компонентів. Ультразвукова енергія руйнує клітинні стінки, мембрани та органели, уможливлюючи екстракцію білків, ДНК, РНК та інших клітинних складників.
Це деякі з основних застосувань ультразвукових апаратів зондового типу, проте ця технологія має ще ширший спектр інших застосувань, зокрема сонохімію, зменшення розміру частинок (мокре подрібнення), синтез частинок за принципом «знизу вгору» та соносинтез хімічних речовин і матеріалів у різних галузях, як-от фармацевтика, харчова промисловість, біотехнологія та науки про довкілля.
Високошвидкісна послідовність кадрів (від a до f), що ілюструє сономеханічне розшарування лусочки графіту у воді за допомогою UP200S – ультразвукового апарата потужністю 200W із 3-mm сонотродом. Стрілки показують місце розщеплення частинок із кавітаційними бульбашками, що проникають у щілину.
© Tyurnina et al. 2020
Скористайтеся перевагами ультразвукової кавітації!
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових апаратів:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| від 1 до 500mL | від 10 до 200mL/min | UP100H |
| від 10 до 2000mL | від 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| від 0,1 до 20L | від 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| від 10 до 100L | від 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | від 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | більша | кластер із UIP16000 |
Відео акустичної кавітації в рідині
Наступне відео демонструє акустичну кавітацію біля каскатрода ультразвукового апарата UIP1000hdT у скляній колоні, заповненій водою. Скляну колону підсвічують знизу червоним світлом, щоб покращити візуалізацію кавітаційних бульбашок.
Hielscher Ultrasonics виробляє високопродуктивні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторному, пілотному та промисловому масштабах.
Поширені запитання
Що таке ультразвукова кавітація?
Ультразвукова кавітація – це утворення, зростання та різке схлопування мікроскопічних бульбашок у рідині під дією високоінтенсивного ультразвуку. Схлопування цих бульбашок створює інтенсивний локальний зсув, мікрострумені рідини, ударні хвилі, високі градієнти тиску та потужні ефекти мікроперемішування.
У чому різниця між ультразвуковою та акустичною кавітацією?
Акустична кавітація – це загальний термін для кавітації, спричиненої звуковими хвилями. Ультразвукова кавітація – це акустична кавітація, що виникає під дією ультразвукових частот, зазвичай вище діапазону чутності. У промисловій обробці рідин обидва терміни часто використовують для позначення кавітації, створюваної потужними ультразвуковими апаратами.
Як ультразвукова кавітація покращує обробку рідин?
Ультразвукова кавітація покращує обробку рідин, створюючи інтенсивні механічні та хімічні ефекти всередині рідини. Механічні ефекти сприяють змішуванню, гомогенізації, емульгуванню, деагломерації частинок, мокрому подрібненню, екстракції та руйнуванню клітин. У реакційних системах кавітація також може сприяти сонохімічним ефектам і покращувати масоперенесення.
У яких застосуваннях використовують ультразвукову кавітацію?
Ультразвукову кавітацію використовують для гомогенізації, диспергування, емульгування, наноемульгування, екстракції, дегазації, деагломерації, зменшення розміру частинок, лізису клітин, руйнування мікроорганізмів, сонохімії, сонокаталізу та передових рідиннофазних реакцій.
Чому ультразвукові апарати зондового типу ефективні для створення кавітації?
Ультразвукові апарати зондового типу передають ультразвукову енергію безпосередньо в рідину через сонотрод. Таке безпосереднє введення енергії створює інтенсивну кавітаційну зону поблизу поверхні зонда та дає змогу точно регулювати важливі параметри процесу, як-от амплітуду, підведену потужність, температуру, тиск і тривалість обробки.
Чи підходить ультразвукова ванна для інтенсивної кавітації?
Ультразвукові ванни створюють кавітацію, проте густина енергії зазвичай значно нижча, а її зосередженість менша, ніж у разі використання ультразвукового апарата зондового типу. Ванни корисні для очищення та м’якої обробки, тоді як для відтворюваної гомогенізації, екстракції, емульгування, диспергування, руйнування клітин і промислової обробки рідин перевагу надають ультразвуковим апаратам зондового типу.
Читайте та дивіться, чим відрізняються ультразвукові апарати зондового типу й ультразвукові ванни!
Які параметри впливають на інтенсивність ультразвукової кавітації?
До важливих параметрів належать амплітуда, ультразвукова потужність, площа поверхні сонотрода, об’єм рідини, в’язкість, вміст твердих речовин, тиск, температура, геометрія посудини, геометрія проточної комірки, об’ємна витрата та час перебування. Регулювання цих параметрів дає змогу адаптувати інтенсивність кавітації до мети процесу.
Чи можна масштабувати ультразвукову кавітацію від лабораторії до виробництва?
Так. Процеси ультразвукової кавітації можна розробляти на лабораторних об’ємах і переносити на пілотний або промисловий масштаб, контролюючи амплітуду, підведену енергію, геометрію сонотрода, об’ємну витрату та час перебування. Hielscher пропонує ультразвукові апарати й реактори для лабораторних випробувань, пілотних випробувань і безперервного промислового виробництва.
Література / Джерела
- 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 виготовляє високопродуктивні ультразвукові гомогенізатори від лабораторних до промислових розмірів.