Suyuqliklarda ultratovushli kavitatsiya
Ultratovushli kavitatsiya suyuqliklarga yuqori intensivlikdagi ultratovush bilan ishlov berishning harakatlantiruvchi kuchidir. Kuchli ultratovush suyuqlikka uzatilganda, mikroskopik bugʻ pufakchalari hosil boʻladi, oʻsadi va shiddat bilan qulaydi. Bu akustik kavitatsiya gomogenizatsiya, disperslash, emulsiyalash, ekstraksiya, gazsizlantirish, hujayralarni parchalash va sonokimyoviy reaksiyalarni tezlashtirishi mumkin boʻlgan kuchli mahalliy siljish kuchlari, mikrooqimchalar, zarba toʻlqinlari, bosim oʻzgarishlari va mikroaralashtirish taʼsirlarini hosil qiladi.
Hielscher zondli sonikatorlari ultratovush energiyasini bevosita suyuqliklar, suspenziyalar va shlamlarga uzatish uchun boshqariladigan akustik kavitatsiyadan foydalanadi. Kichik laboratoriya namunalaridan tortib uzluksiz sanoat oqimli ishlab chiqarishigacha, Hielscher tizimlari takrorlanuvchan kavitatsiya natijalari uchun amplituda, sonotrod geometriyasi, bosim, harorat, hajmiy oqim tezligi va turish vaqtini sozlash imkonini beradi.
- Laboratoriyalar uchun: kichik hajmlarda ultratovush bilan ishlov berish parametrlarini ishlab chiqing va optimallashtiring.
- Tajriba-sanoat qurilmalari uchun: kavitatsiya taʼsirida kechadigan jarayonlarni haqiqiy ishlov berish sharoitlarida tasdiqlang.
- Ishlab chiqarish uchun: ultratovushli kavitatsiyani partiyali, retsirkulyatsiyali yoki uzluksiz oqim liniyasidagi jarayonlar miqyosiga kengaytiring.
Suyuqligingiz, partiya hajmi yoki hajmiy oqim tezligi, qovushqoqligi, qattiq moddalar miqdori, harorat chegaralari va jarayondan kutilayotgan natija haqida bizga maʼlumot bering. Kavitatsiyadan foydalanadigan ilovangiz uchun optimal sonikator, sonotrod va oqim hujayrasi konfiguratsiyasini tavsiya qilamiz.
UP400St kabi zondli sonikatorlar akustik kavitatsiyaning ishlash prinsipidan foydalanadi.
Ultratovushli kavitatsiyaning ishlash prinsipi
Suyuqliklarga yuqori intensivliklarda ultratovush bilan ishlov berilganda, suyuq muhitda tarqaladigan tovush toʻlqinlari chastotaga bogʻliq tezlikda almashinadigan yuqori bosim (siqilish) va past bosim (siyraklashish) sikllarini yuzaga keltiradi. Past bosim sikli davomida yuqori intensivlikdagi ultratovush toʻlqinlari suyuqlikda kichik vakuum pufakchalari yoki boʻshliqlar hosil qiladi. Pufakchalar energiyani boshqa yuta olmaydigan hajmga yetganda, yuqori bosim sikli davomida shiddat bilan qulaydi. Bu hodisa kavitatsiya deb ataladi. Ichkariga qulash vaqtida mahalliy ravishda juda yuqori haroratlar (taxminan 5 000K) va bosimlar (taxminan 2 000atm) yuzaga keladi. Kavitatsiya pufakchasining ichkariga qulashi tezligi 280m/s gacha boʻlgan suyuqlik oqimchalarini ham hosil qiladi.
Akustik kavitatsiya (kuchli ultratovush hosil qiladigan) mahalliy ekstremal sharoitlarni, yaʼni sonomexanik va sonokimyoviy taʼsirlarni yuzaga keltiradi. Ushbu taʼsirlar tufayli ultratovush bilan ishlov berish kimyoviy reaksiyalarni ragʻbatlantirib, yuqoriroq mahsulot chiqimi, tezroq reaksiya tezligi, yangi reaksiya yoʻllari va umumiy samaradorlikning yaxshilanishiga olib keladi.
Zondli sonikator yoki ultratovushli vanna: qaysi kavitatsiya usuli mos?
Zondli sonikatorlar ham, ultratovushli vannalar ham akustik kavitatsiya hosil qiladi, ammo ular intensivlik, boshqarish va jarayon ishonchliligi jihatidan sezilarli darajada farq qiladi. Ultratovushli vannalar tozalash uchun foydali boʻlsa, zondli sonikatorlar ultratovush energiyasini bevosita suyuqlikka uzatib, ancha kuchliroq va jamlangan kavitatsiya zonasini hosil qiladi. Shu sababli zondli sonikatorlar gomogenizatsiya, emulsiyalash, ekstraksiya, hujayralarni parchalash, nanozarrachalarni disperslash va sonokimyoviy reaksiyalar kabi takrorlanuvchan suyuqlikka ishlov berish jarayonlari uchun afzal tanlov hisoblanadi.
| Taqqoslash mezonlari | Zondli sonikator | Ultratovushli vanna |
|---|---|---|
| Kavitatsiya intensivligi | Bevosita sonotrod uchida yuqori intensivlikdagi akustik kavitatsiya hosil qiladi. | Vanna hajmi boʻylab taqsimlangan kuchsizroq kavitatsiya hosil qiladi. |
| Energiya uzatish | Ultratovush energiyasini bevosita suyuqlik, suspenziya yoki shlamga uzatadi. | Energiyani vanna suyuqligi va idish devori orqali bilvosita uzatadi. |
| Jarayonni boshqarish | Amplituda, kiritiladigan quvvat, impuls rejimi, harorat va ishlov berish vaqtini aniq sozlash imkonini beradi. | Namunaga amalda yetib boradigan ultratovush energiyasini boshqarish imkoniyati cheklangan. |
| Takrorlanuvchanlik | Jarayon parametrlari belgilangan va nazorat qilinadigan boʻlsa, ultratovush bilan ishlov berishda takrorlanuvchan natijalarni taʼminlaydi. | Kavitatsiyaning notekis taqsimlanishi, idish joylashuvi, idish materiali, toʻldirish darajasi va vannaga joylangan yuk tufayli natijalar oʻzgarishi mumkin. |
| Ishlov berish samaradorligi | Gomogenizatsiya, disperslash, emulsiyalash, ekstraksiya, hujayralarni parchalash va sonokimyo uchun yuqori samarali. | Asosan tozalash uchun mos. |
| Namuna hajmi | Kichik laboratoriya namunalari, shuningdek, tajriba-sanoat va sanoat hajmlari uchun mavjud. | Odatda vanna ichiga joylashtirilgan kichik idishlar yoki bir nechta idish uchun ishlatiladi. |
| Miqyosni kengaytirish | Laboratoriya sinovlaridan tajriba-sanoat sinovlari va uzluksiz sanoat oqim liniyasida ishlov berishgacha miqyosi kengaytirilishi mumkin. | Energiya taqsimoti va kavitatsiya intensivligini boshqa miqyosga oson koʻchirish mumkin boʻlmagani uchun miqyosni ishonchli kengaytirish qiyin. |
| Mos muhitlar | Suyuqliklar, emulsiyalar, suspenziyalar, shlamlar va qattiq moddalar miqdori yuqori boʻlgan tarkiblar uchun samarali. | Qovushqoqligi past suyuqliklar hamda oddiy tozalash yoki gazsizlantirish vazifalari uchun eng mos. |
| Odatdagi qoʻllanishlar | Nanozarrachalarni disperslash, nanoemulsiyalar, ekstraksiya, hujayra lizisi, gomogenizatsiya, deaglomeratsiya, nam maydalash va sonokimyoviy reaksiyalar. | Shisha idishlarni tozalash, suyuqliklarni gazsizlantirish, kukunlarni eritish va namunalarni yengil aralashtirish. |
| Quyidagilar uchun eng yaxshi tanlov | Suyuqliklarga boshqariladigan, kuchli va takrorlanuvchan ultratovush bilan ishlov berish. | Oddiy tozalash yoki past intensivlikdagi ultratovush bilan ishlov berish. |
Sonikatorlar va akustik kavitatsiyaning asosiy qoʻllanishlari
Ultratovushli zondlar deb ham ataladigan zondli ultratovush qurilmalari suyuqliklarda kuchli akustik kavitatsiyani samarali hosil qiladi. Shu sababli ular turli sohalarda turli maqsadlarda keng qoʻllaniladi. Zondli ultratovush qurilmalari hosil qiladigan akustik kavitatsiyaning eng muhim qoʻllanishlaridan ayrimlari quyidagilarni oʻz ichiga oladi:
- Gomogenizatsiya: Ultratovushli zondlar tebranish va siljish kuchlarining energiya zichligi yuqori boʻlgan maydoni sifatida tavsiflanadigan kuchli kavitatsiya hosil qilishi mumkin. Bu kuchlar aralashtirish, qorish va zarracha oʻlchamini kichraytirishda ajoyib natijalarni taʼminlaydi. Ultratovushli gomogenizatsiya bir tekis aralashtirilgan suspenziyalar hosil qiladi. Shu sababli ultratovush bilan ishlov berish tor taqsimot egri chiziqlariga ega bir jinsli kolloid suspenziya tayyorlash uchun qoʻllaniladi.
- Nanozarrachalarni disperslash: Ultratovush qurilmalari nanozarrachalarni disperslash, deaglomeratsiya qilish va nam maydalash uchun qoʻllaniladi. Past chastotali ultratovush toʻlqinlari aglomeratlarni parchalab, zarracha oʻlchamini kichraytiradigan kuchli taʼsirli kavitatsiya hosil qilishi mumkin. Xususan, suyuqlik oqimchalarining kuchli siljish taʼsiri suyuqlikdagi zarrachalarni tezlashtiradi; ular bir-biri bilan toʻqnashadi (zarrachalararo toʻqnashuv), natijada zarrachalar parchalanadi va yemiriladi. Bu zarrachalarning bir tekis va barqaror taqsimlanishini taʼminlab, choʻkishning oldini oladi. Bu nanotexnologiya, materialshunoslik va farmatsevtika kabi turli sohalarda hal qiluvchi ahamiyatga ega.
- Emulsiyalash va aralashtirish: Zondli ultratovush qurilmalari emulsiyalar hosil qilish va suyuqliklarni aralashtirish uchun qoʻllaniladi. Ultratovush energiyasi kavitatsiyani, yaʼni mikroskopik pufakchalarning hosil boʻlishi va qulashini yuzaga keltiradi, bu esa kuchli mahalliy siljish kuchlarini hosil qiladi. Ushbu jarayon oʻzaro aralashmaydigan suyuqliklarni emulsiyalashga yordam berib, barqaror va mayda dispersli emulsiyalar hosil qiladi.
- Ekstraksiya: Kavitatsion siljish kuchlari tufayli ultratovush qurilmalari hujayra tuzilmalarini parchalash va qattiq modda bilan suyuqlik oʻrtasidagi massa almashinuvini yaxshilashda yuqori samaralidir. Shu sababli ultratovushli ekstraksiya yuqori sifatli oʻsimlik ekstraktlarini ishlab chiqarish uchun biofaol birikmalar kabi hujayra ichidagi moddalarni ajratib chiqarishda keng qoʻllaniladi.
- Gazsizlantirish va havosizlantirish: Zondli ultratovush qurilmalari suyuqliklardan gaz pufakchalari yoki erigan gazlarni chiqarib tashlash uchun qoʻllaniladi. Ultratovushli kavitatsiyani qoʻllash gaz pufakchalarining birlashishini ragʻbatlantiradi, natijada ular oʻsadi va suyuqlik yuzasiga suzib chiqadi. Ultratovushli kavitatsiya gazsizlantirishni tez va samarali amaliyotga aylantiradi. Bu gazlarning mavjudligi mahsulot sifati va barqarorligiga salbiy taʼsir qilishi mumkin boʻlgan boʻyoqlar, gidravlik suyuqliklar yoki oziq-ovqat va ichimliklarga ishlov berish kabi turli sohalarda foydalidir.
- Sonokataliz: Ultratovushli zondlar kimyoviy reaksiyalarni kuchaytirish uchun akustik kavitatsiyani katalizatorlar bilan birlashtiradigan jarayon – sonokataliz uchun ishlatilishi mumkin. Ultratovush toʻlqinlari hosil qiladigan kavitatsiya massa almashinuvini yaxshilaydi, reaksiya tezligini oshiradi va erkin radikallar hosil boʻlishini ragʻbatlantirib, yanada samarali va selektiv kimyoviy oʻzgarishlarga olib keladi.
- Namuna tayyorlash: Zondli ultratovush qurilmalari laboratoriyalarda namuna tayyorlash uchun keng qoʻllaniladi. Ular hujayralar, toʻqimalar va viruslar kabi biologik namunalarni gomogenizatsiya qilish, agregatlarini ajratish va ekstraksiya qilish uchun ishlatiladi. Zond hosil qiladigan ultratovush energiyasi hujayra membranalarini parchalab, hujayra tarkibiy qismlarini ajratib chiqaradi va keyingi tahlilni osonlashtiradi.
- Dezintegratsiya va hujayralarni parchalash: Zondli ultratovush qurilmalari hujayra ichidagi komponentlarni ekstraksiya qilish, mikroorganizmlarni inaktivatsiya qilish yoki tahlil uchun namuna tayyorlash kabi turli maqsadlarda hujayralar va toʻqimalarni dezintegratsiya qilish va parchalash uchun qoʻllaniladi. Yuqori intensivlikdagi ultratovush toʻlqinlari va ular hosil qiladigan kavitatsiya mexanik zoʻriqish va siljish kuchlarini yuzaga keltirib, hujayra tuzilmalarining parchalanishiga olib keladi. Biologik tadqiqotlar va tibbiy diagnostikada zondli ultratovush qurilmalari hujayra lizisi, yaʼni hujayra ichidagi komponentlarni ajratib chiqarish uchun hujayralarni ochib parchalash jarayonida ishlatiladi. Ultratovush energiyasi hujayra devorlari, membranalari va organellalarini parchalab, oqsillar, DNA, RNA va boshqa hujayra tarkibiy qismlarini ekstraksiya qilish imkonini beradi.
Bular zondli ultratovush qurilmalarining asosiy qoʻllanishlaridan ayrimlari, ammo ushbu texnologiyaning boshqa qoʻllanishlari doirasi yanada keng boʻlib, farmatsevtika, oziq-ovqatga ishlov berish, biotexnologiya va atrof-muhit fanlari kabi turli sohalarda sonokimyo, zarracha oʻlchamini kichraytirish (nam maydalash), zarrachalarni kichik tarkibiy birliklardan sintez qilish hamda kimyoviy moddalar va materiallarni sonosintez qilishni oʻz ichiga oladi.
Suvdagi grafit parchasining sonomexanik qatlamlarga ajratilishini koʻrsatuvchi kadrlarning yuqori tezlikdagi ketma-ketligi (a dan f gacha) 3-mm sonotrodli 200W ultratovush qurilmasi – UP200S yordamida olingan. Strelkalar zarrachalarning ajralish joyini va yoriqqa kirib borayotgan kavitatsiya pufakchalarini koʻrsatadi.
© Tyurnina va boshq. 2020
Ultratovushli kavitatsiya imkoniyatlaridan foydalaning!
Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish quvvati haqida tasavvur beradi:
| Partiya hajmi | Hajmiy oqim tezligi | Tavsiya etiladigan qurilmalar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | yuqoriroq | klasterga birlashtirilgan UIP16000 |
Suyuqlikdagi akustik kavitatsiya videosi
Quyidagi video suv bilan toʻldirilgan shisha kolonnadagi UIP1000hdT ultratovush qurilmasining kaskatrodida akustik kavitatsiyani namoyish etadi. Kavitatsiya pufakchalarining koʻrinishini yaxshilash uchun shisha kolonna pastdan qizil yorugʻlik bilan yoritilgan.
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, tajriba-sanoat va sanoat miqyosida aralashtirish, disperslash, emulsiyalash va ekstraksiya uchun yuqori samarali ultratovushli gomogenizatorlar ishlab chiqaradi.
Koʻp beriladigan savollar
Ultratovushli kavitatsiya nima?
Ultratovushli kavitatsiya – yuqori intensivlikdagi ultratovush taʼsiridagi suyuqlikda mikroskopik pufakchalarning hosil boʻlishi, oʻsishi va shiddat bilan qulashidir. Ushbu pufakchalarning qulashi kuchli mahalliy siljish, suyuqlik mikrooqimchalari, zarba toʻlqinlari, yuqori bosim gradiyentlari va kuchli mikroaralashtirish taʼsirlarini hosil qiladi.
Ultratovushli kavitatsiya va akustik kavitatsiya oʻrtasidagi farq nima?
Akustik kavitatsiya – tovush toʻlqinlari keltirib chiqaradigan kavitatsiyaning umumiy atamasi. Ultratovushli kavitatsiya – odatda eshitiladigan diapazondan yuqori boʻlgan ultratovush chastotalari hosil qiladigan akustik kavitatsiya. Suyuqliklarga sanoat miqyosida ishlov berishda ikkala atama ham koʻpincha yuqori quvvatli ultratovush qurilmalari hosil qiladigan kavitatsiya uchun ishlatiladi.
Ultratovushli kavitatsiya suyuqliklarga ishlov berishni qanday yaxshilaydi?
Ultratovushli kavitatsiya suyuqlik ichida kuchli mexanik va kimyoviy taʼsirlar hosil qilish orqali suyuqliklarga ishlov berishni yaxshilaydi. Mexanik taʼsirlar aralashtirish, gomogenizatsiya, emulsiyalash, zarrachalarni deaglomeratsiya qilish, nam maydalash, ekstraksiya va hujayralarni parchalashga yordam beradi. Reaksiya kechadigan tizimlarda kavitatsiya sonokimyoviy taʼsirlarni ham ragʻbatlantirishi va massa almashinuvini yaxshilashi mumkin.
Ultratovushli kavitatsiya qaysi maqsadlarda qoʻllaniladi?
Ultratovushli kavitatsiya gomogenizatsiya, disperslash, emulsiyalash, nanoemulsiyalash, ekstraksiya, gazsizlantirish, deaglomeratsiya, zarracha oʻlchamini kichraytirish, hujayra lizisi, mikroorganizmlarni parchalash, sonokimyo, sonokataliz va suyuq fazadagi ilgʻor reaksiyalar uchun qoʻllaniladi.
Nima uchun zondli ultratovush qurilmalari kavitatsiya hosil qilishda samarali?
Zondli ultratovush qurilmalari ultratovush energiyasini sonotrod orqali bevosita suyuqlikka uzatadi. Energiyaning bunday bevosita uzatilishi zond yuzasi yaqinida kuchli kavitatsiya zonasini hosil qiladi va amplituda, kiritiladigan quvvat, harorat, bosim hamda ishlov berish vaqti kabi muhim jarayon parametrlarini aniq sozlash imkonini beradi.
Ultratovushli vanna kuchli kavitatsiya uchun mosmi?
Ultratovushli vannalar kavitatsiya hosil qiladi, ammo energiya zichligi odatda zondli sonikatornikiga qaraganda ancha past va kamroq jamlangan boʻladi. Vannalar tozalash va yengil ishlov berish uchun foydali, zondli ultratovush qurilmalari esa takrorlanuvchan gomogenizatsiya, ekstraksiya, emulsiyalash, disperslash, hujayralarni parchalash va suyuqliklarga sanoat miqyosida ishlov berish uchun afzal hisoblanadi.
Zondli sonikatorlar va ultratovushli vannalar qanday farq qilishini oʻqing va tomosha qiling!
Qaysi parametrlar ultratovushli kavitatsiya intensivligiga taʼsir qiladi?
Muhim parametrlar amplituda, ultratovush quvvati, sonotrod yuzasi maydoni, suyuqlik hajmi, qovushqoqlik, qattiq moddalar miqdori, bosim, harorat, idish geometriyasi, oqim hujayrasi geometriyasi, hajmiy oqim tezligi va turish vaqtini oʻz ichiga oladi. Ushbu parametrlarni sozlash kavitatsiya intensivligini jarayon maqsadiga moslashtirish imkonini beradi.
Ultratovushli kavitatsiya miqyosini laboratoriyadan ishlab chiqarishgacha kengaytirish mumkinmi?
Ha. Ultratovushli kavitatsiya jarayonlarini laboratoriya hajmlarida ishlab chiqish va amplituda, kiritiladigan energiya, sonotrod geometriyasi, hajmiy oqim tezligi hamda turish vaqtini boshqarish orqali tajriba-sanoat yoki sanoat miqyosiga oʻtkazish mumkin. Hielscher laboratoriya sinovlari, tajriba-sanoat sinovlari va uzluksiz sanoat ishlab chiqarishi uchun ultratovush qurilmalari va reaktorlarni taklif etadi.
Adabiyotlar / Manbalar
- 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 yuqori samarali ultratovushli gomogenizatorlarni laboratoriya oʻlchamidan sanoat oʻlchamigacha ishlab chiqaradi.