Suyuqliklarda ultratovushli kavitatsiya
Ultrasonik kavitatsiya yuqori intensivlikdagi ultratovushli suyuqlikni qayta ishlashning harakatlantiruvchi kuchidir. Kuchli ultratovush suyuqlikka ulanganda, mikroskopik bug' pufakchalari hosil bo'lib, o'sib, kuchli tarzda qulab tushadi. Ushbu akustik kavitatsiya kuchli mahalliy kesish kuchlari, mikrojetlar, zarba to'lqinlari, bosim o'zgarishlari va mikro-aralash effektlarini keltirib chiqaradi, bu esa homogenizatsiya, tarqalish, emulsifikatsiya, ekstraksiya, gazlash, hujayra buzilishi va sonokimyoviy reaksiyalarni tezlashtiradi.
Hielscher prob-tipidagi sonikatorlari boshqariladigan akustik kavitatsiyani ishlatib, ultratovush energiyasini to‘liq suyuqliklar, suspenziyalar va g‘ovaklarga uzatadi. Kichik laboratoriya namunalaridan tortib, uzluksiz sanoat ishlab chiqarish jarayonlariga qadar, Hielscher tizimlari amplitudani, sonotrod geometriyasini, bosimni, haroratni, oqim tezligini va qolish vaqtini sozlash imkonini beradi, shunda kavitatsiya natijalari takrorlanadigan bo‘ladi.
- Laboratoriyalar uchun: kichik hajmlarda sonikatsiya parametrlarini ishlab chiqish va optimallashtirish.
- Pilot zavodlar uchun: haqiqiy ishlov berish sharoitida kavitatsiya asosidagi jarayonlarni tasdiqlash.
- Ishlab chiqarish uchun: ultratovush kavitatsiyasini partiya, qayta aylantirish yoki uzluksiz ichki jarayonlarga kattalashtirish.
Suyuqlik, partiya hajmi yoki oqim tezligi, viskozitet, qattiq moddalar miqdori, harorat chegaralari va maqsadli jarayon natijasini ayting. Kavitatsiya ilovangiz uchun optimal sonikator, sonotrod va oqim hujayrasi konfiguratsiyasini tavsiya qilamiz.
UP400St kabi prob turidagi sonikatorlar akustik kavitatsiyaning ishlash printsipidan foydalaning.
Ultrasonik kavitatsiyaning ishlash printsipi
Suyuqliklarni yuqori intensivlikda soniklashda, suyuqlik muhitiga tarqaladigan tovush to'lqinlari chastotaga bog'liq bo'lgan yuqori bosimli (siqilish) va past bosimli (kamdan-kam uchraydigan) tsikllarning o'zgarishiga olib keladi. Past bosimli aylanish jarayonida yuqori intensiv ultratovush to'lqinlari suyuqlikda kichik vakuum pufakchalari yoki bo'shliqlarni hosil qiladi. Pufakchalar energiyani o'zlashtira olmaydigan hajmga erishganda, ular yuqori bosimli aylanish jarayonida kuchli qulab tushadi. Ushbu hodisa kavitatsiya deb ataladi. Portlash paytida mahalliy darajada juda yuqori haroratlar (taxminan 5000K) va bosimlarga (taxminan 2000atm) erishiladi. Kavitatsiya qabariqining portlashi natijasida 280 m/s gacha tezlikda suyuqlik oqimi ham paydo bo'ladi.
Akustik kavitatsiya (quvvat ultratovush yordamida hosil qilingan) mahalliy ekstremal sharoitlarni yaratadi, sonomexanik va sonokimyoviy ta'sirlar deb ataladi. Ushbu ta'sirlar tufayli sonikatsiya yuqori rentabellikga, tezroq reaktsiya tezligiga, yangi yo'llarga va umumiy samaradorlikni oshirishga olib keladigan kimyoviy reaktsiyalarni rag'batlantiradi.
Probe sonikatori yoki ultratovushli vanna: Qaysi kavitatsiya usuli to'g'ri?
Proba sonikatorlari va ultratovushli vannalar ikkalasi ham akustik kavitatsiya hosil qiladi, lekin ular intensivlik, boshqaruv va jarayon ishonchliligi jihatidan sezilarli farq qiladi. Ultrasonik vannalar tozalash uchun foydali bo'lsa-da, zond turidagi sonikatorlar ultratovush energiyasini to'g'ridan-to'g'ri suyuqlikka ulab, ancha kuchli, fokuslangan kavitatsiya zonasini hosil qiladi. Bu zond sonikatorlarini homogenizatsiya, emulsifikatsiya, ekstraksiya, hujayra buzilishi, nanozarrachalar tarqalishi va sonokimyoviy reaksiyalar kabi takrorlanadigan suyuqlik qayta ishlash ilovalari uchun afzal tanlovga aylantiradi.
| Taqqoslash mezonlari | zond sonikatori | ultratovushli vanna |
|---|---|---|
| kavitatsiya intensivligi | Sonotrod uchida to'g'ridan-to'g'ri yuqori intensivlikdagi akustik kavitatsiya hosil qiladi. | Vanna hajmi bo'ylab zaifroq kavitatsiya hosil qiladi. |
| Energiya uzatish | Ultratovush energiyasini to'g'ridan-to'g'ri suyuqlik, suspenziya yoki loyqa ichiga uzatadi. | Energiya vannadagi suyuqlik va idish devori orqali bilvosita uzatiladi. |
| jarayonni nazorat qilish | Amplituda, quvvat kirishi, impuls rejimi, temperatura va ishlov berish vaqtini aniq sozlash imkonini beradi. | Namunaga yetadigan haqiqiy ultratovush energiyasini nazorat qilish cheklangan. |
| takrorlanuvchanlik | Jarayon parametrlari belgilangan va nazorat qilinganida takrorlanadigan sonikatsiya natijalarini taqdim etadi. | Natijalar notekis kavitatsiya taqsimlanishi, idish pozitsiyasi, idish materiali, to‘ldirish darajasi va vannani yuklash sababli farq qilishi mumkin. |
| Ishlov berish samaradorligi | Gomogenlash, tarqatish, emulsiyalash, ekstraksiya, hujayra buzilishi va sonokimyo uchun juda samarali. | Asosan tozalash uchun mos. |
| Namuna hajmi | Kichik laboratoriya namunalari hamda pilot va sanoat hajmlari uchun mavjud. | Odatda kichik idishlar yoki vannaga joylashtirilgan bir nechta konteynerlar uchun ishlatiladi. |
| kattalashtirish | Laboratoriya sinovlaridan pilot sinovlarga va uzluksiz sanoat chiziqli ishlov berishga kengaytirilishi mumkin. | Energiya taqsimoti va kavitatsiya intensivligi osonlikcha uzatilmaydiganligi sababli ishonchli tarzda kengaytirish qiyin. |
| Mos media | SuYuqlar, emulsiya, suspenziya, shlam va yuqori qattiq moddalar formulalari uchun samarali. | Past viskozitali suyuqliklar va oddiy tozalash yoki degazatsiya vazifalari uchun eng mos. |
| Odatdagi ilovalar | Nanopartikula dispersiyasi, nanoemulsiyalar, ekstraksiya, hujayra lizi, gomogenizatsiya, deagregatsiya, nam maydalash va sonokimyoviy reaktsiyalar. | Shisha asbob-uskunalarni tozalash, suyuqliklarni degazatsiya qilish, kukunlarni eritish va yumshoq namuna aralashtirish. |
| Eng yaxshi tanlov | Nazorat qilinadigan, kuchli va takrorlanadigan ultratovushli suyuqlik ishlov berish. | Oddiy tozalash yoki past intensivlikdagi ultratovushli muolaja. |
Sonikatorlar va akustik kavitatsiyaning asosiy qo‘llanmalari
Ultrasonik zondlar sifatida ham tanilgan zond tipidagi ultrasonikatorlar suyuqliklarda kuchli akustik kavitatsiyani samarali hosil qiladi. Shuning uchun ular turli sohalarda turli xil ilovalarda keng qo'llaniladi. Zond tipidagi ultrasonikatorlar tomonidan yaratilgan akustik kavitatsiyaning eng muhim ilovalaridan ba'zilari:
- Gomogenizatsiya: Ultrasonik zondlar tebranish va kesish kuchlarining energiya zich maydoni sifatida tavsiflangan intensiv kavitatsiyani yaratishi mumkin. Bu kuchlar mukammal aralashtirish, aralashtirish va zarrachalar hajmini kamaytirishni ta'minlaydi. Ultrasonik gomogenizatsiya bir xil aralashtirilgan suspenziyalarni ishlab chiqaradi. Shuning uchun sonikatsiya tor taqsimot egri chiziqlari bilan bir hil kolloid suspenziya ishlab chiqarish uchun ishlatiladi.
- Nanozarrachalar dispersiyasi: Ultrasonikatorlar nanozarrachalarni dispersiyalash, deaglomeratsiya qilish va nam maydalash uchun ishlatiladi. Past chastotali ultratovush to'lqinlari aglomeratlarni buzadigan va zarracha hajmini kamaytiradigan ta'sirli kavitatsiyani keltirib chiqarishi mumkin. Xususan, suyuqlik oqimlarining yuqori siljishi suyuqlikdagi zarrachalarni tezlashtiradi, ular bir-biri bilan to'qnashadi (zarralararo to'qnashuv), natijada zarralar parchalanadi va eroziyalanadi. Bu zarrachalarning bir xil va barqaror taqsimlanishiga olib keladi, bu esa cho'kishni oldini oladi. Bu nanotexnologiya, materialshunoslik va farmatsevtika kabi turli sohalarda hal qiluvchi ahamiyatga ega.
- Emulsifikatsiya va aralashtirish: Prob tipidagi ultrasonikatorlar emulsiyalar yaratish va suyuqliklarni aralashtirish uchun ishlatiladi. Ultrasonik energiya kavitatsiyaga, mikroskopik pufakchalarning shakllanishiga va qulashiga olib keladi, bu esa kuchli mahalliy kesish kuchlarini keltirib chiqaradi. Bu jarayon bir-biriga aralashmaydigan suyuqliklarni emulsiyalash, barqaror va nozik dispers emulsiyalarni ishlab chiqarishga yordam beradi.
- Ekstraksiya: Kavitatsion kesish kuchlari tufayli ultrasonikatorlar uyali tuzilmalarni buzishda va qattiq va suyuqlik o'rtasidagi massa o'tkazmasini yaxshilashda yuqori samarali. Shuning uchun ultratovushli ekstraktsiya yuqori sifatli botanika ekstraktlarini ishlab chiqarish uchun bioaktiv birikmalar kabi hujayra ichidagi materialni chiqarish uchun keng qo'llaniladi.
- Degazatsiya va deaeratsiya: Prob tipidagi ultrasonikatorlar suyuqliklardan gaz pufakchalari yoki erigan gazlarni olib tashlash uchun ishlatiladi. Ultrasonik kavitatsiyani qo'llash gaz pufakchalarining birlashishiga yordam beradi, shunda ular o'sib, suyuqlikning yuqori qismiga suzadi. Ultrasonik kavitatsiya degasifikatsiyani tez va samarali jarayonga aylantiradi. Bu gazlar mavjudligi mahsulot sifati va barqarorligiga salbiy ta'sir ko'rsatishi mumkin bo'lgan bo'yoqlar, gidravlik suyuqliklar yoki oziq-ovqat va ichimliklarni qayta ishlash kabi turli sohalarda qimmatlidir.
- Sonokataliz: Ultrasonik zondlar kimyoviy reaktsiyalarni kuchaytirish uchun akustik kavitatsiyani katalizatorlar bilan birlashtirgan sonokataliz uchun ishlatilishi mumkin. Ultrasonik to'lqinlar natijasida hosil bo'lgan kavitatsiya massa o'tkazuvchanligini yaxshilaydi, reaktsiya tezligini oshiradi va erkin radikallarni ishlab chiqarishni rag'batlantiradi, bu esa yanada samarali va tanlangan kimyoviy transformatsiyalarga olib keladi.
- Namuna tayyorlash: Prob tipidagi ultrasonikatorlar odatda laboratoriyalarda namunalar tayyorlash uchun ishlatiladi. Ular hujayralar, to'qimalar va viruslar kabi biologik namunalarni homogenlashtirish, ajratish va ekstraksiya qilish uchun ishlatiladi. Prob tomonidan ishlab chiqarilgan ultratovush energiyasi hujayra membranalarini buzadi, hujayra tarkibini chiqaradi va keyingi tahlillarni osonlashtiradi.
- Hujayralarning parchalanishi va buzilishi: Prob tipidagi ultrasonikatorlar hujayralar va to'qimalarni turli maqsadlarda parchalash va buzish uchun ishlatiladi, masalan, hujayra ichidagi tarkibiy qismlarni olish, mikrobial inaktivatsiya yoki tahlil uchun namuna tayyorlash. Yuqori intensivlikdagi ultratovush to'lqinlari va shu bilan hosil bo'lgan kavitatsiya mexanik kuchlanish va kesish kuchlarini keltirib chiqaradi, natijada hujayra tuzilmalari parchalanadi. Biologik tadqiqotlar va tibbiy diagnostikada prob tipidagi ultrasonikatorlar hujayra lizisini, hujayra ichidagi tarkibiy qismlarni chiqarish uchun ochiq hujayralarni sindirish jarayoni uchun ishlatiladi. Ultrasonik energiya hujayra devorlari, membranalari va organellalarini buzadi, bu oqsillar, DNK, RNK va boshqa hujayra tarkibiy qismlarini olish imkonini beradi.
Bular zond tipidagi ultrasonikatorlarning asosiy qo'llanilishidan ba'zilari, ammo texnologiya boshqa foydalanishning yanada keng doirasiga ega, jumladan, sonokimyo, zarrachalar hajmini kamaytirish (ho'l frezalash), pastdan yuqoriga zarracha sintezi va kimyoviy moddalarning sono-sintezi. va farmatsevtika, oziq-ovqat mahsulotlarini qayta ishlash, biotexnologiya va atrof-muhit fanlari kabi turli sohalardagi materiallar.
Suvdagi grafit parchasining sono-mexanik eksfoliatsiyasini aks ettiruvchi yuqori tezlikdagi (a dan f gacha) kadrlar ketma-ketligi UP200S yordamida, 3 mm sonotrodli 200 Vt ultrasonikator. O'qlar bo'linishga kirib boradigan kavitatsiya pufakchalari bilan zarralarning bo'linish joyini ko'rsatadi.
© Tyurnina va boshqalar. 2020
Ultrasonik kavitatsiyadan foydalining!
Quyidagi jadvalda ultrasonikatorlarimizning taxminiy qayta ishlash quvvati ko'rsatilgan:
| To'plam hajmi | Oqim darajasi | Tavsiya etilgan qurilmalar |
|---|---|---|
| 1 dan 500 ml gacha | 10 dan 200 ml / min | UP100H |
| 10 dan 2000 ml gacha | 20 dan 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 dan 20 L gacha | 0.2 dan 4L/min gacha | UIP2000hdT |
| 10 dan 100 l gacha | 2 dan 10 l / min | UIP4000hdT |
| na | 10 dan 100 l / min | UIP16000 |
| na | kattaroq | ning klasteri UIP16000 |
Suyuqlikdagi akustik kavitatsiya videosi
Quyidagi video suv bilan to'ldirilgan shisha ustundagi UIP1000hdT ultratovush qurilmasining kaskatrodida akustik kavitatsiyani ko'rsatadi. Kavitatsiya pufakchalarini ko'rishni yaxshilash uchun shisha ustun pastdan qizil chiroq bilan yoritilgan.
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, uchuvchi va sanoat miqyosida ilovalar, dispersiya, emulsifikatsiya va ekstraktsiyani aralashtirish uchun yuqori samarali ultratovushli homogenizatorlarni ishlab chiqaradi.
tez-tez so'raladigan savollar
Ultrasonik kavitatsiya nima?
Ultrasonik kavitatsiya - bu yuqori intensivlikdagi ultratovush ta'sirida suyuqlikda mikroskopik pufakchalar hosil bo'lishi, o'sishi va kuchli parchalanishi jarayonidir. Ushbu pufakchalarning portlashi kuchli mahalliy qiyshiq kuch, suyuqlik mikrojettlari, zarba to'lqinlari, yuqori bosim gradientlari va kuchli mikro-aralashish effektlarini yaratadi.
Ultrasonik kavitatsiya va akustik kavitatsiya o'rtasidagi farq nima?
Akustik kavitatsiya — bu tovush to'lqinlari natijasida yuzaga keladigan kavitatsiya uchun umumiy atama. Ultratovushli kavitatsiya — bu odatda eshitiladigan diapazondan yuqori ultratovush chastotalari tomonidan hosil qilinadigan akustik kavitatsiya. Sanoat suyuqlikni qayta ishlashda har ikkala atama ko'pincha yuqori quvvatli ultratovush apparatlari yordamida hosil qilingan kavitatsiya uchun ishlatiladi.
Ultrasonik kavitatsiya suyuqlikni qayta ishlashni qanday yaxshilaydi?
Ultrasonik kavitatsiya suyuqlik ichida kuchli mexanik va kimyoviy ta'sirlar hosil qilib, suyuqlikni qayta ishlashni yaxshilaydi. Mexanik effektlar aralashtirish, homogenizatsiya, emulsifikatsiya, zarralarni parchalash, nam maydalash, ekstraksiya va hujayra buzilishini qo'llab-quvvatlaydi. Reaktiv tizimlarda kavitatsiya sonokimyoviy ta'sirlarni kuchaytirishi va massa uzatishni yaxshilashi mumkin.
Qaysi ilovalar ultratovushli kavitatsiyadan foydalanadi?
Ultratovushli kavitatsiya homogenizatsiya, tarqalish, emulsifikatsiya, nanoemulsifikatsiya, ekstraksiya, deagglomeratsiya, zarracha o'lchamini kamaytirish, hujayra lizisi, mikroblarning buzilishi, sonokimyo, sonokataliz va ilg'or suyuq faza reaksiyalari uchun ishlatiladi.
Nega zond turidagi ultrasonikatorlar kavitatsiya uchun samarali?
Prob turidagi ultrasonikatorlar ultratovush energiyasini sonotrod orqali to'g'ridan-to'g'ri suyuqlikka uzatadi. Ushbu to'g'ridan-to'g'ri energiya bog'lanishi zond yuzasiga yaqin kuchli kavitatsiya zonasini hosil qiladi va amplituda, quvvat kiritish, harorat, bosim va ishlov berish vaqti kabi muhim jarayon parametrlarini aniq sozlash imkonini beradi.
Ultratovushli vanna kuchli kavitatsiya uchun mos keladimi?
Ultrasonik vannalar kavitatsiya hosil qiladi, lekin energiya zichligi odatda prob turidagi sonikatorga nisbatan ancha past va kamroq fokuslangan bo'ladi. Vannalar tozalash va yumshoq davolash uchun foydalidir, prob turidagi ultrasonikatorlar esa takrorlanadigan homogenizatsiya, ekstraksiya, emulsifikatsiya, dispersiya, hujayra buzilishi va sanoat suyuqliklarini qayta ishlash uchun afzal ko'riladi.
Prob turidagi sonikatorlar va ultratovushli vannalar qanday farq qiladi!
Qaysi parametrlar ultratovushli kavitatsiya intensivligiga ta'sir qiladi?
Muhim parametrlar: amplituda, ultratovush quvvati, sonotrod yuzasi maydoni, suyuqlik hajmi, viskozlik, qattiq moddalar miqdori, bosim, harorat, tomir geometriyasi, oqim hujayrasi geometriyasi, oqim tezligi va yashash vaqti. Ushbu parametrlarni sozlash kavitatsiya intensivligini jarayon maqsadiga moslashtirish imkonini beradi.
Ultratovushli kavitatsiyani laboratoriyadan ishlab chiqarishga kengaytirish mumkinmi?
Ha. Ultratovushli kavitatsiya jarayonlarini laboratoriya hajmlarida ishlab chiqish va amplituda, energiya kirimi, sonotrod geometriyasi, oqim tezligi va qolish vaqtini nazorat qilish orqali pilot yoki sanoat miqyosiga o'tkazish mumkin. Hielscher laboratoriya sinovlari, pilot sinovlar va uzluksiz sanoat ishlab chiqarishi uchun ultratovush qurilmalari va reaktorlarni taklif etadi.
Adabiyot / Adabiyotlar
- 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 kompaniyasi yuqori samarali ultratovushli homogenizatorlarni ishlab chiqaradi laboratoriya uchun sanoat hajmi.