Ultrasonics: ứng dụng và quy trình
Ultrasonication là một phương pháp xử lý cơ học mà tạo ra cavitation âm thanh và lực lượng vật lý cường độ cao. Do đó, ultrasonics được sử dụng cho nhiều ứng dụng như trộn, đồng nhất hóa, phay, phân tán, nhũ hóa, khai thác, khử khí, và sono-hóa học phản ứng.
Dưới đây, bạn sẽ tìm hiểu tất cả về các ứng dụng và quy trình siêu âm điển hình.
Siêu âm Homogenizing
Siêu âm homogenizers làm giảm các hạt nhỏ trong một chất lỏng để cải thiện tính đồng nhất và ổn định phân tán. Các hạt (pha phân tán) có thể là chất rắn hoặc các giọt chất lỏng lơ lửng trong pha lỏng. Siêu âm homogenizing là rất hiệu quả cho việc giảm các hạt mềm và cứng. Hielscher sản xuất ultrasonicators cho sự đồng nhất của bất kỳ khối lượng chất lỏng và để xử lý hàng loạt hoặc nội tuyến. Các thiết bị siêu âm trong phòng thí nghiệm có thể được sử dụng cho khối lượng từ 1,5mL đến khoảng 4L. Các thiết bị công nghiệp siêu âm có thể xử lý các lô từ 0,5 đến khoảng 2000L hoặc tốc độ dòng chảy từ 0,1L đến 20 mét khối mỗi giờ trong quá trình phát triển và trong sản xuất thương mại.
Nhấn vào đây để đọc thêm về siêu âm homogenizing!
Siêu âm phân tán và tách rời
Sự phân tán và deagglomeration của chất rắn vào chất lỏng là một ứng dụng quan trọng của ultrasonicators loại thăm dò. Siêu âm / cavitation âm thanh tạo ra lực cắt cao phá vỡ các hạt kết tụ thành các hạt phân tán đơn lẻ, riêng lẻ. Việc trộn bột thành chất lỏng là một bước phổ biến trong công thức của các sản phẩm khác nhau, chẳng hạn như sơn, vecni, sản phẩm mỹ phẩm, thực phẩm và đồ uống, hoặc phương tiện đánh bóng. Các hạt riêng lẻ được giữ lại với nhau bởi các lực hấp dẫn có tính chất vật lý và hóa học khác nhau, bao gồm lực van-der-Waals và lực căng bề mặt chất lỏng. Ultrasonication khắc phục các lực hấp dẫn này để deagglomerate và phân tán các hạt trong môi trường lỏng. Đối với sự phân tán và deagglomeration của bột trong chất lỏng, ultrasonication cường độ cao là một thay thế thú vị cho homogenizers áp suất cao, máy trộn cắt cao, máy nghiền hạt hoặc rotor-stator-mixers.
Nhấn vào đây để đọc thêm về siêu âm phân tán và deagglomeration!
Siêu âm emulsification
Một loạt các sản phẩm trung gian và tiêu dùng, chẳng hạn như mỹ phẩm và kem dưỡng da, thuốc mỡ dược phẩm, vecni, sơn và chất bôi trơn và nhiên liệu được dựa hoàn toàn hoặc một phần trên nhũ tương. Nhũ tương là sự phân tán của hai hoặc nhiều pha lỏng không thể trộn lẫn. Siêu âm chuyên sâu cung cấp đủ độ cắt cường độ cao để phân tán pha lỏng (pha phân tán) trong các giọt nhỏ trong pha thứ hai (pha liên tục). Trong vùng phân tán, bong bóng xâm thực nổ gây ra sóng xung kích mạnh trong chất lỏng xung quanh và dẫn đến sự hình thành các tia chất lỏng có vận tốc chất lỏng cao (cắt cao). Ultrasonication có thể được điều chỉnh chính xác với kích thước nhũ tương mục tiêu cho phép do đó để sản xuất đáng tin cậy của nhũ tương vi mô và nhũ tương nano.
Click vào đây để đọc thêm về siêu âm emulsification!
Các UIP1000hdT là 1000 watt ultrasonicator mạnh mẽ cho các ứng dụng đồng nhất, phay và khai thác.
Siêu âm ướt-phay và mài
Ultrasonication là một phương tiện hiệu quả cho việc nghiền ướt và mài vi mô của các hạt. Đặc biệt đối với việc sản xuất bùn kích thước siêu mịn, siêu âm có nhiều ưu điểm. Nó vượt trội hơn so với các thiết bị giảm kích thước truyền thống, chẳng hạn như: máy nghiền keo (ví dụ: máy nghiền bi, máy nghiền hạt), máy nghiền đĩa hoặc máy nghiền phản lực. Ultrasonication có thể xử lý chất lỏng nồng độ cao và độ nhớt cao – do đó làm giảm khối lượng được xử lý. Tất nhiên, phay siêu âm phù hợp để xử lý các vật liệu có kích thước micron và kích thước nano, chẳng hạn như gốm sứ, bột màu, bari sunfat, canxi cacbonat hoặc oxit kim loại. Đặc biệt là khi nói đến vật liệu nano, ultrasonication vượt trội về hiệu suất như lực cắt có tác động cao của nó tạo ra các hạt nano nhỏ đồng nhất.
Click vào đây để đọc thêm về siêu âm ướt phay và vi mài!
Phun TiO2 khô trước và sau khi phay siêu âm
Tế bào siêu âm tan rã và Lysis
Điều trị bằng siêu âm có thể phân hủy xơ, vật liệu cellulosic thành các hạt mịn và phá vỡ các bức tường của cấu trúc tế bào. Điều này giải phóng nhiều vật liệu nội tế bào hơn, chẳng hạn như tinh bột hoặc đường vào chất lỏng. Hiệu ứng này có thể được sử dụng cho quá trình lên men, tiêu hóa và các quá trình chuyển đổi khác của chất hữu cơ. Sau khi xay xát và nghiền, ultrasonication làm cho nhiều vật liệu nội tế bào ví dụ như tinh bột cũng như các mảnh vụn thành tế bào có sẵn cho các enzyme chuyển đổi tinh bột thành đường. Nó cũng làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với các enzyme trong quá trình hóa lỏng hoặc saccharification. Điều này thường làm tăng tốc độ và năng suất lên men men và các quá trình chuyển đổi khác, ví dụ như để thúc đẩy sản xuất ethanol từ sinh khối.
Nhấn vào đây để đọc thêm về sự tan rã siêu âm của cấu trúc tế bào!
khai thác siêu âm của thực vật học
Việc chiết xuất các hợp chất hoạt tính sinh học được lưu trữ trong các tế bào và các hạt dưới tế bào là một ứng dụng được sử dụng rộng rãi của siêu âm cường độ cao. Khai thác siêu âm được sử dụng để cô lập các chất chuyển hóa thứ cấp (ví dụ: polyphenol), polysacarit, protein, tinh dầu và các hoạt chất khác từ ma trận tế bào của thực vật và nấm. Thích hợp để chiết xuất nước và dung môi của các hợp chất hữu cơ, sonication cải thiện năng suất của thực vật có trong cây hoặc hạt giống đáng kể. Khai thác siêu âm được sử dụng để sản xuất dược phẩm, nutraceuticals / bổ sung dinh dưỡng, nước hoa và phụ gia sinh học. Ultrasonics là một kỹ thuật chiết xuất màu xanh lá cây cũng được sử dụng để khai thác các thành phần hoạt tính sinh học trong biorefineries, ví dụ như phát hành các hợp chất có giá trị từ các dòng sản phẩm phụ không được sử dụng được hình thành trong các quy trình công nghiệp. Ultrasonication là một công nghệ hiệu quả cao để chiết xuất thực vật ở quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất.
Bấm vào đây để biết thêm thông tin về khai thác siêu âm!
Lò phản ứng siêu âm với 16.000 watt để xử lý chất lỏng siêu âm tăng cường.
Ứng dụng sonochemical của Ultrasonics
Sonochemistry là ứng dụng của siêu âm để phản ứng hóa học và quá trình. Cơ chế gây ra hiệu ứng sonochemical trong chất lỏng là hiện tượng cavitation âm thanh. Các hiệu ứng sonochemical đối với các phản ứng và quá trình hóa học bao gồm tăng tốc độ phản ứng hoặc sản lượng, sử dụng năng lượng hiệu quả hơn, cải thiện hiệu suất của chất xúc tác chuyển pha, kích hoạt kim loại và chất rắn hoặc tăng phản ứng của thuốc thử hoặc chất xúc tác.
Nhấn vào đây để đọc thêm về các hiệu ứng sonochemical của siêu âm!
Siêu âm transesterification dầu diesel sinh học
Ultrasonication làm tăng tốc độ phản ứng hóa học và năng suất của quá trình transester hóa dầu thực vật và mỡ động vật thành dầu diesel sinh học. Điều này cho phép thay đổi sản xuất từ xử lý hàng loạt sang xử lý dòng chảy liên tục và nó làm giảm chi phí đầu tư và vận hành. Một trong những lợi thế chính của sản xuất diesel sinh học siêu âm là việc sử dụng các loại dầu thải như dầu ăn đã qua sử dụng và các nguồn dầu kém chất lượng khác. Siêu âm transesterification có thể chuyển đổi ngay cả nguyên liệu chất lượng thấp thành dầu diesel sinh học chất lượng cao (axit béo methyl ester / FAME). Việc sản xuất dầu diesel sinh học từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, liên quan đến quá trình transester hóa xúc tác bazơ của axit béo với methanol hoặc ethanol để tạo ra các este methyl hoặc este ethyl tương ứng. Ultrasonication có thể đạt được năng suất diesel sinh học vượt quá 99%. Siêu âm làm giảm thời gian xử lý và thời gian tách đáng kể.
Click vào đây để đọc thêm về transesterification ultrasonically hỗ trợ của dầu vào dầu diesel sinh học!
Siêu âm Degassing và De-Aeration của chất lỏng
Khử khí của chất lỏng là một ứng dụng quan trọng khác của ultrasonicators loại thăm dò. Rung động siêu âm và cavitation gây ra sự kết hợp của các khí hòa tan trong một chất lỏng. Khi các bong bóng khí nhỏ kết hợp lại, chúng tạo thành các bong bóng lớn hơn trôi nổi nhanh chóng lên bề mặt trên cùng của chất lỏng từ đó chúng có thể được loại bỏ. Do đó, siêu âm khử khí và khử khí có thể làm giảm mức độ khí hòa tan dưới mức cân bằng tự nhiên.
Nhấn vào đây để đọc thêm về siêu âm degassing của chất lỏng!
Siêu âm dây, cáp và Dải làm sạch
Làm sạch siêu âm là một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường để làm sạch các vật liệu liên tục, chẳng hạn như dây và cáp, băng hoặc ống. Hiệu quả của cavitation siêu âm mạnh mẽ loại bỏ dư lượng bôi trơn như dầu hoặc mỡ, xà phòng, stearates hoặc bụi từ bề mặt vật liệu. Hielscher Ultrasonics cung cấp các hệ thống siêu âm khác nhau để làm sạch nội tuyến các cấu hình liên tục.
Bấm vào đây để biết thêm thông tin về làm sạch siêu âm của hồ sơ liên tục!
Liên hệ chúng tôi! / Hỏi chúng tôi!
Điều gì làm cho Sonication trở thành một phương pháp xử lý vượt trội?
Sonication, hoặc sử dụng sóng âm thanh tần số cao để khuấy trộn chất lỏng, là một phương pháp xử lý hiệu quả vì nhiều lý do. Dưới đây là một số lý do tại sao sonication ở cường độ cao và tần số thấp khoảng 20kHz đặc biệt có tác động và thuận lợi cho việc xử lý chất lỏng và bùn:
- Cavitation: Một trong những cơ chế chính của sonication là tạo ra và sụp đổ các bong bóng nhỏ, một hiện tượng gọi là xâm thực. Ở tần số 20kHz, sóng âm thanh ở tần số phù hợp để tạo và thu gọn bong bóng một cách hiệu quả. Sự sụp đổ của các bong bóng này tạo ra sóng xung kích năng lượng cao, có thể phá vỡ các hạt và phá vỡ các tế bào trong chất lỏng được sonicated.
- Dao động và rung: Bên cạnh sự xâm thực âm thanh được tạo ra, dao động của đầu dò siêu âm tạo ra sự khuấy động và trộn lẫn bổ sung trong chất lỏng, do đó thúc đẩy chuyển khối lượng và / hoặc khử khí.
- Thâm nhập: Sóng âm thanh ở 20kHz có bước sóng tương đối dài, cho phép chúng thâm nhập sâu vào chất lỏng. Siêu âm cavitation là một hiện tượng địa phương xuất hiện trong xung quanh của đầu dò siêu âm. Với khoảng cách ngày càng tăng đến đầu dò, cường độ xâm thực đang giảm. Tuy nhiên, sonication ở 20kHz có thể xử lý hiệu quả khối lượng chất lỏng lớn hơn, so với sonication tần số cao hơn có bước sóng ngắn hơn và có thể bị hạn chế hơn về độ sâu thâm nhập của nó.
- Tiêu thụ năng lượng thấp: Sonication có thể được thực hiện với mức tiêu thụ năng lượng tương đối thấp so với các phương pháp xử lý khác như đồng nhất áp suất cao hoặc khuấy cơ học. Điều này làm cho nó trở thành một phương pháp tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí hơn để xử lý chất lỏng.
- Khả năng mở rộng tuyến tính: Quá trình siêu âm có thể được thu nhỏ hoàn toàn tuyến tính đến khối lượng lớn hơn hoặc nhỏ hơn. Điều này làm cho quá trình thích ứng trong sản xuất đáng tin cậy vì chất lượng sản phẩm có thể duy trì liên tục ổn định.
- Lưu lượng hàng loạt và nội tuyến: Ultrasonication có thể được thực hiện theo lô hoặc như các quá trình nội tuyến liên tục. Đối với sonication của lô, đầu dò siêu âm được đưa vào tàu mở hoặc lò phản ứng lô kín. Đối với sonication của một dòng chảy liên tục, một tế bào dòng siêu âm được cài đặt. Môi trường lỏng đi qua sonotrode (thanh rung siêu âm) trong một lần truyền hoặc tuần hoàn và có độ đồng đều và hiệu quả cao khi tiếp xúc với sóng siêu âm.
Nhìn chung, các lực mạnh mẽ của cavitation, tiêu thụ năng lượng thấp, và khả năng mở rộng quá trình làm cho tần số thấp, sonication công suất cao một phương pháp hiệu quả để xử lý chất lỏng.
Nguyên tắc làm việc và sử dụng xử lý siêu âm
Ultrasonication là một công nghệ xử lý thương mại, đã được thông qua bởi nhiều ngành công nghiệp cho sản xuất quy mô lớn. Độ tin cậy cao và quy mô cũng như chi phí bảo trì thấp và hiệu quả năng lượng cao làm cho bộ vi xử lý siêu âm trở thành một lựa chọn tốt cho các thiết bị xử lý chất lỏng truyền thống. Siêu âm cung cấp thêm cơ hội thú vị: Cavitation – hiệu ứng siêu âm cơ bản – tạo ra kết quả độc đáo trong quá trình sinh học, hóa học và vật lý. Ví dụ, siêu âm phân tán và nhũ hóa dễ dàng tạo ra các công thức kích thước nano ổn định. Cũng trong lĩnh vực chiết xuất thực vật, siêu âm là một kỹ thuật phi nhiệt để cô lập các hợp chất hoạt tính sinh học.
Trong khi siêu âm cường độ thấp hoặc tần số cao chủ yếu được sử dụng để phân tích, kiểm tra và hình ảnh không phá hủy, siêu âm cường độ cao được sử dụng để xử lý chất lỏng và bột nhão, trong đó sóng siêu âm cường độ cao được sử dụng để trộn, nhũ hóa, phân tán và deagglomeration, phân hủy tế bào hoặc vô hiệu hóa enzyme. Khi sonicating chất lỏng ở cường độ cao, sóng âm thanh truyền qua các phương tiện truyền thông lỏng. Điều này dẫn đến các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (rarefaction) xen kẽ, với tốc độ tùy thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra bong bóng chân không nhỏ hoặc khoảng trống trong chất lỏng. Khi các bong bóng đạt được thể tích mà tại đó chúng không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sẽ sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là cavitation. Trong vụ nổ, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K) và áp suất (khoảng 2.000atm) đạt được cục bộ. Sự nổ tung của bong bóng xâm thực cũng dẫn đến các tia chất lỏng có vận tốc lên tới 280 mét mỗi giây.
Siêu âm cavitation trong chất lỏng có thể gây ra degassing nhanh chóng và hoàn toàn; bắt đầu các phản ứng hóa học khác nhau bằng cách tạo ra các ion hóa học tự do (gốc); đẩy nhanh các phản ứng hóa học bằng cách tạo điều kiện cho việc trộn các chất phản ứng; tăng cường phản ứng trùng hợp và khửpolymerization bằng cách phân tán cốt liệu hoặc bằng cách phá vĩnh viễn các liên kết hóa học trong chuỗi polymer; tăng tỷ lệ nhũ hóa; cải thiện tỷ lệ khuếch tán; tạo ra nhũ tương cô đặc cao hoặc phân tán đồng đều các vật liệu có kích thước micron hoặc kích thước nano; hỗ trợ chiết xuất các chất như enzyme từ động vật, thực vật, nấm men hoặc tế bào vi khuẩn; loại bỏ virus từ mô bị nhiễm bệnh; và cuối cùng, làm xói mòn và phá vỡ các hạt nhạy cảm, bao gồm cả vi sinh vật. (xem Kuldiloke 2002)
Siêu âm cường độ cao tạo ra sự kích động dữ dội trong chất lỏng có độ nhớt thấp, có thể được sử dụng để phân tán vật liệu trong chất lỏng. (xem Ensminger, 1988) Tại các giao diện lỏng / rắn hoặc khí / rắn, sự nổ không đối xứng của bong bóng xâm thực có thể gây ra nhiễu loạn cực độ làm giảm lớp ranh giới khuếch tán, tăng chuyển khối lượng đối lưu và tăng tốc đáng kể khuếch tán trong các hệ thống không thể trộn thông thường. (xem Nyborg, 1965)
Cavitation siêu âm mạnh mẽ tại Hielscher Cascatrode
Văn chương
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- 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.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
- Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
- Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).
Lò phản ứng siêu âm với đầu dò 4x 2000 watt (8kW) cho các quá trình sonochemical.
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ Phòng thí nghiệm đến kích thước công nghiệp.