Cavitation siêu âm trong chất lỏng
Hiện tượng xâm thực siêu âm là động lực chính đằng sau quá trình xử lý chất lỏng bằng siêu âm cường độ cao. Khi sóng siêu âm mạnh được truyền vào chất lỏng, các bong bóng hơi siêu nhỏ sẽ hình thành, phát triển và vỡ ra một cách dữ dội. Hiện tượng cavitation âm thanh này tạo ra các lực cắt cục bộ mạnh mẽ, các tia nước siêu nhỏ, sóng xung kích, sự thay đổi áp suất và hiệu ứng trộn vi mô, có thể thúc đẩy quá trình đồng nhất hóa, phân tán, nhũ hóa, chiết xuất, khử khí, phá vỡ tế bào và các phản ứng sonochemical.
Các thiết bị siêu âm dạng đầu dò của Hielscher sử dụng hiện tượng xâm thực âm thanh được kiểm soát để truyền năng lượng siêu âm trực tiếp vào chất lỏng, hỗn hợp lơ lửng và bùn. Từ các mẫu thí nghiệm quy mô nhỏ đến quy trình sản xuất công nghiệp liên tục theo dòng chảy, các hệ thống của Hielscher cho phép bạn điều chỉnh biên độ, hình dạng đầu dò, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và thời gian lưu để đạt được kết quả xâm thực âm thanh ổn định và lặp lại được.
- Dành cho các phòng thí nghiệm: phát triển và tối ưu hóa các thông số siêu âm trong các thể tích nhỏ.
- Đối với các nhà máy thí điểm: kiểm chứng các quy trình dựa trên hiện tượng xâm thực trong các điều kiện chế biến thực tế.
- Dành cho sản xuất: Áp dụng hiện tượng xâm thực siêu âm quy mô lớn vào các quy trình sản xuất theo mẻ, tuần hoàn hoặc liên tục.
Hãy cho chúng tôi biết thông tin về chất lỏng, thể tích mẻ hoặc lưu lượng, độ nhớt, hàm lượng chất rắn, giới hạn nhiệt độ và kết quả mong muốn của quy trình. Chúng tôi sẽ đề xuất cấu hình máy siêu âm, đầu siêu âm và buồng lưu lượng tối ưu cho ứng dụng tạo bọt của quý khách.
Các máy siêu âm dạng đầu dò như UP400St Sử dụng nguyên lý làm việc của xâm thực âm thanh.
Nguyên lý hoạt động của Cavitation siêu âm
Khi siêu âm chất lỏng ở cường độ cao, sóng âm thanh lan truyền vào môi trường lỏng dẫn đến chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (hiếm hoi) xen kẽ, với tốc độ phụ thuộc vào tần số. Trong chu trình áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bong bóng chân không nhỏ hoặc khoảng trống trong chất lỏng. Khi các bong bóng đạt đến thể tích mà chúng không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sẽ sụp đổ dữ dội trong chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Trong quá trình nổ mìn, 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 đến 280m / s.
Xâm thực âm thanh (được tạo ra bởi siêu âm công suất) tạo ra các điều kiện khắc nghiệt cục bộ, được gọi là hiệu ứng siêu âm và siêu âm. Do những tác dụng này, siêu âm thúc đẩy các phản ứng hóa học dẫn đến năng suất cao hơn, tốc độ phản ứng nhanh hơn, các con đường mới và cải thiện hiệu quả tổng thể.
Máy tạo sóng siêu âm hay bể siêu âm: Phương pháp tạo bọt khí nào là phù hợp?
Cả máy siêu âm dạng đầu dò và bể siêu âm đều tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh, nhưng chúng có sự khác biệt đáng kể về cường độ, khả năng điều khiển và độ tin cậy của quy trình. Trong khi bồn siêu âm hữu ích cho việc làm sạch, máy siêu âm dạng đầu dò truyền năng lượng siêu âm trực tiếp vào chất lỏng và tạo ra vùng cavitation mạnh hơn, tập trung hơn. Điều này khiến máy siêu âm dạng đầu dò trở thành lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng xử lý chất lỏng có thể tái tạo như đồng nhất hóa, nhũ hóa, chiết xuất, phá vỡ tế bào, phân tán hạt nano và phản ứng sonochemical.
| Tiêu chí so sánh | đầu dò sonicator | tắm siêu âm |
|---|---|---|
| Độ mạnh của hiện tượng cavitation | Tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh cường độ cao ngay tại đầu sonotrode. | Gây ra hiện tượng xâm thực yếu hơn, phân bố đều khắp thể tích bể. |
| Chuyển giao năng lượng | Chuyển năng lượng siêu âm trực tiếp vào chất lỏng, hỗn hợp lơ lửng hoặc bùn. | Truyền năng lượng một cách gián tiếp qua chất lỏng trong bồn tắm và thành bồn. |
| Kiểm soát quy trình | Cho phép điều chỉnh chính xác biên độ, công suất đầu vào, chế độ xung, nhiệt độ và thời gian xử lý. | Chỉ cho phép kiểm soát hạn chế đối với năng lượng siêu âm thực tế tác động lên mẫu. |
| Khả năng tái tạo | Đảm bảo kết quả siêu âm ổn định khi các thông số quy trình được xác định và theo dõi. | Kết quả có thể khác nhau do sự phân bố hiện tượng xâm thực không đồng đều, vị trí bình chứa, chất liệu bình chứa, mức chất lỏng và tải trọng của bể. |
| Hiệu quả xử lý | Có hiệu quả cao trong các ứng dụng như đồng nhất hóa, phân tán, tạo nhũ tương, chiết xuất, phá vỡ tế bào và hóa học siêu âm. | Chủ yếu dùng để làm sạch. |
| Khối lượng mẫu | Có sẵn cho các mẫu thí nghiệm quy mô nhỏ cũng như các lô thử nghiệm và sản xuất công nghiệp. | Thường được sử dụng cho các bình chứa nhỏ hoặc nhiều thùng chứa đặt bên trong bồn tắm. |
| Mở rộng quy mô | Có thể mở rộng quy mô từ các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm sang các thử nghiệm thí điểm và quy trình sản xuất công nghiệp liên tục. | Khó mở rộng quy mô một cách đáng tin cậy vì việc phân phối năng lượng và cường độ hiện tượng xâm thực không dễ dàng áp dụng cho các quy mô khác. |
| Phương tiện phù hợp | Phù hợp với các loại chất lỏng, nhũ tương, huyền phù, bùn và các công thức có hàm lượng chất rắn cao. | Phù hợp nhất với các chất lỏng có độ nhớt thấp và các công việc làm sạch hoặc khử khí đơn giản. |
| Các ứng dụng điển hình | Phân tán hạt nano, nhũ tương nano, chiết xuất, phá vỡ tế bào, đồng nhất hóa, phân tán cụm, nghiền ướt và phản ứng hóa học bằng sóng siêu âm. | Vệ sinh dụng cụ thủy tinh, loại bỏ khí khỏi chất lỏng, hòa tan bột và khuấy nhẹ mẫu. |
| Lựa chọn tốt nhất cho | Quy trình xử lý chất lỏng bằng sóng siêu âm có độ chính xác cao, hiệu quả và có thể lặp lại. | Vệ sinh đơn giản hoặc xử lý bằng sóng siêu âm cường độ thấp. |
Các ứng dụng chính của máy siêu âm và hiện tượng xâm thực âm thanh
Máy siêu âm kiểu đầu dò, còn được gọi là đầu dò siêu âm, tạo ra sự xâm thực âm thanh mạnh mẽ trong chất lỏng một cách hiệu quả. Do đó, chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau trong các ngành công nghiệp khác nhau. Một số ứng dụng quan trọng nhất của xâm thực âm thanh được tạo ra bởi máy siêu âm kiểu đầu dò bao gồm:
- Đồng nhất hóa: Đầu dò siêu âm có thể tạo ra sự xâm thực mạnh, được đặc trưng như một trường dao động và lực cắt dày đặc năng lượng. Những lực này cung cấp khả năng trộn, pha trộn và giảm kích thước hạt tuyệt vời. Đồng nhất siêu âm tạo ra huyền phù trộn đều. Do đó, siêu âm được sử dụng để tạo ra huyền phù keo đồng nhất với các đường cong phân bố hẹp.
- Phân tán hạt nano: Máy siêu âm được sử dụng để phân tán, giải kết tụ và nghiền ướt các hạt nano. Sóng siêu âm tần số thấp có thể tạo ra sự xâm thực có tác động, phá vỡ các kết tụ và giảm kích thước hạt. Đặc biệt, độ cắt cao của các tia chất lỏng làm tăng tốc các hạt trong chất lỏng, va chạm với nhau (va chạm giữa các hạt) do đó các hạt bị vỡ và xói mòn. Điều này dẫn đến sự phân bố đồng đều và ổn định của các hạt ngăn chặn sự lắng đọng. Điều này rất quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm công nghệ nano, khoa học vật liệu và dược phẩm.
- Nhũ hóa và trộn: Máy siêu âm kiểu đầu dò được sử dụng để tạo nhũ tương và trộn chất lỏng. Năng lượng siêu âm gây ra xâm thực, hình thành và sụp đổ các bong bóng siêu nhỏ, tạo ra lực cắt cục bộ mạnh mẽ. Quá trình này hỗ trợ nhũ hóa các chất lỏng không trộn lẫn, tạo ra nhũ tương ổn định và phân tán mịn.
- Khai thác: Do lực cắt xâm thực, máy siêu âm có hiệu quả cao trong việc phá vỡ cấu trúc tế bào và cải thiện sự truyền khối lượng giữa chất rắn và chất lỏng. Do đó, chiết xuất siêu âm được sử dụng rộng rãi để giải phóng vật liệu nội bào như các hợp chất hoạt tính sinh học để sản xuất chiết xuất thực vật chất lượng cao.
- Khử khí và khử khí: Máy siêu âm kiểu đầu dò được sử dụng để loại bỏ bọt khí hoặc khí hòa tan khỏi chất lỏng. Việc áp dụng xâm thực siêu âm thúc đẩy sự kết hợp của các bọt khí để chúng phát triển và nổi lên đỉnh chất lỏng. Siêu âm xâm thực làm cho quá trình khử khí trở thành một quy trình nhanh chóng và hiệu quả. Điều này có giá trị trong các ngành công nghiệp khác nhau, chẳng hạn như sơn, chất lỏng thủy lực hoặc chế biến thực phẩm và đồ uống, nơi sự hiện diện của khí có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng và độ ổn định của sản phẩm.
- Siêu âm: Đầu dò siêu âm có thể được sử dụng để xúc tác siêu âm, một quá trình kết hợp xâm thực âm thanh với chất xúc tác để tăng cường các phản ứng hóa học. Sự xâm thực do sóng siêu âm tạo ra giúp cải thiện sự truyền khối lượng, tăng tốc độ phản ứng và thúc đẩy sản xuất các gốc tự do, dẫn đến các biến đổi hóa học hiệu quả và có chọn lọc hơn.
- Chuẩn bị mẫu: Máy siêu âm kiểu đầu dò thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm để chuẩn bị mẫu. Chúng được sử dụng để đồng nhất, phân tách và chiết xuất các mẫu sinh học, chẳng hạn như tế bào, mô và vi rút. Năng lượng siêu âm được tạo ra bởi đầu dò phá vỡ màng tế bào, giải phóng nội dung tế bào và tạo điều kiện cho việc phân tích thêm.
- Sự tan rã và phá vỡ tế bào: Máy siêu âm kiểu đầu dò được sử dụng để phân hủy và phá vỡ các tế bào và mô cho nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như chiết xuất các thành phần nội bào, bất hoạt vi sinh vật hoặc chuẩn bị mẫu để phân tích. Sóng siêu âm cường độ cao và do đó tạo ra sự xâm thực gây ra ứng suất cơ học và lực cắt, dẫn đến sự tan rã của cấu trúc tế bào. Trong nghiên cứu sinh học và chẩn đoán y tế, máy siêu âm kiểu đầu dò được sử dụng để ly giải tế bào, quá trình phá vỡ các tế bào hở để giải phóng các thành phần nội bào của chúng. Năng lượng siêu âm phá vỡ thành tế bào, màng và bào quan, cho phép chiết xuất protein, DNA, RNA và các thành phần tế bào khác.
Đây là một số ứng dụng chính của máy siêu âm kiểu đầu dò, nhưng công nghệ này thậm chí còn có nhiều mục đích sử dụng khác, bao gồm siêu âm, giảm kích thước hạt (xay ướt), tổng hợp hạt từ dưới lên và tổng hợp các chất và vật liệu hóa học trong các ngành công nghiệp khác nhau như dược phẩm, chế biến thực phẩm, công nghệ sinh học và khoa học môi trường.
Một chuỗi tốc độ cao (từ a đến f) của các khung hình minh họa sự tẩy da chết cơ học sono của một mảnh than chì trong nước sử dụng UP200S, một ultrasonicator 200W với sonotrode 3-mm. Mũi tên hiển thị vị trí của các hạt tách ra với bong bóng xâm thực xuyên qua vết tách.
© Tyurnina và cộng sự. 2020
Hãy tận dụng lợi ích của hiện tượng xâm thực siêu âm!
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:
| Khối lượng hàng loạt | Tốc độ dòng chảy | Thiết bị được đề xuất |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200ml / phút | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400ml / phút | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1 đến 20L | 0.2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000hdt |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000 |
| N.A. | Lớn | Cụm UIP16000 |
Video về sự xâm nhập âm thanh trong chất lỏng
Video sau đây cho thấy sự xâm thực âm thanh tại cascatrode của máy siêu âm UIP1000hdT trong một cột thủy tinh chứa đầy nước. Cột thủy tinh được chiếu sáng từ phía dưới bằng ánh sáng đỏ để cải thiện khả năng hình dung các bong bóng xâm thực.
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ tương hóa và khai thác trên phòng thí nghiệm, thí điểm và quy mô công nghiệp.
Các câu hỏi thường gặp
Cavitation siêu âm là gì?
Hiện tượng xâm thực siêu âm là quá trình hình thành, phát triển và vỡ đột ngột của các bọt khí siêu nhỏ trong chất lỏng khi tiếp xúc với sóng siêu âm cường độ cao. Quá trình vỡ của các bọt khí này tạo ra lực cắt cục bộ mạnh mẽ, các tia chất lỏng siêu nhỏ, sóng xung kích, độ dốc áp suất cao và hiệu ứng trộn vi mô mạnh mẽ.
Sự khác biệt giữa hiện tượng xâm thực siêu âm và hiện tượng xâm thực âm thanh là gì?
Hiệu ứng xâm thực âm thanh là thuật ngữ chung chỉ hiện tượng xâm thực do sóng âm gây ra. Hiệu ứng xâm thực siêu âm là hiện tượng xâm thực âm thanh được tạo ra bởi tần số siêu âm, thường nằm ngoài dải tần số có thể nghe thấy. Trong lĩnh vực xử lý chất lỏng công nghiệp, cả hai thuật ngữ này thường được sử dụng để chỉ hiện tượng xâm thực do các thiết bị siêu âm công suất cao tạo ra.
Quá trình xâm thực siêu âm giúp cải thiện quá trình xử lý chất lỏng như thế nào?
Hiện tượng xâm thực siêu âm giúp cải thiện quá trình xử lý chất lỏng bằng cách tạo ra các tác động cơ học và hóa học mạnh mẽ bên trong chất lỏng. Các tác động cơ học hỗ trợ quá trình trộn, đồng nhất hóa, nhũ hóa, phân tán hạt, nghiền ướt, chiết xuất và phá vỡ tế bào. Trong các hệ thống phản ứng, hiện tượng xâm thực siêu âm còn có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học do siêu âm gây ra và cải thiện quá trình truyền khối.
Những ứng dụng nào sử dụng hiện tượng xâm thực siêu âm?
Hiện tượng xâm thực siêu âm được ứng dụng trong các quá trình đồng nhất hóa, phân tán, nhũ hóa, nhũ hóa nano, chiết xuất, khử khí, phá vỡ cụm hạt, giảm kích thước hạt, phá vỡ tế bào, phá vỡ vi sinh vật, hóa học siêu âm, xúc tác siêu âm và các phản ứng pha lỏng tiên tiến.
Tại sao các thiết bị siêu âm dạng đầu dò lại hiệu quả trong quá trình tạo bọt?
Các thiết bị siêu âm dạng đầu dò truyền năng lượng siêu âm trực tiếp vào chất lỏng thông qua đầu dò siêu âm. Sự truyền năng lượng trực tiếp này tạo ra vùng xâm thực mạnh mẽ gần bề mặt đầu dò và cho phép điều chỉnh chính xác các thông số quan trọng của quá trình như biên độ, công suất đầu vào, nhiệt độ, áp suất và thời gian xử lý.
Bồn siêu âm có phù hợp để tạo ra hiện tượng xâm thực mạnh không?
Bồn siêu âm tạo ra hiện tượng xâm thực, nhưng mật độ năng lượng thường thấp hơn nhiều và ít tập trung hơn so với máy siêu âm dạng đầu dò. Bồn siêu âm thích hợp cho việc làm sạch và xử lý nhẹ, trong khi máy siêu âm dạng đầu dò được ưa chuộng hơn cho các ứng dụng cần độ lặp lại cao như đồng nhất hóa, chiết xuất, nhũ hóa, phân tán, phá vỡ tế bào và xử lý chất lỏng công nghiệp.
Hãy đọc và xem sự khác biệt giữa máy siêu âm dạng đầu dò và bồn siêu âm!
Những thông số nào ảnh hưởng đến cường độ hiện tượng xâm thực siêu âm?
Các thông số quan trọng bao gồm biên độ, công suất siêu âm, diện tích bề mặt đầu dò, thể tích chất lỏng, độ nhớt, hàm lượng chất rắn, áp suất, nhiệt độ, hình dạng bình chứa, hình dạng buồng chảy, tốc độ dòng chảy và thời gian lưu. Việc điều chỉnh các thông số này cho phép điều chỉnh cường độ xâm thực sao cho phù hợp với mục tiêu của quy trình.
Có thể mở rộng quy mô hiện tượng xâm thực siêu âm từ phòng thí nghiệm sang sản xuất không?
Đúng vậy. Các quy trình tạo bọt siêu âm có thể được phát triển ở quy mô phòng thí nghiệm và mở rộng lên quy mô thử nghiệm hoặc công nghiệp thông qua việc điều chỉnh biên độ, công suất đầu vào, hình dạng đầu dò siêu âm, lưu lượng và thời gian lưu. Hielscher cung cấp các thiết bị siêu âm và bể phản ứng dành cho thử nghiệm phòng thí nghiệm, thử nghiệm quy mô thử nghiệm và sản xuất công nghiệp liên tục.
Văn học / Tài liệu tham khảo
- 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 sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.