Za kaj se lahko uporablja ultrazvočna sonokemijska oprema?
Ultrazvočna "kavitacija":
Ko tekočino obdelamo z ultrazvokom visoke intenzivnosti, zvočni valovi, ki se širijo v tekoči medij, ustvarijo izmenične cikle visokega tlaka (kompresija) in nizkega tlaka (redko), katerih hitrost je odvisna od frekvence. Med cikliranjem pri nizkem tlaku ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti ustvarijo majhne vakuumske mehurčke ali praznine v tekočini. Ko mehurčki dosežejo prostornino, kjer ne morejo več absorbirati energije, se močno sesedejo med kroženjem visokega tlaka, pojav, znan kot "kavitacija". Med eksplozijo bodo lokalno dosežene zelo visoke temperature (približno 5,000K) in pritiski (približno 2,000 atm). Posledica sesedanja kavitacijskih mehurčkov je tudi curek tekočine s hitrostjo do 280 m/s, nastala strižna sila pa mehansko premeša tekočino, da se reaktanti temeljito premešajo.
Zato se z učinkom kavitacije ultrazvočnih valov v tekočinah lahko ultrazvočna sonokemična oprema uporablja za ekstrakcijo, drobljenje, mešanje, emulgiranje, disperzijo, mešanje, odstranjevanje pene in razplinjevanje ter pospeševanje reakcij.
1. Razpršenost
Ultrazvočna disperzija temelji na tekočini kot mediju, tekočini pa je dodana visokofrekvenčna ultrazvočna vibracija. Ker je ultrazvok mehansko valovanje, ga molekule ne absorbirajo in povzročajo vibracijsko gibanje molekul med širjenjem. Pod učinkom kavitacije, to je pod dodatnimi učinki visoke temperature, visokega tlaka, mikro curka in močnih vibracij, se razdalja med molekulami zaradi vibracij poveča njihova povprečna razdalja, kar sčasoma vodi do molekularne fragmentacije. Trenutni tlak, ki ga sprosti ultrazvok, prekine van der Waalsove sile med delci, zaradi česar je manj verjetno, da se bodo delci aglomerirali skupaj. V primerjavi s konvencionalnimi disperzijskimi metodami ima ultrazvočna disperzijska tehnologija visoko učinkovitost in kratek čas. Uporablja se v proizvodnji grafena, nanomaterialov, olj in barv.
2. Emulgiranje
Pod delovanjem ultrazvočne energije se dve ali več nemešljivih tekočin pomešata skupaj in ena tekočina je enakomerno razpršena v drugi tekočini, da nastane emulziji podobna tekočina. Ta postopek se imenuje ultrazvočna emulgacija. Največja značilnost ultrazvočne emulgacije je, da emulgator ni potreben. Poleg tega lahko ultrazvočna emulgacija nadzoruje vrsto emulzije, oblikovana emulzija pa je bolj stabilna, nekatere pa so stabilne več mesecev do več kot pol leta; pripravljena emulzija ima visoko koncentracijo, koncentracija čiste emulzije lahko preseže 30 odstotkov, dodanega emulgatorja pa lahko doseže 70 odstotkov; S fakoemulzifikacijo lahko pripravimo tudi emulzije, ki jih z običajnimi metodami ni mogoče pripraviti. Na primer, običajna metoda mešanja lahko proizvede samo 5-odstotno parafinsko emulzijo v vodi, medtem ko je neverjetno, da je mogoče 20-odstotno parafinsko emulzijo proizvesti pod delovanjem močnega ultrazvočnega polja. Sposobnost emulgiranja ultrazvočne opreme za emulgiranje v laboratoriju je dobro znana in se uporablja že dolgo, uporablja pa se v industriji za visoko učinkovito emulgiranje masovne proizvodnje v proizvodnih obratih, kot so kozmetični izdelki in izdelki za nego kože, farmacevtska mazila, barve, maziva in goriva itd.
3. Ekstrakcija
Ultrazvok lahko bolje prodre v rastlinsko tkivo in izboljša prenos mase, kavitacija, ki jo ustvari ultrazvok, pa lahko poruši celične stene in olajša sproščanje komponent matriksa. Ultrazvočne ekstrakcije ni enostavno omejiti z uporabo topil, kar omogoča dodajanje koekstraktantov za nadaljnje povečanje polarnosti tekoče faze in izboljšanje učinkovitosti ekstrakcije; v primerjavi s superkritično ekstrakcijo CO2 in ultravisokotlačno ekstrakcijo je oprema za ultrazvočno ekstrakcijo preprosta, stroški ekstrakcije pa nizki; za razliko od tradicionalne metode vrenja ali refluksne metode ultrazvočna ekstrakcija ne zahteva segrevanja, da ne poškodujete aktivnih sestavin, ko dolgotrajno segrevano je še posebej primerno za ekstrakcijo toplotno občutljivih snovi; ultrazvočna ekstrakcijska tehnologija izboljša stopnjo ekstrakcije aktivnih sestavin in zagotavlja idealne surovine. Uporaba A, zmanjša porabo topil in lahko doseže pomembne gospodarske koristi; ultrazvočna ekstrakcijska tehnologija ima majhen vpliv na aktivnost učinkovin. Uporabljajo se eterična olja, predelava materialov kitajske medicine in druge industrije.
4. Odplinjevanje in odstranjevanje pene
Ultrazvočno odstranjevanje pene je uporaba ultrazvočne sonokemijske obdelave, ki uporablja "kavitacijski" učinek ultrazvočnih valov v tekočini za odvajanje mehurčkov v tekočini, da se doseže namen izboljšanja kakovosti raztopine. V primerjavi s konvencionalnimi metodami ultrazvočna tehnologija odstranjevanja pene ne zahteva odstranjevanja pene, ima visoko učinkovitost in kratek čas. V primerjavi z drugimi postopki ne zahteva visoke temperature in visokega tlaka, z dobro varnostjo, preprostim delovanjem in priročnim vzdrževanjem. Ima širok spekter in široko uporabnost, večino tekočin pa je mogoče razpliniti in razpeniti z ultrazvočnimi valovi. Postopek je preprost, ni enostavno povzročiti onesnaženja, temperatura pa je nizka, kar je primerno za delovanje toplotno občutljivih ciljnih komponent. V primerjavi s konvencionalno metodo je ultrazvočna oprema preprosta, proizvodni stroški so nizki, obsežna gospodarska korist pa izjemna. Uporablja se v kozmetični, prehrambeni in drugih industrijah.
5. Zlomljeno
Ultrazvočna fragmentacija uporablja načelo, da se ultrazvočni valovi hitro in izmenično stiskajo in širijo, ko naletijo na predmet. Pod delovanjem ultrazvočnih valov, ko je material v polovičnem ciklu ekspanzije, se materialna tekočina pod pritiskom razširi z mehurčki. Ko je v polciklu stiskanja, se mehurček skrči. Ko je sprememba tlaka velika in je tlak nižji od nizkega tlaka, pride do pojava "poka" v tekočini surovine, ko se mehurčki stisnjenega zraka močno sesedejo. Ta pojav izgine s spremembami tlaka in neravnovesjem zunanjega tlaka. V trenutku, ko "izbruh" izgine, povzroči območje okoli tekočine znatno povečanje tlaka in temperature. kar ima za posledico razdrobljenost.
6. Premešamo
Pomembna uporaba ultrazvočne tehnologije je razpršitev in depolimerizacija trdnih snovi v tekočinah, da se doseže namen mešanja. Tehnologija ultrazvočnega mešanja se pogosto uporablja v predelavi hrane, izdelavi papirja, barvah, kemiji, farmaciji, tekstilu, nafti, metalurgiji in drugih industrijskih področjih. Ultrazvočno opremo je mogoče enostavno namestiti na obstoječe proizvodne linije, kar je priročno za proizvajalce, da nadgradijo opremo po nižji ceni.
7. Premešamo in homogeniziramo
Ko se ti majhni mehurčki, ki nastanejo zaradi ultrazvočne "kavitacije" v tekočini, hitro sesedejo, se v mehurčkih ustvarita visoka temperatura in visok tlak, in ker tekočina okoli mehurčkov hiti v mehurčke z veliko hitrostjo, nastane močan mikro curek v tekočini blizu mehurčkov. Nastaneta lokalna visoka temperatura in visok tlak, kar ima za posledico učinek mešanja in homogenizacije. Ultrazvočna tehnologija mešanja in homogenizacije se pogosto uporablja v predelavi hrane, izdelavi papirja, premazih, kemikalijah, farmacevtskih izdelkih, tekstilu, nafti, metalurgiji in drugih industrijskih področjih. Stroški nadgradnje opreme.
