вВ современной промышленности и научных исследованиях ультразвуковая технология стала эффективным, зеленым и многофункциональным средством обработки жидкостей. Как производитель ультразвуковых приборов, мы часто задаемся вопросом: почему один ультразвуковой прибор может одновременно выполнять множество функций, таких как ультразвуковое дробление, экстракция, эмульсия и дисперсия? Эти функции кажутся разнообразными, но все они основаны на фундаментальном принципе ультразвуковой акустической химии - эффекте кавитации.

Эта статья начинается с определения ультразвуковой акустической химии, подробно описывает принцип ее работы и анализирует механизм реализации вышеуказанных функций и их ценность в конкретных сценариях применения.

Определение и принципы ультразвуковой акустической химии

Акустическая химия относится к уникальному явлению физико - химической реакции, вызванной в жидкой среде с использованием мощной ультразвуковой системы обработки (оборудования), основным механизмом которой является « эффект кавитации». Воздействие кавитации - это динамический процесс жидкости под действием высокочастотного ультразвукового поля. конкретный

В частности, когда ультразвук высвобождается в жидкость через ультразвуковую излучающую головку в виде высокочастотных колебаний от 20 до 40 кГц, колебания акустического давления достигают критического значения, что приводит к образованию крошечных пузырьков в жидкости. Эти пузырьки быстро расширяются, сжимаются и в конечном итоге разрушаются и закрываются в период положительного и отрицательного давления звуковых волн.

Интенсивность эффекта кавитации зависит от мощности ультразвука, частоты, свойств жидкости (например, вязкости, поверхностного натяжения) и факторов окружающей среды (например, температуры, давления). Типичный ультразвуковой прибор обычно оснащен регулируемым выходом мощности (от сотен ватт до нескольких киловатт) и конструкцией зонда, который может адаптироваться к обработке жидкостей разных объемов. Это позволяет одному и тому же устройству выполнять несколько функций путем настройки параметров без замены оборудования. Далее мы рассмотрим принципы и применение этих функций.

II. Многофункциональный анализ ультразвуковых приборов

Причина, по которой ультразвуковой прибор может определять различные функции, такие как ультразвуковое дробление, извлечение, экстракция, эмульсия и дисперсия, заключается в многогранности эффекта кавитации.Высокая температура, высокое давление, ударные волны и микроструи, возникающие при коллапсе кавитационных пузырьков, могут одновременно воздействовать на частицы, молекулы и интерфейсы в жидкости для достижения различных эффектов, таких как дробление, смешивание и разделение. В частности:

• Сломанный:Ударные волны и микроструи непосредственно разрушают твердые структуры, такие как клеточные стенки.

• Экстракция / экстракция:Усиливает диффузию растворителя и способствует высвобождению активных ингредиентов из твердых веществ.

• Эмульгирование / гомогенизация:Способствует межфазному слиянию нерастворимых фаз, образуя стабильную эмульсию.

• Децентрализация:Разбить гранулы, чтобы воссоединиться, чтобы обеспечить равномерное распределение.

Эти функции не изолированы, а основаны на той же физической основе, переключаются путем регулирования ультразвуковой мощности, времени и среды (например, добавления поверхностно - активных веществ). Ниже приводится подробная информация.

III. Сценарии практического применения

1. Ультразвуковое дробление: разрушение структурыосвободитьСодержание

Ультразвуковое дробление в основном использует механические удары и сдвиговые силы кавитационного эффекта, разрушая структуру твердых частиц или биологических клеток и достигая высвобождения внутренних веществ. Это особенно важно в области биологии и материалов.

В применении ультразвуковое дробление часто используется для дробления клеток. Например, в биомедицинских лабораториях исследователям необходимо извлечь белки, ДНК или ферменты из бактериальных или дрожжевых клеток.

Традиционные методы, такие как механическое шлифование или высоковольтные гомогенизаторы, часто приводят к загрязнению образцов или термической деградации, в то время как ультразвуковое дробление может работать с точностью при низких температурах: кавитационные микроструи ударяют о стенку клетки с высокой скоростью, мгновенно создавая местное высокое давление, что приводит к разрыву клеточной мембраны и высвобождению внутриклеточного вещества.

Фактические случаи включают экстракцию белка кишечной палочки, ультразвуковая обработка занимает всего несколько минут, чтобы увеличить скорость экстракции до более чем 90%, избегая дегенерации термочувствительных белков.

В материаловедении ультразвуковое дробление применяется для дробления минералов или полимеров. Например, при обработке силикатных минеральных агрегатов ультразвук может разорвать водородные связи и вандерваальскую силу, создавая тонкий порошок равномерного размера частиц для производства керамики или краски. В частности, при подготовке материалов для новых энергетических батарей, дробленная литиевая руда воссоединяется, чтобы повысить эффективность извлечения литий - ионов.

2. Экстракция / экстракция: содействие переносу и разделению веществ

Функции извлечения и экстракции основаны на эффекте кавитации для улучшения передачи качества. Ударные волны и микроструи ускоряют распространение растворителя из твердой матрицы в растворитель, одновременно разрушая пограничный слой и увеличивая скорость извлечения.

Это особенно заметно в области китайской медицины и экстракции растений. Например, при извлечении полисахаридов пшеничной зимы традиционный метод варки в воде занимает несколько часов, а скорость экстракции составляет всего около 1%, в то время как ультразвуковая вспомогательная экстракция, разрушая стенки клеток и воссоединение полисахаридов, может увеличить скорость экстракции до 1,99% всего за минуту обработки.

Аналогичным образом, при экстракции розового эфирного масла ультразвук сохраняет термочувствительные компоненты, такие как летучие терпены, избегая потерь, вызванных высокотемпературной дистилляцией, и подходит для косметической и ароматической промышленности.

Применение в пищевой промышленности включает в себя экстракцию полифенолов чая и прополиса флавона. Ультразвуковая обработка может улучшить скорость растворения 30% ~ 50%, уменьшить использование органических растворителей, способствовать зеленому производству.

При восстановлении окружающей среды ультразвуковая экстракция используется для разделения тяжелых металлов в почве. Например, при обработке загрязненной свинцом почвы ультразвук усиливает проникновение хелатного агента, а скорость экстракции увеличивается на 40% и подходит для восстановления почвы.

3. Эмульгация: стабильная смесь в нерастворимой фазе

Функция эмульсии использует интерфейсно - активные эффекты кавитации для содействия равномерному смешиванию нерастворимых жидкостей, таких как нефть и вода, образуя эмульсию микронного или нанометрового уровня. Это широко используется в химической и фармацевтической промышленности.

В области биофармацевтики ультразвуковая эмульсия используется для подготовки гидрофобных препаратов, содержащих наноэмульсию, таких как противораковый препарат тисол. Воздушная микроструя уменьшает размер капли до менее 100 нм, улучшает растворимость и биодоступность препарата, реализует целевое введение. Конкретные, такие как липидная система подготовки: ультразвуковая обработка фосфата и фармацевтической смеси, эффективность эмульсии увеличивается в 2 - 3 раза, стабильность продукта в течение нескольких месяцев.

В химических материалах эмульсия используется для производства водных красок. Например, при эмульсии смол и пигментов ультразвук нарушает натяжение интерфейса, образуя однородную дисперсионную систему, которая повышает адгезию и блеск краски.

Кроме того, при переработке пищевых продуктов ультразвуковая эмульсия используется для стабилизации майонеза или молочных продуктов: эффект кавитации дегазирует пенообразование, обеспечивает отсутствие пузырьков в продукте, продлевает срок годности.

4. Дифференциация: равномерно распределенные системы частиц

Функция дисперсии разрушает агрегацию между частицами с помощью кавитационной ударной волны для достижения равномерного распределения на наноуровне, подходящего для систем с высокой вязкостью или легкостью осаждения.

В области наноматериалов ключевым шагом является децентрализация. Например, при подготовке новых энергетических материалов, таких как графен, ультразвук (от 20 до 40 кГц) разрушает межслойную силу Ван дер Ваальта, увеличивая скорость осаждения на 30%, улучшая чистоту, одновременно снижая потребление энергии на 40%. Конкретные, такие как литиевый аккумуляторный электродный материал: рассеянные углеродные нанотрубки воссоединения, улучшение электропроводности, увеличение емкости батареи на 15%.

В электронных материалах высокочастотный ультразвук (> 100 кГц) рассеивает наночастицы ферритов, предотвращает воссоединение и повышает магнитную проницаемость для трансформаторов и датчиков. Применение дисперсии пигментов включает в себя автомобильные краски и печатные чернила: кавитационные микроструи для дробления органических полимеров пигментов, улучшения окраски и блеска, чтобы избежать проблем хроматизации.

В науке об окружающей среде, дисперсия используется для очистки сточных вод: ультразвуковая обработка воссоединения активированного угля, повышение эффективности адсорбции, удаление ионов тяжелых металлов до 95%.

5. Другие вспомогательные функции: перемешивание и очистка

В дополнение к основным функциям, описанным выше, ультразвуковые приборы также обеспечивают перемешивание и очистку. Смешивание путем кавитации активированной поверхности ускоряет реакции, такие как каталитическое гидрогенирование олефинов никелевым порошком, скорость увеличивается в 10 ^ 5 раз. При очистке используются сепаративные эффекты, такие как очищенная пшеничная зима грубого полисахарида, в сочетании с колонной слоистости, остаточные белки опускаются ниже предела обнаружения; В гальваническом покрытии ультразвук удаляет примеси электродов и повышает твердость покрытия на 20%.