Những ứng dụng bạn chưa biết về công nghệ siêu âm

Siêu âm là một công nghệ xử lý thương mại hoàn toàn. Độ tin cậy cao và khả năng mở rộng cũng như chi phí bảo trì thấp và hiệu quả năng lượng cao làm cho thiết bị siêu âm trở thành một sự thay thế tốt cho thiết bị xử lý chất lỏng truyền thống.

Cavitation – hiệu ứng siêu âm cơ bản – tạo ra các kết quả độc đáo trong các quá trình sinh học, hóa học và vật lý. Trong khi siêu âm cường độ thấp hoặc tần số cao chủ yếu được sử dụng để phân tích, kiểm tra không phá hủy và hình ảnh, siêu âm cường độ cao được sử dụng để xử lý chất lỏng như trộn, nhũ hóa, phân tán và khử kết tụ, phân hủy tế bào hoặc khử hoạt tính của enzym.
Khi truyền âm chất lỏng ở cường độ cao, sóng âm truyền qua môi trường chất lỏng. Điều này dẫn đến các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (hiếm) xen kẽ, với tốc độ phụ thuộc vào tần số.

Trong chu kỳ 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 thể hấp thụ năng lượng được nữa, 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 tại địa phương. Sự bùng nổ của bong bóng tạo ra lỗ hổng cũng tạo ra các tia chất lỏng với vận tốc lên tới 280 mét / giây. Sự tạo bọt siêu âm trong chất lỏng có thể gây ra quá trình khử khí nhanh chóng và hoàn toàn; bắt đầu các phản ứng hóa học khác nhau bằng cách tạo ra các ion hóa học tự do (các gốc); đẩy nhanh các phản ứng hóa học bằng cách tạo điều kiện trộn lẫn các chất phản ứng; tăng cường các phản ứng trùng hợp và khử trùng hợp bằng cách phân tán các tập hợp hoặc bằng cách phá vỡ vĩnh viễn các liên kết hóa học trong chuỗi cao phân tử; tăng tỷ lệ nhũ hóa; cải thiện tỷ lệ khuếch tán; sản xuất nhũ tương cô đặc cao hoặc phân tán đồng đều của vật liệu kích thước micromet hoặc kích thước nano; hỗ trợ chiết xuất các chất như enzym từ tế bào động vật, thực vật, nấm men hoặc vi khuẩn; loại bỏ vi rút từ mô bị nhiễm bệnh; và cuối cùng, ăn mòn và phá vỡ các phần tử nhạy cảm, bao gồm cả các vi sinh vật.

Bể rửa siêu âm mang đến hiệu quả làm sạch vượt trội trong các ngành công nghiệp

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. Tại các giao diện lỏng / rắn hoặc khí / rắn, sự nổ không đối xứng của các bong bóng tạo bọt có thể gây ra các nhiễu loạn cực đoan làm giảm lớp ranh giới khuếch tán, tăng sự truyền khối đối lưu và tăng tốc đáng kể sự khuếch tán trong các hệ thống không thể trộn thông thường.

Bài viết dưới đây sẽ giới thiệu đến bạn đọc các ứng dụng của sóng siêu âm một cách cụ thể hơn.

Đồng nhất hóa

Máy đồng hóa siêu âm làm giảm các hạt nhỏ trong chất lỏng để cải thiện tính đồng nhất và độ ổn định phân tán. Các hạt (pha phân tán) có thể là chất rắn hoặc các giọt lỏng lơ lửng trong pha lỏng. Đồng nhất siêu âm rất hiệu quả để giảm các hạt mềm và cứng.

Các thiết bị siêu âm trong phòng thí nghiệm có thể được sử dụng cho thể tích từ 1,5mL đến xấp xỉ. 4L. Các thiết bị công nghiệp siêu âm có thể xử lý 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 hoặc sản xuất

Phân tán siêu âm và ngưng tụ

Sự phân tán và khử kết tụ của chất rắn thành chất lỏng là một ứng dụng quan trọng của các thiết bị siêu âm. Cavitation siêu âm tạo ra lực cắt cao phá vỡ các hạt kết tụ thành các hạt phân tán 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, dầu gội đầu, đồ uống hoặc phương tiện đánh bóng.

Các hạt riêng lẻ được giữ lại với nhau bằng các lực hút có bản chất vật lý và hóa học khác nhau, bao gồm lực van-der-Waals và sức căng bề mặt chất lỏng. Siêu âm khắc phục các lực hút này để khử kết tụ và phân tán các hạt vào môi trường lỏng.

Để phân tán và khử kết tụ của bột trong chất lỏng, siêu âm cường độ cao là một sự thay thế thú vị cho thiết bị đồng nhất áp suất cao.

Siêu âm nhũ hóa

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 có thành phần hoàn toàn hoặc một phần của nhũ tương. Nhũ tương là sự phân tán của hai hoặc nhiều chất lỏng không thể trộn lẫn. Siêu âm cường độ cao cung cấp đủ lực cắt cường độ cao để phân tán pha lỏng (pha phân tán) thành các giọt nhỏ trong pha thứ hai (pha liên tục). Trong vùng phân tán, bong bóng tạo ra các bong bóng tạo 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 (lực cắt lớn). Siêu âm có thể đạt được kích thước giọt trung bình dưới 1 micron (vi nhũ tương).

Nghiền vi hạt

Siêu âm là một phương tiện hiệu quả để nghiền ướt và nghiền vi hạt. Đặc biệt đối với sản xuất bùn siêu mịn, sóng siêu âm có nhiều ưu điểm. Nó ưu việt hơn 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. Siêu âm có thể xử lý bùn có độ nhớt cao và nồng độ cao – do đó làm giảm thể tích cần xử lý.

Phay siêu âm thích hợp để gia công các vật liệu có kích thước micromet và kích thước nano, chẳng hạn như gốm sứ, bột màu, bari sunphat, canxi cacbonat hoặc các ôxít kim loại.

Sự phân hủy tế bào bằng sóng siêu âm

Xử lý bằng sóng siêu âm có thể phân hủy vật liệu dạng sợi, xenluloza thành các hạt mịn và phá vỡ các bức tường của cấu trúc tế bào. Điều này giải phóng nhiều vật chất trong 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 hóa chất hữu cơ khác.

Sau khi xay và nghiền, siêu âm làm cho nhiều vật liệu trong tế bào hơn, ví dụ như tinh bột cũng như các mảnh vỡ của thành tế bào có sẵn cho các enzym chuyển hóa tinh bột thành đường. Nó cũng làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với các enzym trong quá trình hóa lỏng hoặc đường hóa. Điều này thường làm tăng tốc độ và năng suất của quá trình lên men nấm men và các quá trình chuyển đổi khác, ví dụ như để thúc đẩy sản xuất etanol từ sinh khối.

Chiết xuất tế bào bằng sóng siêu âm

Việc tách chiết các enzym và protein được lưu trữ trong tế bào và các hạt dưới tế bào là một ứng dụng được sử dụng rộng rãi của siêu âm cường độ cao. Việc chiết xuất dung môi của các hợp chất hữu cơ chứa trong thực vật hoặc hạt giống có thể được cải thiện đáng kể. Siêu âm có một lợi ích tiềm năng trong việc chiết xuất và cô lập các thành phần mới có tiềm năng hoạt tính sinh học, ví dụ như từ các dòng sản phẩm phụ không được sử dụng được hình thành trong các quy trình hiện tại. Siêu âm là một công nghệ rất hiệu quả để chiết xuất thực vật ở quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất.

Siêu âm chuyển hóa dầu thành diesel sinh học

Siêu âm làm tăng tốc độ phản ứng hóa học và năng suất của quá trình chuyển hóa dầu thực vật và mỡ động vật thành dầu diesel sinh học. Điều này cho phép thay đổi quá trình sản xuất từ ​​xử lý hàng loạt sang xử lý dòng liên tục và nó làm giảm chi phí đầu tư và vận hành. Việc sản xuất diesel sinh học từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, bao gồm phản ứng chuyển hóa axit béo có xúc tác bazơ bằng metanol hoặc etanol để tạo ra metyl este hoặc etyl este tương ứng. Siêu âm có thể đạt được sản lượng diesel sinh học vượt quá 99%. Sóng siêu âm làm giảm đáng kể thời gian xử lý và thời gian tách.

Khử khí bằng sóng siêu âm của chất lỏng

Khử khí chất lỏng là một ứng dụng thú vị của thiết bị siêu âm. Trong trường hợp này, sóng siêu âm loại bỏ các bong bóng khí nhỏ lơ lửng khỏi chất lỏng và làm giảm mức khí hòa tan xuống dưới mức cân bằng tự nhiên.

Sonication chai và lon để phát hiện rò rỉ

Người dùng có thể lắp đặt thiết bị siêu âm trong máy đóng chai và chiết rót để kiểm tra sự rò rỉ của lon và chai. Việc giải phóng carbon dioxide tức thời là tác động quyết định của các thử nghiệm rò rỉ siêu âm đối với các thùng chứa đầy đồ uống có ga.

Làm sạch dây, cáp và dải siêu âm

Làm sạch bằng sóng 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. Tác động của sóng siêu âm mạnh mẽ loại bỏ cặn bôi trơn như dầu hoặc mỡ, xà phòng, hơi nước hoặc bụi khỏi bề mặt vật liệu.

Sóng siêu âm được ứng dụng để làm sạch đồ dùng