Обработка ультразвуком — это применение звуковой энергии для перемешивания частиц в образце для различных целей, таких как извлечение множества соединений из растений, микроводорослей и морских водорослей. [1] Обычно используются ультразвуковые частоты (> 20 кГц), поэтому этот процесс также известен как ультразвуковая обработка или ультразвуковая обработка . [2]
В лаборатории его обычно применяют с помощью ультразвуковой ванны или ультразвукового зонда , в просторечии известного как ультразвуковой прибор . В бумагоделательной машине ультразвуковая фольга может более равномерно распределять целлюлозные волокна и укреплять бумагу.
Обработка ультразвуком имеет множество эффектов, как химических, так и физических. Научная область, изучающая влияние звуковых волн на химические системы, называется сонохимией . Химические эффекты ультразвука не возникают в результате прямого взаимодействия с молекулярными частицами. Исследования показали, что никакая прямая связь акустического поля с химическими веществами на молекулярном уровне не может объяснить сонохимию [3] или сонолюминесценцию . [4] Вместо этого в сонохимии звуковые волны мигрируют через среду, вызывая изменения давления и кавитации, которые растут и разрушаются, преобразуя звуковые волны в механическую энергию. [1]
Обработку ультразвуком можно использовать для производства наночастиц , таких как наноэмульсии , [5] нанокристаллы , липосомы и восковые эмульсии, а также для очистки сточных вод, дегазации, экстракции полисахаридов морских водорослей [1] и растительного масла, экстракции антоцианов и антиоксидантов, [6] производство биотоплива , десульфурация сырой нефти, разрушение клеток , обработка полимеров и эпоксидных смол, разжижение клея и многие другие процессы. Он применяется в фармацевтической, косметической, водной, пищевой, чернильной, красочной, лакокрасочной, деревообрабатывающей, металлообрабатывающей, нанокомпозитной, пестицидной, топливной, деревообрабатывающей и многих других отраслях промышленности.
Обработку ультразвуком можно использовать для ускорения растворения за счет нарушения межмолекулярных взаимодействий. Это особенно полезно, когда невозможно перемешать образец, как в случае с пробирками ЯМР . Его также можно использовать для получения энергии для протекания определенных химических реакций. Обработку ультразвуком можно использовать для удаления растворенных газов из жидкостей ( дегазация ) путем обработки жидкости ультразвуком, пока она находится под вакуумом. Это альтернатива методам замораживания-оттаивания и барботажа .
В биологических приложениях обработки ультразвуком может быть достаточно, чтобы разрушить или дезактивировать биологический материал. Например, обработка ультразвуком часто используется для разрушения клеточных мембран и высвобождения клеточного содержимого. Этот процесс называется сонопорацией . Маленькие однослойные везикулы (SUV) можно получить путем обработки ультразвуком дисперсии больших многослойных везикул (LMV). Обработка ультразвуком также используется для фрагментации молекул ДНК, при этом ДНК, подвергнутая кратковременному воздействию ультразвука, разрезается на более мелкие фрагменты.
Обработка ультразвуком обычно используется в нанотехнологиях для равномерного диспергирования наночастиц в жидкостях. Кроме того, он используется для разрушения агрегатов коллоидных частиц микронного размера.
Обработку ультразвуком также можно использовать для инициирования процессов кристаллизации и даже для контроля полиморфной кристаллизации. [7] Он используется для вмешательства в осаждение антирастворителя (кристаллизацию), чтобы облегчить смешивание и изолировать мелкие кристаллы.
Обработка ультразвуком — это механизм, используемый при ультразвуковой очистке : разрыхление частиц, прилипших к поверхностям. Помимо применения в лабораторных исследованиях, ультразвуковые ванны применяются для очистки таких предметов, как очки и ювелирные изделия .
Ультразвуковая обработка также используется в пищевой промышленности. Основное применение - диспергирование для экономии дорогостоящих эмульгаторов (майонез) или ускорения процессов фильтрации (растительное масло и т. д.). Были проведены эксперименты с ультразвуковой обработкой для искусственного выдерживания спиртных напитков и других алкогольных напитков.
Образцы почвы часто подвергаются ультразвуку, чтобы разрушить почвенные агрегаты; это позволяет изучать различные компоненты почвенных агрегатов (особенно органическое вещество почвы ), не подвергая их жесткой химической обработке. [8]
Обработка ультразвуком также используется для извлечения микрокаменелостей из камня. [9]
Для экстракции используется ультразвуковая ванна или система ультразвуковых зондов . Например, этот метод был предложен для удаления изофлавонов из соевых бобов и фенольных соединений из пшеничных отрубей и порошка скорлупы кокосовых орехов . [10] Результаты различаются для каждого используемого сырья и растворителя , а также для других методов экстракции. Акустическая или ультразвуковая кавитация является основой операции экстракции с помощью ультразвука. [11]
Существенная интенсивность ультразвука и высокие амплитуды ультразвуковых колебаний необходимы для многих применений обработки, таких как нанокристаллизация, наноэмульгирование, [5] деагломерация, экстракция, разрушение клеток, а также многие другие. Обычно процесс сначала тестируется в лабораторном масштабе, чтобы доказать его осуществимость и установить некоторые необходимые параметры ультразвукового воздействия. После завершения этого этапа процесс переводится в пилотный (стендовый) масштаб для сквозной оптимизации перед производством, а затем в промышленный масштаб для непрерывного производства. На этапе масштабирования важно убедиться, что все местные условия воздействия (амплитуда ультразвука, интенсивность кавитации , время пребывания в активной зоне кавитации и т. д.) остаются неизменными. При выполнении этого условия качество конечного продукта остается на оптимизированном уровне, а производительность увеличивается на предсказуемый «коэффициент масштабирования». Увеличение производительности является результатом того, что лабораторные, лабораторные и промышленные системы ультразвуковой обработки включают в себя все более крупные ультразвуковые рупоры , способные создавать все более крупные зоны кавитации высокой интенсивности и, следовательно, обрабатывать больше материала в единицу времени. Это называется «прямой масштабируемостью». Важно отметить, что увеличение мощности ультразвукового процессора само по себе не приводит к прямой масштабируемости, поскольку может сопровождаться (и часто сопровождается) снижением амплитуды ультразвука и интенсивности кавитации. Во время прямого масштабирования необходимо поддерживать все условия обработки, в то время как номинальная мощность оборудования увеличивается, чтобы обеспечить работу более крупного ультразвукового рупора. [12] [13] [14] Поиск оптимальных условий эксплуатации этого оборудования является непростой задачей для инженеров-технологов и требует глубоких знаний о побочных эффектах ультразвуковых процессоров. [15]
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )