Экспериментальное ультразвуковое традиционное акустохимическое оборудование

Введение в ультразвуковую акустическую химию

С 8 по 11 апреля 1986 г. в Университете Уорвика (Великобритания) состоялся первый Международный симпозиум по химии, знаменовавший рождение новой междисциплинарной области — сонокемии, подраздела химии, изучающего химические реакции или изменения в химических процессах, вызванные механическими волнами; её также называют химией механических волн. Длина механических волн, используемых в химических реакциях, обычно составляет от 6,9 до 17 мм; устройства, генерирующие такие волны, называются генераторами механических волн, а их основными компонентами являются пьезоэлектрические кристаллы или магнитострикционные элементы. Сонокемия по сути представляет собой новую междисциплинарную область, ориентированную на использование механических волн для ускорения химических реакций и повышения выхода продуктов. Эти реакции не возникают в результате прямого взаимодействия механических волн с молекулярными веществами, поскольку длины волн, применяемые в жидкостях (от 10 см до 0,015 см), значительно превышают молекулярные масштабы. Вместо этого сонокемические реакции в основном обусловлены кавитацией, индуцируемой механическими волнами, — образованием, ростом, сжатием и последующим коллапсом пузырьков в жидкости, что вызывает характерные физические и химические превращения.

Химические принципы акустики

Эффект кавитации — когда механические волны распространяются через жидкость, интенсивное движение частиц жидкости порождает в ней мелкие полости. Эти полости быстро расширяются и схлопываются, вызывая бурные столкновения частиц, при этом создаются давления от нескольких тысяч до десятков тысяч атмосфер. Такие интенсивные взаимодействия между частицами приводят к резкому повышению температуры жидкости, обеспечивая эффективное перемешивание, что позволяет эмульгировать две несмешивающиеся жидкости (например, воду и масло), ускоряет растворение растворённых веществ и способствует химическим реакциям. Различные эффекты, вызываемые механическими волнами в жидкости, совокупно называются кавитационным эффектом механических волн.

Эффект механической волны — в процессе распространения механические волны взаимодействуют со средой, вызывая изменения фазы и амплитуды, которые могут изменять состояние, состав, структуру, функции и свойства среды. Такие изменения называют эффектом механической волны. Взаимодействие механических волн со средой можно разделить на механические механизмы и кавитационные механизмы. В химической реакционной системе, ускоряемой механическими волнами, эти механизмы действуют по отдельности или синергетически, катализируя реакцию. Применение механических волн в химических реакциях повышает скорость реакции, сокращает время протекания реакции, улучшает селективность и позволяет инициировать реакции, которые не происходили бы в отсутствие механических волн. Благодаря своим уникальным реакционным характеристикам химия механических волн привлекает значительное внимание и представляет собой одну из наиболее важных и динамично развивающихся областей исследований в области синтетической химии.

Введение в эмульгирование

Технологические процессы производства эмульсий значительно различаются в разных отраслях промышленности в зависимости от используемых компонентов (смесей, состоящих из различных веществ в растворе), методов эмульгирования и дополнительных условий обработки. Эмульсия — это дисперсия двух или более несмешивающихся жидкостей; ультразвуковое эмульгирующее оборудование подаёт высокой интенсивности ультразвуковую энергию для диспергирования жидкой фазы (дисперсной фазы) в мелкие капли внутри второй фазы (непрерывной фазы).

Две жидкости могут образовывать различные типы эмульсий; например, «масло в воде» и «вода в масле». В эмульсии типа «масло в воде» масло выступает в качестве дисперсной фазы, а вода — в качестве дисперсионной среды. Напротив, в эмульсии типа «вода в масле» вода является дисперсной фазой, а масло — непрерывной фазой. Кроме того, возможны и более сложные конфигурации эмульсий, включая эмульсии типа «вода в масле в воде» и «масло в воде в масле».

Введение в ультразвуковое эмульгирование

Ультразвуковая эмульгация — это процесс равномерного смешивания двух (или более) несмешивающихся жидкостей под действием ультразвуковой энергии с образованием дисперсионной системы, при котором одна жидкость равномерно распределяется в другой, формируя эмульсию. Технология ультразвуковой эмульгации широко применяется в различных отраслях промышленности, включая пищевую переработку, производство бумаги, лакокрасочную промышленность, химическую промышленность, фармацевтику, текстильную промышленность, нефтедобычу и металлургию.

Процесс эмульгирования

Ультразвуковая эмульгация вызывается кавитационными эффектами. Ультразвуковые волны, распространяющиеся через жидкость, вызывают непрерывное сжатие и расширение жидкости. Ультразвук высокой интенсивности обеспечивает энергию, необходимую для диспергирования фазы. При достижении максимального давления происходит разрыв жидкости в областях с более слабыми силами когезии. После этого разрыва в месте разрушения возникает избыточное давление, приводящее к образованию кавитационных полостей. Внутри этих полостей растворённые в жидкости газы в течение короткого промежутка времени выделяются в виде пузырьков.

Нестабильность эмульсии приводит к коалесценции

Для стабилизации вновь образовавшихся капель дисперсной фазы и предотвращения их коалесценции в эмульсию добавляют эмульгатор (поверхностно-активное вещество) и стабилизатор. Окончательное распределение капель по размерам сохраняется на том же уровне, что и после разрыва капель в ультразвуковой зоне диспергирования.

Процесс кавитации зависит от ультразвуковой частоты и интенсивности. Образование кавитационных полостей в среде в значительной степени определяется наличием нерастворённых газов, присутствующих в жидкости в виде взвеси; эти газы выступают в роли катализаторов. При определённых условиях давления образование полостей частично определяется временем развития процесса и ультразвуковой частотой. Ультразвуковая эмульгация представляет собой конкуренцию между противоположными процессами; поэтому для обеспечения преобладания разрушающего эффекта необходимо выбирать соответствующие рабочие условия и частоты.

Требуемая предельная интенсивность звука для приготовления эмульсии «масло в воде» значительно ниже, чем для эмульсии «вода в масле». Тип акустического поля — в частности, применение бегущих волн — влияет на процесс эмульгирования, обеспечивая более высокую эффективность по сравнению с использованием стоячих волн. Это объясняется тем, что в поле стоячих волн доминирует коалесценция — процесс, противоположный диспергированию.

Эксперимент по ультразвуковой эмульгации парафина

Обзор устройства

Система состоит из одного или нескольких ультразвуковых процессоров с мощностью от нескольких киловатт, что эффективно обеспечивает связь между лабораторными исследованиями и промышленным производством. Она обеспечивает результаты, сопоставимые с результатами современных высококлассных гомогенизаторов высокого давления, позволяя получать тонкодисперсные эмульсии как в непрерывном, так и в периодическом режиме. Оборудование требует минимального технического обслуживания и отличается высокой удобством эксплуатации и очистки. Регулируемая выходная мощность позволяет точно настраивать параметры под конкретные требования к эмульгированию.

Просмотр с разных углов

Преимущества традиционного оборудования с рабочими насадками:

1. Возможность контролировать тип эмульсии.

2. Низкие энергозатраты на производство эмульсий.

3. Получаемые эмульсии обладают повышенной стабильностью: некоторые составы сохраняют стабильность в течение нескольких месяцев — до шести месяцев и более.

4. Высокая концентрация: концентрация чистой эмульсии может превышать 30 %, а при добавлении эмульгатора достигать 70 %.

5. Низкая стоимость: Ключевая особенность ультразвуковой эмульгации — способность создавать высокостабильные эмульсии при минимальном или полном отсутствии эмульгаторов.

6. По сравнению с традиционными процессами и оборудованием для эмульгации (такими как мешалки с пропеллерами, коллоидные мельницы и гомогенизаторы) ультразвуковая эмульгация обладает множеством преимуществ.

Дисплей тестирования

В ходе ультразвуковой обработки жидкостей звуковые волны, распространяющиеся через жидкий среду, создают чередующиеся циклы высокого давления (сжатие) и низкого давления (разрежение). В ходе этих циклов давления в жидкости образуются микроскопические вакуумные пузырьки или полости; когда эти пузырьки достигают объёма, при котором они больше не могут поглощать энергию, они резко коллапсируют — явление, известное как кавитация. При коллапсе создаются чрезвычайно высокие локальные температуры и давления, а скорость струй жидкости, возникающих при имплозии кавитационных пузырьков, может достигать 280 м/с.

Параметры установки

Применение ультразвукового оборудования

Ультразвуковое эмульгирующее оборудование широко используется в промышленных отраслях, таких как пищевая промышленность, производство бумаги, лакокрасочная промышленность, химическая промышленность, фармацевтика, текстильная промышленность, нефтедобыча и металлургия. Его можно легко интегрировать в существующие производственные линии, что позволяет производителям модернизировать своё оборудование с минимальными затратами. Ультразвуковая эмульгация также позволяет получать эмульсии, которые невозможно приготовить традиционными методами. В то время как традиционные методы перемешивания позволяют получать лишь 5%-ные водные эмульсии воска, под действием ультразвука возможно производство 20%-ных эмульсий воска.

Руководство по часто задаваемым вопросам

1. Что делать, если температура становится чрезмерно высокой во время обработки жидкости?

① Использовать импульсный режим. ② Применять охлаждение льдом в сочетании с импульсным режимом. ③ Использовать охладитель, обеспечивающий дополнительную мощность охлаждения. ④ Применять наконечник, устойчивый к высоким температурам, во время обработки.

2. Как охладить преобразователь?

Длительная ультразвуковая обработка может привести к передаче тепла от наконечника зонда к преобразователю. Перегрев может серьёзно повредить преобразователь и всю ультразвуковую систему. Для больших образцов, требующих непрерывной обработки более 30 минут, рекомендуется установить устройство воздушного охлаждения для преобразователя.

3. Как выбрать подходящий контейнер?

Форма и размер контейнера: узкие контейнеры предпочтительнее широких, поскольку ультразвуковая энергия генерируется на торцевой поверхности и передаётся вниз. Во время обработки образца жидкость выталкивается вниз и рассеивается во всех направлениях. Если контейнер слишком широкий, эффективное перемешивание не достигается, и некоторые образцы могут остаться необработанными у краёв. При заданном объёме время обработки в широких контейнерах короче, чем в узких (примерно в два раза). Кроме того, наконечник не должен касаться боковых стенок или дна контейнера. Диаметр торцевой поверхности: — 1/4 дюйма (6 мм): диапазон обрабатываемых объёмов — 10–50 мл; — 1/2 дюйма (12 мм): диапазон обрабатываемых объёмов — 20–250 мл; — 3/4 дюйма (19 мм): диапазон обрабатываемых объёмов — 50–500 мл; — 1 дюйм (25 мм): диапазон обрабатываемых объёмов — 100–1000 мл. Для каждого наконечника указан рекомендуемый диапазон объёмов образцов; выбор соответствующего размера наконечника важен не только для сокращения времени обработки, но и для увеличения срока его службы. Использование магнитной мешалки может дополнительно повысить максимальную ёмкость обработки наконечника.

4. Какой минимальный размер капель можно достичь при ультразвуковой обработке?

Ультразвуковые процессоры могут использоваться для получения стабильных, высококачественных наноэмульсий, включая полупрозрачные наноэмульсии с размером капель менее 100 нм.

5. Подходит ли использование постоянной мощности 70 % для обработки образца?

Следует протестировать другие уровни мощности и оценить их влияние на результаты. Если при мощности 50 % достигаются те же результаты, нет необходимости использовать 70 %. Однако рекомендуется поддерживать мощность ниже 80 % для продления срока службы зонда.

6. Глубина погружения вибрирующего элемента и проблемы образования пузырьков.

Кончик инструмента должен быть правильно погружён; если кончик не полностью погружён, образец может вспениваться или в нём могут образовываться пузырьки. Если кончик погружён слишком глубоко, эффективная циркуляция образца невозможна. Оба этих сценария приведут к плохим результатам. Вспенивание часто возникает при объёме образца менее 1 мл и может также вызываться установкой чрезмерно высокой амплитуды.

7. Как устранить кавитацию на поверхности наконечников инструментов для работы с жидкостями?

Оборудование оснащено сменными наконечниками инструментов (заменяемыми колпачками), на концах которых имеются жёсткие резьбы для подсоединения к инструменту. При износе заменяемого колпачка вследствие кавитации его можно демонтировать и заменить.

8. Опасен ли ультразвук для человека? Какие меры безопасности следует соблюдать?

Единственной известной проблемой является шум. Чтобы снизить уровень шума ультразвукового обработчика до приемлемого значения, его необходимо уменьшить примерно до 25 БА. Самое простое решение — использовать профессиональные шумоподавляющие беруши; они недороги и широко доступны, однако их применение может быть неудобным во многих общественных местах. Другой вариант — разместить ультразвуковой обработчик внутри шумоподавляющего кожуха (глушителя или звукоизолирующего корпуса). Для лабораторного оборудования такие кожухи легко доступны, однако они должны обеспечивать достаточный уровень шумоподавления.