Ультразвук в воде: революционная технология для ускорения процессов в жидкостях — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как ультразвук ускоряет процессы в жидкостях. Какие эффекты возникают при воздействии ультразвука на жидкости. Для чего применяется ультразвуковая обработка жидкостей в промышленности. Какие преимущества дает использование ультразвука при обработке жидкостей.

Содержание

Принцип действия ультразвука в жидкостях

Ультразвук представляет собой звуковые колебания с частотой выше 20 кГц, не воспринимаемые человеческим ухом. При воздействии ультразвука на жидкости возникает ряд эффектов, позволяющих значительно ускорить и интенсифицировать различные физико-химические процессы:

Кавитация — образование и схлопывание микропузырьков в жидкости
Акустические течения — направленное движение жидкости под действием звуковых волн
Звуковое давление — периодическое сжатие и разрежение среды
Звуковой ветер — однонаправленные потоки в жидкости

Эти эффекты приводят к интенсивному перемешиванию жидкостей на микроуровне, разрушению поверхностных слоев и границ раздела фаз. В результате значительно ускоряются процессы массопереноса и протекание химических реакций.

Ускорение растворения веществ с помощью ультразвука

Одним из важнейших применений ультразвука является интенсификация процесса растворения твердых веществ в жидкостях. Каким образом ультразвук ускоряет растворение?

Кавитационные пузырьки, схлопываясь вблизи поверхности твердого тела, создают микроударные волны, разрушающие поверхностный слой
Акустические течения обеспечивают постоянный приток свежего растворителя к поверхности растворяемого вещества
Уменьшается вязкость жидкости, облегчая проникновение растворителя в поры и трещины
Ультразвуковые колебания разрушают агрегаты частиц, увеличивая площадь контакта с растворителем

В результате скорость растворения возрастает в десятки и сотни раз. Например, сахар в воде под действием ультразвука растворяется в 10 раз быстрее, а камфора в подсолнечном масле — в 50 раз быстрее по сравнению с обычным способом.

Ультразвуковое диспергирование: получение тонкодисперсных суспензий

Диспергирование — это процесс измельчения твердых частиц в жидкости до микронных и субмикронных размеров. Ультразвуковое диспергирование позволяет получать высокодисперсные, однородные суспензии. Как это работает?

Кавитационные пузырьки, схлопываясь вблизи агрегатов частиц, разрушают связи между ними
Ударные волны от схлопывающихся пузырьков дробят крупные частицы на более мелкие
Акустические течения препятствуют повторной агрегации частиц
Уменьшается вязкость дисперсионной среды, облегчая движение частиц

В результате ультразвукового воздействия средний размер частиц в суспензии может уменьшаться до долей микрона. Это на несколько порядков превосходит эффективность механического измельчения.

Эмульгирование с помощью ультразвука: создание стойких эмульсий

Эмульгирование — это процесс получения эмульсий, то есть дисперсных систем из двух несмешивающихся жидкостей. Ультразвуковое эмульгирование позволяет создавать высокодисперсные и устойчивые эмульсии. Как ультразвук способствует эмульгированию?

Кавитационные пузырьки, схлопываясь на границе раздела фаз, разбивают капли дисперсной фазы на более мелкие
Акустические течения обеспечивают равномерное распределение капель в объеме
Ультразвуковые колебания препятствуют коалесценции (слиянию) капель
Уменьшается межфазное натяжение на границе жидкостей

С помощью ультразвука удается получать стойкие эмульсии даже из жидкостей, плохо смешивающихся обычными способами. Например, эмульсии нефтепродуктов в воде или жиров в водных растворах.

Ультразвуковая гомогенизация: создание однородных смесей

Гомогенизация — это процесс создания однородных смесей из нескольких компонентов. Ультразвуковая гомогенизация позволяет получать стабильные гомогенные системы. Каков механизм ультразвуковой гомогенизации?

Кавитация разрушает агрегаты и крупные капли дисперсной фазы
Акустические течения равномерно распределяют компоненты в объеме
Ультразвуковые колебания препятствуют расслоению системы
Уменьшается вязкость среды, облегчая перемешивание

Ультразвуковая гомогенизация широко применяется в пищевой промышленности для создания стойких молочных продуктов, соусов, кремов. Также используется при производстве косметических средств, лекарственных препаратов, топлива.

Ультразвуковое распыление жидкостей: создание тонких аэрозолей

Распыление — это процесс дробления жидкости на мельчайшие капли, взвешенные в газовой среде. Ультразвуковое распыление позволяет получать высокодисперсные аэрозоли с узким распределением частиц по размерам. Как происходит ультразвуковое распыление?

На поверхности жидкости образуются стоячие капиллярные волны
С гребней волн происходит отрыв мелких капель жидкости
Размер капель определяется длиной капиллярных волн
Ультразвуковые колебания препятствуют слиянию капель

Ультразвуковое распыление позволяет создавать аэрозоли с размером частиц от 1 до 100 мкм. Это находит применение в медицине для ингаляций, в промышленности для нанесения покрытий, в сельском хозяйстве для опрыскивания растений.

Преимущества ультразвуковой обработки жидкостей

Использование ультразвука для обработки жидкостей имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными механическими методами:

Высокая эффективность и скорость процессов
Возможность обработки вязких и агрессивных жидкостей
Отсутствие движущихся частей, простота конструкции
Низкие энергозатраты
Экологичность процесса
Возможность автоматизации

Эти преимущества обусловили широкое внедрение ультразвуковых технологий в различных отраслях промышленности, где требуется эффективная обработка жидкостей и получение высокодисперсных систем.

Области применения ультразвуковой обработки жидкостей

Ультразвуковые технологии обработки жидкостей находят применение в самых разных сферах:

Химическая промышленность — ускорение реакций, синтез наноматериалов
Фармацевтика — получение лекарственных суспензий и эмульсий
Пищевая промышленность — гомогенизация молока, производство соусов
Косметология — создание кремов, лосьонов, эмульсий
Нефтепереработка — обессоливание нефти, получение топливных эмульсий
Очистка воды — обеззараживание, разрушение загрязнений

Развитие ультразвуковых технологий открывает новые возможности для повышения эффективности многих технологических процессов, связанных с обработкой жидкостей.

Ускорение процессов в жидкостях :: Александра-Плюс

Технологии

Растворение
Диспергирование
Эмульгирование
Гомогенизация
Распыление
См. также
Примечания

Your browser doesn’t support <video> tag. But you can download the video file in format: webm mp4

Опыт, показывающий ускорение ультразвуком перемешивания двух жидкостей — подкрашенной и прозрачной

Ультразвук применяют для ускорения и интенсификации физико-химических процессов в жидкостях. В ультразвуковом поле возникает кавитация^[1], акустические течения и другие эффекты, способствующие быстрому перемешиванию жидкостей и соприкасающихся с ними твёрдых частиц. Размываются пограничные слои между разными жидкостями и между жидкостями и твёрдыми веществами, а процессы, идущие в этих слоях, существенно ускоряются.

Экстракция растительного сырья — отдельная сложная технология, использующая описанные здесь процессы.

Растворение

Растворение твёрдых тел — это гетерогенное физико-химическое взаимодействие твёрдого тела и жидкости, сопровождающееся переходом твёрдой фазы в раствор. Растворами называются гомогенные (т. е. однородные) смеси двух или более веществ. Наиболее распространенное агрегатное состояние растворов — жидкое.

Ультразвук применяют для ускорения растворения веществ. При этом наблюдается снижение доли осадка, идёт процесс растворения труднорастворимых веществ. Ультразвук позволяет не применять специальные растворители.

В ультразвуковом поле, возбуждаемом в жидкой среде, возникает переменное давление частиц, переменный поток в направлении распространения колебательного процесса, кавитация и др. Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация. Кавитация ускоряет протекание ряда физико-химических процессов, в том числе и растворения.

Использование ультразвуковой обработки позволяет до двух порядков ускорить растворение растворимых веществ, в 10—30 раз — медленно растворимых, в 3—5 раз — малорастворимых. Например, сахар в воде с ультразвуком растворяется в 10 раз быстрее, чем обычным способом, камфора в подсолнечном масле — в 50 раз.

При воздействии ультразвука на среду динамическая вязкость полярных жидкостей уменьшается, микротрещины и поры в твердом веществе разветвляются, увеличиваются их размеры и глубина. При использовании ультразвука как средства интенсификации процесса растворения существенное значение имеют микропульсации растворителя, в особенности, если длина волны сопоставима с размерами твердых частиц или размерами микротрещин, пор, капилляров.

Растворение с ультразвуком применяется в фармацевтике, пищевой промышленности, производстве удобрений. Путем растворения могут быть получены различные водные, спиртовые, масляные растворы кристаллических веществ, растворы сухих и густых экстрактов, сиропов, пигментов и т.

п., растворы ароматических, дезинфицирующих веществ, фотографические и другие растворы.

Диспергирование

Диспергированием называют процесс получения материалов сверхтонкой дисперсности (размеры частиц измеряются в микрометрах). Диспергирование широко применяется при приготовлении лекарственных суспензий, которые отличаются равномерным распределением частиц в растворителе и продолжительностью хранения.

Ультразвуковое диспергирование позволяет получать высокодисперсные (средний размер частиц — микроны и доли микрон), однородные и химически чистые смеси (суспензии) твердых частиц в жидкостях. Диспергирование суспензий осуществляется при воздействии ультразвука на агрегаты твердых частиц, связанных между собой силами слипания, спекания или спайности. При ультразвуковом диспергировании суспензий дисперсность продукта увеличивается на несколько порядков по сравнению с традиционным механическим измельчением.

Ультразвуковое диспергирование и эмульгирование происходят под действием интенсивных ультразвуковых волн, вызывающих дробящее действие кавитации и турбулентное движение жидкостей.

Для диспергирования используют специальные приборы — ультразвуковые диспергаторы.

Эмульгирование

Эмульгирование — это процесс получения эмульсий. Осуществляется диспергированием одной жидкости в другой (например, механическим перемешиванием) или конденсацией, т. е. выделением капельно-жидкой фазы у пересыщенных паров, растворов и расплавов. Для получения эмульсий применяются различные смесители — гомогенизаторы, коллоидные мельницы.

Ультразвуковым эмульгированием называется переход одной из взаимно нерастворимых жидкостей в дисперсное состояние в среде другой под действием акустических колебаний.

Применение ультразвукового эмульгирования особо актуально для трудно смешиваемых жидкостей. Например, при смешивании нефтепродуктов, масел, жиров с водой. Этим методом удается получить стойкие эмульсии не смешивающихся обычными способами жидкостей.

Ультразвуковое эмульгирование позволяет получать высокодисперсные, практически однородные и химически чистые эмульсии. Для протекания ультразвукового эмульгирования необходима кавитация, условия возникновения и протекания которой определяют основные зависимости эмульгирования от интенсивности и частоты ультразвука, температуры, давления, наличия растворенных газов и т. п.

Процессы акустического эмульгирования перспективно использовать при мыловарении, при обезвоживании сырых нефтей и очистке нефтяных емкостей и танкеров, в технологии производства пищевых продуктов (сливочного масла, маргарина), при получении битумных (асфальтовых) эмульсий, при переработке эмульсий натурального каучука, получения консистентных смазок, охлаждающих жидкостей для металлообработки, при производстве эмульсионных красок (водо-дисперсионных, водоэмульсионных и латексных) и т. д.

Гомогенизация

Гомогенизация жиросодержащих смесей необходима для раздробления жировых шариков, при этом уменьшается их отстаивание при хранении и улучшается слияние при дальнейшем фризеровании. Гомогенизация является необходимым процессом, обеспечивающим стойкую однородность (гомогенность) многокомпонентных эмульсий в течение длительного времени (вплоть до нескольких месяцев и даже лет).

Гомогенизации обычно подвергают молоко, молочные продукты, фруктовые соки, кремы, смазки, топливо, лаки, т. е. эмульсии и суспензии всех видов.

В процессе гомогенизации частицы измельчаются до одного микрона, равномерно распределяясь в массе продукта. Гомогенизация молочных продуктов, таких как комбинированное масло, мороженое, соусы, подразумевает создание средних и тонких эмульсий. Разнородные компоненты этих продуктов под действием гомогенизации тонко распределяются друг в друге, создавая при этом устойчивую эмульсию. Гомогенизация пастообразных продуктов подразумевает создание однородной массы. Гомогенизированный продукт не расслаивается при длительном хранении, пригоден для транспортировки, сохраняя при этом свои качества.

Ультразвук ускоряет и качественно улучшает процесс гомогенизации. Под действием ультразвука оболочки жировых шариков (так называемые липидные оболочки) разрываются, шарики теряют устойчивость и делятся.

Ультразвуковая обработка позволяет не только гомогенизировать молочный жир, с ее помощью можно диспергировать в молоке различные добавки, например, растительный жир, сиропы, порошки, в том числе диспергировать сухое молоко, разрушая комки сухого вещества и ускоряя его растворение.

Распыление

Распыление жидкостей с помощью ультразвука применяется для создания тонких аэрозолей, туманов, чего нельзя добиться другими способами распыления.

Ультразвуковое распыление — одно из перспективных направлений деятельности нашей фирмы. Опыты с различными способами передачи ультразвука на распыляющую поверхность можно посмотреть на видео:

Your browser doesn’t support <video> tag. But you can download the video file in format: webm mp4

Распыление с поверхности алюминиевой банки, помещённой в ультразвуковую ванну

Your browser doesn’t support <video> tag. But you can download the video file in format: webm mp4

Распыление с внутренней поверхности трубы, здесь ультразвуковые колебания передаются на трубу, и она становится ультразвуковым излучателем

См. также

Экстракция
Осветление и коагуляция
Флотация
Дегазация
Обеззараживание

Примечания

^ Кавитацией называется процесс образования полостей и пузырьков в ультразвуковом поле во время фазы растяжения, имеющейся в переменном звуковом давлении. Во время фазы сжатия эти полости и пузырьки захлопываются, порождая микроударные волны, нарушающие целостность прилегающих веществ. Проявляется кавитация в виде шипящего шума, возникающего в жидкости при определенном значении интенсивности ультразвукового поля.