emNa moderna indústria e pesquisa científica, a tecnologia de ultra-som tornou-se um meio eficiente, verde e versátil de tratamento de líquidos. Como fabricante de instrumentos de ultra-som, muitas vezes nos deparamos com a pergunta dos nossos usuários: por que um único instrumento de ultra-som pode realizar várias funções ao mesmo tempo, como quebrar, extrair, extrair, emulsionar e dispersar? Essas funções parecem variadas, mas o seu núcleo vem do princípio básico da química do ultra-som: o efeito de cavitação.

Este artigo vai começar com a definição de química de ultra-som, detalhando seu princípio de funcionamento e analisando o mecanismo de implementação das funções acima mencionadas e seu valor em cenários de aplicação específicos.

Definição e princípios da química de ultra-som

A química sonora refere-se a um fenômeno físico-químico único desencadeado no meio líquido pelo uso de sistemas (equipamentos) de tratamento por ultra-som de alta potência, cujo mecanismo central é o "efeito de cavitação". O efeito de cavitação é o processo dinâmico de um líquido sob a ação de um campo de ultra-som de alta frequência. Específico

Quando o ultra-som é liberado no líquido na forma de vibração de alta frequência de 20 a 40 kHz através do emissor de ultra-som, as flutuações da pressão sonora atingem o valor crítico, levando à formação de pequenas bolhas no líquido. Essas bolhas expandem-se rapidamente, comprimem-se durante o ciclo de pressão positiva e negativa das ondas sonoras e, finalmente, colapsam e fecham-se.

A intensidade do efeito de cavitação depende da potência, frequência, propriedades do líquido (como viscosidade, tensão superficial) e fatores ambientais (como temperatura, pressão). Um instrumento de ultra-som típico é geralmente equipado com uma saída de potência ajustável (centenas de watts a quilowatts) e um design de sonda que se adapta ao tratamento de líquidos de diferentes volumes. Isso permite que o mesmo dispositivo seja ajustado por parâmetros para várias funções sem a necessidade de substituir o hardware. Em seguida, vamos explorar os princípios e aplicações dessas funções.

Análise multifuncional de instrumentos de ultra-som

A razão pela qual um instrumento de ultra-som pode definir várias funções, como quebrar, extrair, extrair, emulsionar e dispersar por ultra-som, é fundamentalmente a polifacética do efeito de cavitação.A alta temperatura, a alta pressão, as ondas de choque e os microjatos gerados pelo colapso das bolhas de cavitação podem atuar simultaneamente nas partículas, moléculas e interfaces do líquido, alcançando vários efeitos como quebra, mistura e separação. Especificamente:

• Quebrado:Ondas de choque e microjatos danificam diretamente estruturas sólidas, como paredes celulares.

• Extração/Extração:Aumenta a difusão de solíduos e promove a liberação de ingredientes ativos do sólido.

• Emulsão / homogeneidade:Promove a fusão da interface da dissolução não-fase para formar uma loção estável.

• Distribuição:Quebra a reunião das partículas para garantir uma distribuição uniforme.

Essas funções não são isoladas, mas são baseadas na mesma base física, alternando através da regulação da potência, tempo e meio de ultra-som, como a adição de surfactantes. Detalhados abaixo.

III. Aplicações práticas

1. ultra-som quebra: destruir a estruturaLiberaçãoConteúdo

A quebra por ultra-som utiliza principalmente o impacto mecânico e a força de corte do efeito de cavitação para destruir a estrutura de partículas sólidas ou células biológicas e alcançar a liberação de substâncias internas. Isso é particularmente importante no campo da biologia e dos materiais.

Em aplicações, a quebra por ultra-som é frequentemente usada para quebrar células. Por exemplo, em um laboratório biomédico, os pesquisadores precisam extrair proteínas, DNA ou enzimas de bactérias ou células de levedura.

Os métodos tradicionais, como a moagem mecânica ou o homogeneizador de alta pressão, tendem a levar à poluição ou degradação térmica da amostra, enquanto a quebra por ultra-som pode operar com precisão a baixas temperaturas: o microrreio cavitado atinge a parede celular a alta velocidade, gerando uma alta pressão local instantânea que resulta na ruptura da membrana celular e libera matéria intracelular.

Os casos reais incluem a extração de proteínas de E. coli, que leva apenas alguns minutos para aumentar a taxa de extração para mais de 90%, evitando a degeneração da proteína térmica.

Na ciência dos materiais, a fragmentação por ultra-som é aplicada à fragmentação de minerais ou polímeros. Por exemplo, ao processar agrupamentos minerais de silicatos, o ultra-som pode quebrar as ligações de hidrogênio e a força de Van der Waal, produzindo pó fino de tamanho uniforme para a produção de cerâmica ou revestimento. Específicamente, como na preparação de materiais de bateria de nova energia, a reunião do minério de lítio quebrado para melhorar a eficiência da extração de íons de lítio.

Extração/extração: facilitar a transferência e separação de matérias

As funções de extração e extração melhoram a transmissão de massa com base no efeito de cavitação. Ondas de choque e microjatos aceleram a difusão do solúvido da matriz sólida para o solvente, ao mesmo tempo que danificam a camada de fronteira e aumentam a taxa de extração.

Isso é particularmente evidente no campo da medicina chinesa e da extração vegetal. Por exemplo, a extração de poliaçúcares de trigo de inverno leva algumas horas com uma taxa de extração de apenas cerca de 1%, enquanto a extração auxiliada por ultra-som aumenta a taxa de extração para 1,99% através da destruição da parede celular e da reunião de poliaçúcares em apenas alguns minutos.

Da mesma forma, na extração de óleos essenciais de rosa, o ultra-som mantém ingredientes sensíveis ao calor, como terpenos voláteis, evitando perdas resultantes da destilação a altas temperaturas e é aplicável à indústria de cosméticos e perfumes.

Aplicações na indústria alimentar incluem a extração de polifenóis de chá e flavonas de abelha. O tratamento com ultra-som pode aumentar a taxa de solubilidade de 30% ~ 50%, reduzir a quantidade de solventes orgânicos e promover a produção verde.

Na reparação ambiental, a extração por ultra-som é usada para a separação de metais pesados do solo. Por exemplo, ao lidar com o solo contaminado pelo chumbo, o ultra-som aumenta a penetração do quelante e a taxa de extração aumenta em 40%, aplicável a projetos de reparação do solo.

3. Emulsão: mistura estável de fase dissolvida

A função de emulsão utiliza o efeito de atividade da interface do efeito de cavitação para promover a mistura uniforme de líquidos insolúveis, como óleo e água, para formar uma emulsão de microns ou nanons. É amplamente utilizado na indústria química e farmacêutica.

Na área biofarmacêutica, a emulsão por ultra-som é usada para preparar nano-emulsões envolvendo medicamentos hidrofóbicos, como o medicamento anticancerígeno Zitronol. O microrreio de cavitação reduz o tamanho das gotas para abaixo de 100 nm, aumentando a solubilidade e biodisponibilidade do medicamento para alcançar a administração direcionada. Específicos como a preparação de liposomas: tratamento por ultra-som de fosfolípidos e mistura de medicamentos, eficiência de emulsão melhora 2 a 3 vezes, estabilidade do produto até vários meses.

Em materiais químicos, a emulsão é usada na produção de revestimentos à base de água. Por exemplo, ao emulsionar resinas e pigmentos, o ultra-som quebra a tensão da interface, formando um sistema de dispersão uniforme que aumenta a adesão e o brilho da pintura.

Além disso, no processamento de alimentos, a emulsão por ultra-som é usada para estabilizar a maionesa ou os produtos lácteos: o efeito de cavitação desgasifica a espuma, garante que o produto não tenha bolhas e prolonga a vida útil.

Distribuição: distribuição uniforme do sistema de partículas

A função de dispersão quebra a força de reunião entre as partículas através da cavitação das ondas de choque, alcançando uma distribuição uniforme em nanoescala, adequada para sistemas de alta viscosidade ou fácil precipitação.

No campo dos nanomateriais, a dispersão é um passo fundamental. Por exemplo, na preparação de novos materiais energéticos, como o grafeno, o ultra-som (20 a 40 kHz) quebra a força de van der Waal entre camadas, aumentando a taxa de sedimentação em 30%, melhorando a pureza e reduzindo o consumo de energia em 40%. Específicos como materiais de eletrodos de baterias de lítio: reunião de nanotubos de carbono dispersos, condutividade melhorada e capacidade da bateria aumentada em 15%.

Em materiais eletrônicos, ultra-som de alta frequência (> 100 kHz) dispersa nanopartículas de óxido de ferro para evitar a reunião e aumentar a condutividade magnética para transformadores e sensores. As aplicações de dispersão de pigmentos incluem tintas de automóveis e tintas de impressão: a cavitação de microrreios quebra agrupamentos de pigmentos orgânicos, melhora a cor e o brilho e evita problemas de diferença de cor.

Na ciência ambiental, a dispersão é usada para o tratamento de águas residuais: o tratamento por ultra-som da reunião do carvão ativo, melhorando a eficiência da adsorção e removendo íons de metais pesados de mais de 95%.

Outras funções auxiliares: mistura e purificação

Além das funções básicas acima mencionadas, os instrumentos de ultra-som também permitem agitação e purificação. Agitar através da cavitação da superfície ativada para acelerar a reação, como o níquel em pó cataliza a hidrogenação da olefina, a taxa aumenta 10 ^ 5 vezes. A purificação utiliza o efeito de separação, por exemplo, purificação de trigo de inverno com açúcar grosso, combinado com a estratificação de coluna, reduzindo a proteína residual abaixo do limite de detecção; Na galvanização, o ultra-som elimina as impurezas do eletrodo e aumenta a dureza do revestimento em 20%.