Ультразвуковое диспергирование

Ультразвуковое диспергирование – это процесс измельчения в неоднородных средах под действием ультразвукового излучения заданной частоты и интенсивности.

Диспергирование – это часть современных гетерогенных процессов протекающих в системах жидкость – жидкость и жидкость – твердое тело. Процесс диспергирования очень важен в лабораторных исследованиях и фармацевтике. Например, диспергирование с помощью ультразвука применяют для измельчения карбоновых нано трубок. Для этого применяют ультразвук, поскольку только он способен решить поставленную задачу.

Процесс диспергирования ультразвуком является родственным для экстракции. Об ультразвуковой экстракции вы так же можете прочесть в нашей статье https://deltasonic.com.ua/ru/67-ultrazvukovaja-jekstrakcija.html.

Ультразвуковое диспергирование в современной промышленности

 

Перед современной промышленностью очень часто стоят задачи по реализации гетерогенных процессов. Данные процессы могут протекать в следующих средах:

• - жидкость – жидкость;
• - жидкость – твердое тело;

Гетерогенные процессы могут протекать как между двумя неоднородными средами так и между несколькими неоднородными средами. Все эти процессы основаны на физике массообмена в этих средах.

Примеры использования ультразвука для гетерогенных процессов:

1. 1. Естественно, диспергирование.
2. 2. Разделение жидкостей.
3. 3. Разделение суспензий.
4. 4. Процессы кристаллизации.
5. 5. Предотвращение накипеобразования.
6. 6. Полимеризация и деполимеризация.
7. 7. Химические и даже электрохимические реакции.

Стоит отметить, что скорость реакций при обычных условиях без использования ультразвука крайне мала (достигает нескольких часов и даже дней). Она определена величиной поверхности соприкосновения компонентов сред, которые реагируют. При диспергировании в средах жидкость - твердое тело без использования интенсификаторов добиться результатов крайне сложно, а иногда и не возможно. Например, измельчение нано трубок не возможно без дополнительного физического воздействия. В свою очередь, ротационное воздействие на нано трубки имеет крайне низкий КПД. Единственный вариант – применить ультразвуковое диспергирование. Частота ультразвука зависит от размеров самих нано частиц.

Механизм работы ультразвукового диспергирования

Механизм воздействия ультразвука на процесс диспергирования можно описать так:

1. 1. Воздействие на поверхность раздела жидкостей или твердого тела и жидкостей. Кавитация и мощные микропотоки воздействуют на среду.
2. 2. Воздействие на пограничный слой на границе раздела жидкость – твердое тело. Звуковое давление и «ветер» воздействуют на пограничный слой.
3. 3. Увеличение межфазной поверхности взаимодействия.
4. 4. Разрушение и «смытие» пограничного слоя кавитационными потоками при помощи ламинарных и турбулентных течений. Устраняется сопротивление переносу реагирующих веществ и интенсифицируется технологический процесс.
5. 5. Диспергирование как итог.

 

В результате работы ультразвука создается сверхтонкое диспергирование среды. Данный эффект не возможно реализовать другими способами и методами. Достигается он благодаря увеличению межфазной поверхности гетерогенных компонентов среды. Таков один из механизмов интенсификации процессов в жидких средах.  Получение тонкодисперсных суспензий с использованием УЗ – один из интенсифицированных гетерогенных процессов.

Эффективность ультразвукового диспергирования

Эффективность ультразвукового диспергирования бесспорна и имеет следующие причинные связи:

1. 1. УЗ колебания в жидких средах обладают большей эффективностью чем колебания в газах. Удельное волновое сопротивление газов значительно ниже, чем у жидкостей. Мощность излучения в жидкой среде значительно выше чем в газе.
2. 2. Ультразвуковая кавитация, которая возникает в жидких средах, обладает высоким энергетическим воздействием на саму жидкость и на твердое тело.
3. 3. УЗ кавитация создает эффекты второго порядка, которые активно участвуют в процессе диспергирования и приносят дополнительный положительный эффект.

Так образом, использование ультразвука как рабочего инструмента и интенсификатора процесса максимально оправдано и активно применяется в современных производствах.