DansDans l'industrie moderne et la recherche scientifique, la technologie ultrasonique est devenue un moyen efficace, vert et multifonctionnel de traitement des liquides. En tant que fabricant d'instruments à ultrasons, nous sommes souvent confrontés à la question de l'utilisateur: pourquoi un instrument à ultrasons peut - il remplir simultanément de nombreuses fonctions telles que la fragmentation par ultrasons, l'extraction, l'extraction, l'émulsification et la dispersion? Ces fonctions peuvent sembler diverses, mais elles découlent toutes du principe de base de la sonochimie par ultrasons, l'effet de cavitation.

Cet article commencera par la définition de la sonochimie ultrasonique, détaillera son principe de fonctionnement et analysera un par un les mécanismes de mise en œuvre des fonctions ci - dessus et leur valeur dans des scénarios d'application spécifiques.

I. définition et principes de la chimie par ultrasons

La sonochimie sonique fait référence à un phénomène de réaction physico - chimique unique déclenché dans un milieu liquide à l'aide d'un système de traitement par ultrasons de haute puissance (équipement), dont le mécanisme central est « l'effet de cavitation». L'effet de cavitation est un processus dynamique d'un liquide sous l'action d'un champ ultrasonore à haute fréquence. concret

En revanche, lorsque les ultrasons sont libérés dans le liquide sous la forme de vibrations à haute fréquence de 20 à 40 kHz à travers la tête émettrice d'ultrasons, les fluctuations de pression acoustique atteignent une valeur critique, ce qui entraîne la formation de minuscules bulles d'air dans le liquide. Ces bulles se dilatent rapidement, se compriment et finissent par s'effondrer et se fermer pendant les cycles de pression positive et négative des ondes sonores.

L'intensité de l'effet de cavitation dépend de la puissance ultrasonore, de la fréquence, de la nature du liquide (viscosité, Tension superficielle) et des facteurs environnementaux (température, pression). Un instrument à ultrasons typique est généralement équipé d'une puissance de sortie réglable (plusieurs centaines de watts à plusieurs kilowatts) et d'une conception de sonde qui s'adapte à différents volumes de traitement de liquides. Cela permet à un même appareil d'être ajusté par des paramètres, permettant de multiples fonctions sans avoir à changer de matériel. Ensuite, nous explorerons les principes et les applications de ces fonctions.

II. Résolution multifonctionnelle des instruments à ultrasons

La raison pour laquelle un instrument à ultrasons peut définir de multiples fonctions telles que la fragmentation par ultrasons, l'extraction, l'extraction, l'émulsification et la dispersion réside fondamentalement dans la nature multidimensionnelle de l'effet de cavitation.L'effondrement des bulles de cavitation produit des températures élevées, des pressions élevées, des ondes de choc et des micro - jets, qui peuvent agir simultanément sur les particules, les molécules et les interfaces dans le liquide pour réaliser de nombreux effets tels que la fragmentation, le mélange et la séparation. Plus précisément:

• Cassé:Les ondes de choc et les microjets détruisent directement les structures solides, telles que les parois cellulaires.

• Extraction / Extraction:Améliore la diffusion du soluté et favorise la libération des ingrédients actifs des solides.

• émulsification / homogénéisation:Favorise la fusion interfaciale de la phase insoluble pour former une émulsion stable.

• Dispersion:Briser la réunion des particules pour assurer une distribution uniforme.

Ces fonctions ne sont pas isolées, mais sont basées sur la même base physique, commutée en ajustant la puissance ultrasonore, le temps et le milieu, comme l'ajout de tensioactifs. Ce qui suit est détaillé un par un.

Iii. Scénarios d'application pratique

1. Fragmentation ultrasonique: destruction de la structureLibérationContenu

La fragmentation par ultrasons utilise principalement l'impact mécanique et la force de cisaillement de l'effet de cavitation pour détruire la structure des particules solides ou des cellules biologiques et réaliser la libération de la matière interne. Ceci est particulièrement important dans le domaine des produits biologiques et des matériaux.

Dans les applications, la fragmentation par ultrasons est couramment utilisée pour la fragmentation cellulaire. Par exemple, dans un laboratoire biomédical, les chercheurs doivent extraire des protéines, de l'ADN ou des enzymes à l'intérieur de cellules bactériennes ou de levures.

Les méthodes traditionnelles telles que le broyage mécanique ou l'homogénéisateur haute pression ont tendance à provoquer une contamination de l'échantillon ou une dégradation thermique, tandis que la fragmentation par ultrasons peut fonctionner avec précision à basse température: les microjets de cavitation frappent les parois cellulaires à grande vitesse, créant instantanément une pression locale élevée qui provoque la rupture des membranes cellulaires, libérant la matière intracellulaire.

Les cas pratiques incluent l'extraction protéique d'Escherichia coli, où l'échographie prend seulement quelques minutes pour augmenter le taux d'extraction à plus de 90%, évitant la dénaturation des protéines thermosensibles.

En science des matériaux, la fragmentation par ultrasons est appliquée à la fragmentation de minéraux ou de polymères. Par exemple, lors du traitement d'agglomérats minéraux de silicate, les ultrasons brisent les liaisons hydrogène et les forces de Van der Waals, produisant des fines de taille de particules uniforme qui sont utilisées dans la production de céramiques ou de peintures. En particulier, dans la préparation de nouveaux matériaux de batterie d'énergie, le minerai de lithium concassé est réuni pour améliorer l'efficacité d'extraction des ions lithium.

2. Extraction / Extraction: faciliter le transfert et la séparation de la matière

Les fonctions d'extraction et d'extraction sont basées sur l'amélioration du transfert de masse par effet de cavitation. Les ondes de choc et les microjets accélèrent la diffusion du soluté de la matrice solide vers le solvant tout en détruisant la couche limite et en augmentant la vitesse d'extraction.

Ceci est particulièrement évident dans le domaine de la médecine chinoise et de l'extraction végétale. Par exemple, lors de l'extraction des polysaccharides d'orge, la méthode traditionnelle de cuisson à l'eau prend plusieurs heures et le taux d'extraction n'est que d'environ 1%, tandis que l'extraction assistée par ultrasons augmente le taux d'extraction à 1,99% en détruisant les parois cellulaires et en agglomérant les Polysaccharides avec un traitement par étapes de minutes seulement.

De même, dans l'extraction de l'huile essentielle de rose, les ultrasons retiennent les composants sensibles à la chaleur tels que les terpènes volatils, évitent les pertes dues à la distillation à haute température et conviennent à l'industrie des cosmétiques et des parfums.

Les applications dans l'industrie alimentaire comprennent l'extraction de polyphénols de thé et de flavonoïdes de propolis d'abeille. Le traitement par ultrasons peut améliorer le taux de dissolution de 30% ~ 50%, réduire la quantité de solvant organique et promouvoir la production verte.

Dans la restauration de l'environnement, l'extraction par ultrasons est utilisée pour la séparation des métaux lourds du sol. Par exemple, lors du traitement des sols contaminés par le plomb, les ultrasons améliorent la pénétration de l'agent chélateur et augmentent le taux d'extraction de 40%, ce qui convient aux travaux de restauration des sols.

3. émulsification: mélange stable de la phase insoluble

La fonction émulsionnante utilise l'action interfaciale active de l'effet de cavitation pour faciliter le mélange homogène de liquides insolubles tels que l'huile et l'eau, formant des émulsions à l'échelle micrométrique ou nanométrique. Ceci est largement utilisé dans les produits chimiques et pharmaceutiques.

Dans le domaine biopharmaceutique, l'émulsification par ultrasons est utilisée pour la préparation de nanoémulsions Encapsulant des médicaments hydrophobes tels que le Paclitaxel, un médicament anticancéreux. Les microjets cavitants réduisent la taille des gouttelettes à moins de 100 nm, améliorent la solubilité et la biodisponibilité du médicament et permettent une administration ciblée. Tel que la préparation du liposome: traitement ultrasonique des Phospholipides et du mélange de médicaments, amélioration de l'efficacité de l'émulsion de 2 à 3 fois, stabilité du produit jusqu'à plusieurs mois.

Dans les matériaux chimiques, l'émulsification est appliquée à la production de peintures à base d'eau. Par exemple, lors de l'émulsification des résines et des pigments, les ultrasons brisent la tension interfaciale et forment un système de dispersion uniforme qui améliore l'adhérence et la brillance de la peinture.

En outre, dans la transformation des aliments, l'émulsification par ultrasons est utilisée pour la stabilisation de la mayonnaise ou des produits laitiers: l'effet de cavitation dégaze et antimousse, assure que le produit est exempt de bulles et prolonge la durée de conservation.

4. Dispersion: système de particules uniformément distribué

La fonction de dispersion brise la cohésion des masses entre les particules par l'onde de choc de cavitation, permettant une distribution uniforme à l'échelle nanométrique, adaptée aux systèmes à viscosité élevée ou à précipitation facile.

Dans le domaine des nanomatériaux, la dispersion est une étape clé. Par exemple, dans la préparation de nouveaux matériaux énergétiques tels que le Graphène, les ultrasons (20 ~ 40 kHz) brisent la force de Van der Waals entre les couches, augmentent le taux de dépôt de 30%, améliorent la pureté, tout en réduisant la consommation d'énergie de 40%. Tel que le matériau d'électrode de batterie au lithium: agglomération de nanotubes de carbone dispersés, amélioration de la conductivité électrique, augmentation de la capacité de la batterie de 15%.

Dans les matériaux électroniques, les ultrasons haute fréquence (> 100 kHz) dispersent les nanoparticules de ferrite, empêchent l'agglomération, augmentent la Perméabilité magnétique et sont utilisés dans les transformateurs et les capteurs. Les applications de dispersion de pigments comprennent les peintures automobiles et les encres d'impression: les microjets cavitants brisent les agglomérats de pigments organiques, améliorent la force de coloration et la brillance et évitent les problèmes d'aberration chromatique.

Dans les sciences de l'environnement, la dispersion est utilisée pour le traitement des eaux usées: le traitement par ultrasons du charbon actif agglomère, améliore l'efficacité de l'adsorption et élimine les ions de métaux lourds jusqu'à plus de 95%.

5. Autres fonctions auxiliaires: remuer et purifier

En plus des fonctions de base ci - dessus, l'instrument à ultrasons permet également l'agitation et la purification. L'agitation active la surface par cavitation, accélérant les réactions telles que l'hydrogénation catalytique des oléfines par la poudre de nickel, augmentant la vitesse d'un facteur 10 ^ 5. L'épuration utilise alors l'effet de séparation, par exemple la purification du Polysaccharide brut d'orge, combinée à la chromatographie sur colonne, la protéine résiduelle tombant en dessous de la limite de détection; Dans le placage, les ultrasons éliminent les impuretés d'électrode et augmentent la dureté du placage de 20%.