Иногда обычный инструмент слишком большой для задачи. Он не может ударить по частице размером в микрон, залезть внутрь клетки или работать прямо в крошечном канале.
Но инструмент можно создать прямо в жидкости.
Ультразвук заставляет порождать микроскопические пузырьки пара в жидкости, затем расти и… схлопываться.
Механизм этого явления, следующий:
• Зарождение. В микроскопической газовой полости или на частице возникает пузырёк.
• Рост. Из-за низкого давления жидкость испаряется внутрь него, а растворённые газы диффундируют в полость.
• Схлопывание. Давление резко возрастает, пар конденсируется, а оставшийся газ сильно сжимается.
В момент схлопывания температура и давление внутри могут кратковременно стать чрезвычайно высокими. Возможно образование активных радикалов, например -OH и -H, а при мощной ультразвуковой кавитации — кратковременно ионизированного газа, близкого к микроплазме.
Поэтому в момент схлопывания возникают мощные локальные потоки, микроструи и удары. На доли мгновения пузырёк превращается в одновременно в микро-молоток, микро-мешалку или микро-реактор.
Именно из этого вырастают основные применения акустической кавитации:
Очистить поверхность объекта (или труднодоступное место), контактирующего с жидкостью
Разбить комки частиц слипшегося вещества.
Безопасно вскрыть клетки, содержащие внутри нужное вещества, и достать содержимое
Смешать жидкости, которые в обычных условиях не смешиваются
Ускорить химическую реакцию
Быстро и полностью удалить из жидкости растворенный в ней газ.
Применение 1. Удалять загрязнения без прямого механического воздействия, в частности из труднодоступных мест.
Если для удаления загрязнений нежелательно применять механическое или химическое воздействие, или загрязнение невозможно достать, поскольку оно находится внутри отверстия, канала или сложного рельефа, то положение может спасти ультразвук.
И тут пузырёк оказывается полезнее щётки или агрессивной химии. Схлопнувшись около поверхности вблизи загрязнений, он создаёт микрострую и локальный удар прямо по загрязнению. При этом чистящий инструмент возникает там, где проникает жидкость.
МКС. Если нужно удалить загрязнение с поверхности, в том числе из сложного рельефа, каналов и глухих отверстий, но механический инструмент туда не проходит, а абразив или сильная химия могут повредить объект, то нужно поместить объект в жидкость и создать в ней акустическую кавитацию. За счёт микроструй, ударных волн и микропотоков разрушается пограничный слой и загрязнение отделяется от поверхности.
Пример. Внутри топливной форсунки есть крошечные каналы, куда щёткой не добраться, а отложения портят распыл топлива. Форсунку помещают в ультразвуковую ванну, и кавитация выбивает загрязнение прямо из внутренних каналов.
Ссылка: https://dspace.kntu.kr.ua/items/ec9f82f8-afe0-4b0a-96a5-178a191bdf07/full
Применение 2. Разбить комки частиц слипшегося вещества
Мелкие частицы склонны коагулировать в комки. Механическая мешалка решает задачу только частично, перемещая такой комок по всему баку, но сам комок меняется слабо
Кавитация переносит воздействие с макроуровня, на микроуровень. Пузырьки возникают и схлопываются рядом комками слипшегося материала, создают резкие потоки и удары — и разрушает слипшиеся комки, в то время как обычная мешалка просто перемещает их.
МКС. Если необходимо разрушить слипшийся в комки материал и равномерно распределить его мелкие частицы в жидкости, то нужно создать в жидкости акустическую кавитацию. За счёт локального сдвига, импульсов давления и микропотоков преодолеваются силы, удерживающие частицы вместе, и комки распадаются на мелкие частицы.
Пример: Углеродные нанотрубки полезны в композитах, но при хранении сбиваются в комки и неравномерно распределяются в композите при изготовлении, что приводит к снижению качества получаемого материала. Ультразвуковая кавитация разбивает эти комки и помогает равномерно распределить нанотрубки в смоле.
Применение 3. Вскрыть оболочку и вытащить содержимое
Иногда нужное вещество уже есть — проблема лишь в том, что оно «заперто внутри». На макроуровне мы механически разрушаем оболочку-защиту и извлекаем полезное вещество. На как быть на микроуровне, когда размер доли миллиметра? Например, масло находится внутри клетки семян сои, а растворитель должен сначала проникнуть через оболочку, а потом ещё вынести содержимое наружу.
Кавитация делает сразу две работы — разрушает преграду и интенсивно гоняет жидкость около неё. Получается своеобразный взлом с одновременной извлечением полезного содержимого.
МКС. Если нужно вскрыть клетки или пористую структуру и/или ускорить выход находящегося внутри вещества, то нужно поместить их в жидкость и создать кавитацию. За счёт этого разрушается оболочка клетки и ускоряется выход полезного вещества наружу.
Пример: Ценное масло находится внутри клеток микроводорослей, а прочная оболочка мешает его извлечь. Ультразвуковая кавитация разрушает клетки и помогает маслу быстрее выйти в растворитель.
Ссылка: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211926418304880
Применение 4. Подружить масло с водой
Масло и вода не хотят смешиваться. Можно взболтать их посильнее, но крупные капли быстро встретятся снова, объединятся — и смесь снова расслоится.
При кавитации сильные потоки около пузырьков рвут крупные капли на множество микро-капель. Микро-капли медленнее всплывают, поскольку подъемная сила действует слабее, а одноименный электрический заряд, который получают капли приводит к их взаимному отталкиванию и препятствует слиянию. Поэтому получается довольно устойчивая эмульсия.
МКС. Если нужно получить эмульсию плохо смешивающихся жидкостей (или порошка и жидкости), то нужно создать ультразвуковую кавитацию в области контакта этих веществ, которая обеспечит получение эмульсии из этих вещества. Замечание. Если необходимо обеспечить стабильность вновь образованной смеси, то в нее рекомендуется добавить эмульгатор.
Пример: Масло базилика с водой само по себе не смешивается и быстро расслаивается. Ультразвук дробит масло на нанокапли, что позволяет получить устойчивую эмульсии.
Ссылка: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22954686/
Применение 5. Химический реактор размером с пузырёк
Иногда реагенты уже находятся рядом, но реакция всё равно почти не идёт, поскольку поверхность металла покрыта некоторым слоем вещества, из-за которого реагенты плохо контактируют, или реакция в обычных условиях просто не происходит.
Схлопывающийся кавитационный пузырёк на мгновение создаёт вокруг себя особые локальные условия, а также одновременно очищает поверхности и перемешивает реагенты вблизи них. При этом нет необходимости создавать, например, высокую температуру во всем реакторе — маленький экстремальный реактор возникает прямо внутри жидкости при схлопывании кавитационного пузырька.
МКС. Если нужно ускорить химическую реакцию, активировать реакцию на поверхности твёрдого реагента или разрушить устойчивое соединение, то можно создать акустическую кавитацию в реакционной среде. За счёт очистки поверхности, локальных экстремальных условий, образования активных частиц и усиления локального массопереноса реакция пойдет гораздо активнее.
Пример: Химическая реакция с магнием не хотела запускаться из-за малоактивной поверхности металла. Колбу поставили в обычную ультразвуковую ванну: кавитация очистила и активировала поверхность магния — и реакция пошла.
Ссылка: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.joc.1c00805
Применение 6. Выгнать газ из жидкости
Растворённый газ в обычных условиях выходит медленно, особенно если его молекулы рассеяны по всему объёму. Здесь кавитационный пузырёк выполняет функцию провокатора, который появляется, чтобы помочь исчезнуть другим пузырькам.
Ультразвук помогает собрать растворенный газ в растущие пузырьки. Маленькие объединяются, становятся крупнее и всплывают. Вместо того чтобы ждать отдельные молекулы растворенного газа сами соберутся в пузырьки, мы фактически строим им лифт на поверхность.
МКС. Если нужно удалить растворённый или мелкодисперсный газ из жидкости или расплава, то нужно создать акустический режим, стимулирующий образование, рост и объединение газовых пузырьков. За счёт диффузии растворённого газа в пузырьки и их слияния, газ концентрируется в крупных пузырьках, которые легче отделяются от жидкости.
Пример: Растворённый водород в жидком алюминии после затвердевания превращается в поры и портит деталь. Ультразвук собирает водород в пузырьки, которые всплывают и уходят из расплава ещё до литья.
Ссылка: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167577X0400504X
Послесловие. Где пузырёк перестаёт быть супергероем, или нежелательные последствия акустической кавитации
1. Кавитация может разрушать не только загрязнения, но и само изделие. Поэтому при обработке изделий необходимо подбирать режимы, обеспечивающие очистку, но не наносящие повреждения изделия.
2. Энергия, выделяемая при ультразвуковой обработке, нагревает вещество. Если это нежелательно, что следует использовать принудительное охлаждение, паузы или импульсный режим работы.
3. В большом объёме кавитация работает неравномерно, поэтому при необходимости обработки больших объемов рекомендуется использовать несколько излучателей, проточную схему или рециркуляцию.
4. Ультразвук хорошо работает в малых объемах, но плохо перемешивает большой объём жидкости. Возможное решение – использовать би-систему, когда механическая мешалка выполняет большое перемешивание, а кавитации обеспечивает дробление капель, частиц и загрязнений.
5. Кавитация может разрушать полезный продукт. Компромиссное решение может состоять в том степень обработки контролируется и процесс останавливается, как только достигнут нужный результат, то есть повреждения носят допустимый характер.
