Ультразвуковая обработка: принципы и применение.

Введение

Применение звуковой энергии
Лабораторная процедура
Соникация – это процесс воздействия звуковой энергии для перемешивания частиц в образце с различными целями, такими как извлечение множества соединений из растений, микроводорослей и морских водорослей. Обычно используются ультразвуковые частоты (> 20 кГц), в связи с чем процесс также известен как ультразвуковая обработка. В лаборатории соникация обычно проводится с использованием ультразвуковой ванны или ультразвукового зонда, в разговорной речи называемого соникатором. В бумагоделательной машине ультразвуковая фольга может более равномерно распределять целлюлозные волокна и повышать прочность бумаги.

Эффекты

Ультразвуковое воздействие оказывает многочисленные химические и физические эффекты. Научная область, занимающаяся изучением влияния звуковых волн на химические системы, называется сонохимией. Химические эффекты ультразвука не возникают в результате прямого взаимодействия с молекулярными частицами. Исследования показали, что прямое сопряжение акустического поля с химическими частицами на молекулярном уровне не может объяснить сонохимию или сонолюминесценцию. Вместо этого в сонохимии звуковые волны распространяются в среде, вызывая колебания давления и кавитацию, которые растут и схлопываются, преобразуя звуковую энергию в механическую. Оно используется для работы с нанокристаллами, липосомами и восковыми эмульсиями, а также для очистки сточных вод, дегазации, экстракции полисахаридов из морских водорослей, производства биотоплива, десульфуризации сырой нефти, разрушения клеток, обработки полимеров и эпоксидных смол, разжижения клеев и многих других процессов. Оно применяется в фармацевтической, косметической, водоочистной, пищевой, лакокрасочной, полиграфической, покрытийной, деревообрабатывающей, металлообрабатывающей, нанокомпозитной, пестицидной, топливной, деревообрабатывающей и многих других отраслях промышленности. Соникация может ускорить растворение, разрушая межмолекулярные взаимодействия. Это особенно полезно, когда невозможно перемешать образец, например, в НМР-трубках. Она также может служить источником энергии для протекания определенных химических реакций. Соникацию можно использовать для удаления растворенных газов из жидкостей (дегазация), подвергая жидкость воздействию ультразвука под вакуумом. Это является альтернативой методам замораживания-оттаивания с откачкой и продувке. В биологических приложениях соникации может быть достаточно для разрушения или дезактивации биологического материала. Например, соникация часто используется для разрушения клеточных мембран и высвобождения клеточного содержимого. Этот процесс называется сонопорацией. Малые одноламеллярные везикулы (SUVs) можно получить путем соникации дисперсии больших многоламеллярных везикул (LMVs). Соникация также используется для фрагментации молекул ДНК, при которой ДНК, подвергнутая кратковременной соникации, расщепляется на более мелкие фрагменты. В нанотехнологиях соникация обычно используется для равномерного диспергирования наночастиц в жидкостях. Кроме того, она используется для разрушения агрегатов коллоидных частиц микронного размера. Соникацию также можно использовать для инициирования процессов кристаллизации и даже контроля полиморфной кристаллизации. Она используется для вмешательства в осаждение антирастворителями (кристаллизацию) для облегчения смешивания и выделения мелких кристаллов. Ультразвуковая очистка основана на механизме соникации, который ослабляет частицы, прилипшие к поверхностям. Помимо лабораторных научных применений, соникационные ванны используются для очистки различных предметов, таких как очки и ювелирные изделия. Соникация также применяется в пищевой промышленности. Основные области применения – диспергирование для экономии дорогостоящих эмульгаторов (например, в майонезе) или ускорение процессов фильтрации (например, растительного масла). Проводились эксперименты с использованием соникации для искусственного старения ликеров и других алкогольных напитков. Образцы почвы часто подвергаются воздействию ультразвука для разрушения почвенных агрегатов, что позволяет изучать различные компоненты почвенных агрегатов (особенно органические вещества почвы) без их жесткой химической обработки. Соникация также используется для извлечения микроокаменелостей из горных пород. Для извлечения используется ультразвуковая ванна или ультразвуковой зонд. Например, эта методика была предложена для удаления изофлавонов из сои и фенольных соединений из отрубей пшеницы и кокосовой стружки. Результаты различаются в зависимости от используемого сырья, растворителя и других методов экстракции. Акустическая или ультразвуковая кавитация лежит в основе работы ультразвуковой экстракции.

Sonication has numerous effects, both chemical and physical. The scientific field concerned with understanding the effect of sonic waves on chemical systems is called sonochemistry. The chemical effects of ultrasound do not come from a direct interaction with molecular species. Studies have shown that no direct coupling of the acoustic field with chemical species on a molecular level can account for sonochemistry or sonoluminescence. Instead, in sonochemistry the sound waves migrate through a medium, inducing pressure variations and cavitations that grow and collapse, transforming the sound waves into mechanical energy. nanocrystals, liposomes and wax emulsions, as well as for wastewater purification, degassing, extraction of seaweed polysaccharides production of biofuels, crude oil desulphurization, cell disruption, polymer and epoxy processing, adhesive thinning, and many other processes. It is applied in pharmaceutical, cosmetic, water, food, ink, paint, coating, wood treatment, metalworking, nanocomposite, pesticide, fuel, wood product and many other industries. Sonication can be used to speed dissolution, by breaking intermolecular interactions. It is especially useful when it is not possible to stir the sample, as with NMR tubes. It may also be used to provide the energy for certain chemical reactions to proceed. Sonication can be used to remove dissolved gases from liquids (degassing) by sonicating the liquid while it is under a vacuum. This is an alternative to the freeze pump thaw and sparging methods. In biological applications, sonication may be sufficient to disrupt or deactivate a biological material. For example, sonication is often used to disrupt cell membranes and release cellular contents. This process is called sonoporation. Small unilamellar vesicles (SUVs) can be made by sonication of a dispersion of large multilamellar vesicles (LMVs). Sonication is also used to fragment molecules of DNA, in which the DNA subjected to brief periods of sonication is sheared into smaller fragments. Sonication is commonly used in nanotechnology for evenly dispersing nanoparticles in liquids. Additionally, it is used to break up aggregates of micron sized colloidal particles. Sonication can also be used to initiate crystallisation processes and even control polymorphic crystallisations. It is used to intervene in anti solvent precipitations (crystallisation) to aid mixing and isolate small crystals. Sonication is the mechanism used in ultrasonic cleaning—loosening particles adhering to surfaces. In addition to laboratory science applications, sonicating baths have applications including cleaning objects such as spectacles and jewelry. Sonication is used in food industry as well. Main applications are for dispersion to save expensive emulgators (mayonnaise) or to speed up filtration processes (vegetable oil etc.). Experiments with sonication for artificial ageing of liquors and other alcoholic beverages were conducted. Soil samples are often subjected to ultrasound in order to break up soil aggregates; this allows the study of the different constituents of soil aggregates (especially soil organic matter) without subjecting them to harsh chemical treatment. Sonication is also used to extract microfossils from rock. An ultrasonic bath or an ultrasonic probe system is used for extraction. For instance, this technique was suggested to remove isoflavones from soybeans and phenolic compounds from wheat bran and coconut shell powder. The outcomes differ for every raw material and solvent utilized and the other extraction techniques. Acoustic or ultrasonic cavitation is the basis for the operation of ultrasound assisted extraction.