Исследователи установили влияние технологических параметров на эффективность ультразвукового диспергирования — измельчения твердых материалов в жидких средах под действием ультразвуковых колебаний.
Учёные показали: предпочтительная температура для кавитации колеблется в пределах 15–25 градусов Цельсия или выше 60 градусов Цельсия. Это связано с поведением кавитационного пузырька в системе. В качестве реактора лучше выбрать тонкостенный сосуд, выполненный из стекла. Кавитационные зоны, где схлопываются пузырьки, распределяются неравномерно, поэтому учёные построили тепловые карты, чтобы выявить наиболее эффективные из них.
«Мы рассмотрели физические параметры, которые влияют на кавитацию, чтобы создать универсальные методические рекомендации по организации процесса. Оказалось, на эффективность кавитации существенно влияют как параметры оборудования (мощность и частота источника ультразвука), так и физико-химические свойства дисперсионной среды (вязкость, поверхностное натяжение, плотность, растворимость газов и др.), а также характеристика материала, из которого изготовлен сонохимический реактор, время обработки, температура и др. факторы», — рассказала профессор кафедры физической и неорганической химии Института цветных металлов СФУ Светлана Сайкова.
Кавитацией называют физический процесс образования и последующего схлопывания пузырьков в жидкости. Он сопровождается местным кратковременным резким повышением давления (около 2000 атм.), температуры (около 5000 К) и гидравлическими ударами. Во время схлопывания пузырьков высвобождается большое количество энергии. При помощи кавитации можно провести диспергирование – измельчение твёрдых тел или жидкостей, в результате которого образуются дисперсные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.
Ультразвуковая кавитация широко используется в промышленности, фармакологии, медицине, сельском хозяйстве для очистки поверхностей и распределения твёрдых частиц в жидкостях. Химики СФУ использовали доступный тест на алюминиевой фольге в ультразвуковой ванне, чтобы определить оптимальные параметры диспергирования твердых материалов для получения стабильных дисперсий наночастиц: мощность и частоту ультразвука, время обработки, температуру, характеристики растворителей.
«Ультразвуковая кавитация позволяет диспергировать объёмные материалы до наночастиц за счёт экстремальных условий при схлопывании пузырьков. Этот сонохимический метод уже дал результаты в фармацевтике и пищевых технологиях. В медицине с её помощью производят лекарственные средства, в пищевой промышленности — гомогенизируют молоко, дробя жировые молекулы для равномерного распределения, подготавливают воду для разведения сухого молока, пастеризуют и стерилизуют молочные продукты. Особая технология подготовки теста на воде, прошедшей через кавитатор, позволяет получать хлеб более объёмным, эластичным и дольше сохраняющим свежесть. Ультразвуковая кавитация эффективна для удаления жиросодержащих примесей из сточных вод пищевых производств и традиционно используется для очистки украшений из драгоценных металлов», — уточнил соавтор исследования, аспирант Института цветных металлов СФУ Антон Кроликов.
Учёные предложили расширить область применения ультразвука в нанотехнологиях, например, создавать легко масштабируемое экологичное и экономически выгодное производство наноматериалов в жидких средах.
Информация предоставлена пресс-службой СФУ
Источник фото: ru.123rf.com
