Учёные Сибирского федерального университета разработали методические рекомендации по оптимизации процесса кавитации с точки зрения физических и химических процессов. Они установили влияние различных технологических параметров на эффективность процесса ультразвукового диспергирования — измельчения твёрдых материалов в жидких средах под действием ультразвуковых колебаний.
Ультразвуковая кавитация широко используется в промышленности, фармакологии, медицине, сельском хозяйстве для очистки различных поверхностей и распределения твёрдых частиц материалов в жидкостях. Химики СФУ использовали простой и доступный тест на алюминиевой фольге в ультразвуковой ванне, чтобы определить оптимальные параметры диспергирования твердых материалов с целью получения стабильных дисперсий наночастиц: мощность и частоту ультразвука, время обработки, температуру, характеристики растворителей.
Кавитацией называют физический процесс образования и последующего схлопывания пузырьков в жидкости, который сопровождается местным кратковременным резким повышением давления (около 2000 атм) и температуры (около 5000 К), а также гидравлическими ударами. Во время схлопывания пузырьков высвобождается большое количество энергии. При помощи кавитации можно провести процесс диспергирования – тонкого измельчения твёрдых тел или жидкостей, в результате которого образуются так называемые дисперсные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.
Мы рассмотрели физические параметры, которые влияют на кавитацию, чтобы создать универсальные методические рекомендации по организации этого 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.
Учёные показали, что предпочтительная температура для кавитации колеблется в пределах 15 – 25о С или же выше 60 о С — это связано с поведением кавитационного пузырька в системе. В качестве реактора наиболее предпочтителен тонкостенный сосуд, выполненный из стекла. Кавитационные зоны, в которых происходят основные «события» схлопывания пузырьков, распределяются в сосуде неравномерно, поэтому учёные построили тепловые карты, чтобы выявить наиболее эффективные из них.
Ультразвуковая кавитация позволяет диспергировать объёмные материалы до наночастиц за счёт экстремальных условий, возникающих 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, а также 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. Опираясь на этот успешный опыт, мы предлагаем расширить область применения ультразвука в нанотехнологиях. С его помощью можно создать легко масштабируемое экологичное и экономически выгодное производство наноматериалов непосредственно в жидких средах,
— уточнил соавтор исследования, аспирант Института цветных металлов СФУ Антон Кроликов.
Учёные подчеркнули: исследование обеспечивает систематическую основу для оценки кавитационной дозы в ультразвуковых ваннах и предлагает практические рекомендации по оптимизации процессов ультразвукового диспергирования и улучшению их воспроизводимости.
Мы количественно оценили эффективность процесса кавитации в различных средах с помощью теста на эрозию алюминиевой фольги, зажатой в пластиковой рамке. Полученные данные показали, что растворители с более низким порогом кавитации и благоприятными акустическими характеристиками вызывают более интенсивную эрозию, а материал и геометрия сосуда также существенно влияют на передачу энергии в жидкость
— пояснил Антон Кроликов.
Источник: Минобрнауки России
