Ускорение процессов в жидкостях

Опыт, показывающий ускорение ультразвуком перемешивания двух жидкостей — подкрашенной и прозрачной

Содержание

Ультразвук применяют для ускорения и интенсификации физико-химических процессов в жидкостях. В ультразвуковом поле возникает кавитация[1], акустические течения и другие эффекты, способствующие быстрому перемешиванию жидкостей и соприкасающихся с ними твёрдых частиц. Размываются пограничные слои между разными жидкостями и между жидкостями и твёрдыми веществами, а процессы, идущие в этих слоях, существенно ускоряются.

Экстракция растительного сырья — отдельная сложная технология, использующая описанные здесь процессы.

Растворение

Растворение твёрдых тел — это гетерогенное физико-химическое взаимодействие твёрдого тела и жидкости, сопровождающееся переходом твёрдой фазы в раствор. Растворами называются гомогенные (т. е. однородные) смеси двух или более веществ. Наиболее распространенное агрегатное состояние растворов — жидкое.

Ультразвук применяют для ускорения растворения веществ. При этом наблюдается снижение доли осадка, идёт процесс растворения труднорастворимых веществ. Ультразвук позволяет не применять специальные растворители.

В ультразвуковом поле, возбуждаемом в жидкой среде, возникает переменное давление частиц, переменный поток в направлении распространения колебательного процесса, кавитация и др. Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация. Кавитация ускоряет протекание ряда физико-химических процессов, в том числе и растворения.

Использование ультразвуковой обработки позволяет до двух порядков ускорить растворение растворимых веществ, в 10—30 раз — медленно растворимых, в 3—5 раз — малорастворимых. Например, сахар в воде с ультразвуком растворяется в 10 раз быстрее, чем обычным способом, камфора в подсолнечном масле — в 50 раз.

При воздействии ультразвука на среду динамическая вязкость полярных жидкостей уменьшается, микротрещины и поры в твердом веществе разветвляются, увеличиваются их размеры и глубина. При использовании ультразвука как средства интенсификации процесса растворения существенное значение имеют микропульсации растворителя, в особенности, если длина волны сопоставима с размерами твердых частиц или размерами микротрещин, пор, капилляров.

Растворение с ультразвуком применяется в фармацевтике, пищевой промышленности, производстве удобрений. Путем растворения могут быть получены различные водные, спиртовые, масляные растворы кристаллических веществ, растворы сухих и густых экстрактов, сиропов, пигментов и т. п., растворы ароматических, дезинфицирующих веществ, фотографические и другие растворы.

Диспергирование

Диспергированием называют процесс получения материалов сверхтонкой дисперсности (размеры частиц измеряются в микрометрах). Диспергирование широко применяется при приготовлении лекарственных суспензий, которые отличаются равномерным распределением частиц в растворителе и продолжительностью хранения.

Ультразвуковое диспергирование позволяет получать высокодисперсные (средний размер частиц — микроны и доли микрон), однородные и химически чистые смеси (суспензии) твердых частиц в жидкостях. Диспергирование суспензий осуществляется при воздействии ультразвука на агрегаты твердых частиц, связанных между собой силами слипания, спекания или спайности. При ультразвуковом диспергировании суспензий дисперсность продукта увеличивается на несколько порядков по сравнению с традиционным механическим измельчением.

Ультразвуковое диспергирование и эмульгирование происходят под действием интенсивных ультразвуковых волн, вызывающих дробящее действие кавитации и турбулентное движение жидкостей.

Для диспергирования используют специальные приборы — ультразвуковые диспергаторы.

Эмульгирование

Эмульгирование — это процесс получения эмульсий. Осуществляется диспергированием одной жидкости в другой (например, механическим перемешиванием) или конденсацией, т. е. выделением капельно-жидкой фазы у пересыщенных паров, растворов и расплавов. Для получения эмульсий применяются различные смесители — гомогенизаторы, коллоидные мельницы.

Ультразвуковым эмульгированием называется переход одной из взаимно нерастворимых жидкостей в дисперсное состояние в среде другой под действием акустических колебаний.

Применение ультразвукового эмульгирования особо актуально для трудно смешиваемых жидкостей. Например, при смешивании нефтепродуктов, масел, жиров с водой. Этим методом удается получить стойкие эмульсии не смешивающихся обычными способами жидкостей.

Ультразвуковое эмульгирование позволяет получать высокодисперсные, практически однородные и химически чистые эмульсии. Для протекания ультразвукового эмульгирования необходима кавитация, условия возникновения и протекания которой определяют основные зависимости эмульгирования от интенсивности и частоты ультразвука, температуры, давления, наличия растворенных газов и т. п.

Процессы акустического эмульгирования перспективно использовать при мыловарении, при обезвоживании сырых нефтей и очистке нефтяных емкостей и танкеров, в технологии производства пищевых продуктов (сливочного масла, маргарина), при получении битумных (асфальтовых) эмульсий, при переработке эмульсий натурального каучука, получения консистентных смазок, охлаждающих жидкостей для металлообработки, при производстве эмульсионных красок (водо-дисперсионных, водоэмульсионных и латексных) и т. д.

Гомогенизация

Гомогенизация жиросодержащих смесей необходима для раздробления жировых шариков, при этом уменьшается их отстаивание при хранении и улучшается слияние при дальнейшем фризеровании. Гомогенизация является необходимым процессом, обеспечивающим стойкую однородность (гомогенность) многокомпонентных эмульсий в течение длительного времени (вплоть до нескольких месяцев и даже лет).

Гомогенизации обычно подвергают молоко, молочные продукты, фруктовые соки, кремы, смазки, топливо, лаки, т. е. эмульсии и суспензии всех видов.

В процессе гомогенизации частицы измельчаются до одного микрона, равномерно распределяясь в массе продукта. Гомогенизация молочных продуктов, таких как комбинированное масло, мороженое, соусы, подразумевает создание средних и тонких эмульсий. Разнородные компоненты этих продуктов под действием гомогенизации тонко распределяются друг в друге, создавая при этом устойчивую эмульсию. Гомогенизация пастообразных продуктов подразумевает создание однородной массы. Гомогенизированный продукт не расслаивается при длительном хранении, пригоден для транспортировки, сохраняя при этом свои качества.

Ультразвук ускоряет и качественно улучшает процесс гомогенизации. Под действием ультразвука оболочки жировых шариков (так называемые липидные оболочки) разрываются, шарики теряют устойчивость и делятся.

Ультразвуковая обработка позволяет не только гомогенизировать молочный жир, с ее помощью можно диспергировать в молоке различные добавки, например, растительный жир, сиропы, порошки, в том числе диспергировать сухое молоко, разрушая комки сухого вещества и ускоряя его растворение.

Распыление

Распыление жидкостей с помощью ультразвука применяется для создания тонких аэрозолей, туманов, чего нельзя добиться другими способами распыления.

Ультразвуковое распыление — одно из перспективных направлений деятельности нашей фирмы. Опыты с различными способами передачи ультразвука на распыляющую поверхность можно посмотреть на видео:

См. также

Примечания

  1. ^ Кавитацией называется процесс образования полостей и пузырьков в ультразвуковом поле во время фазы растяжения, имеющейся в переменном звуковом давлении. Во время фазы сжатия эти полости и пузырьки захлопываются, порождая микроударные волны, нарушающие целостность прилегающих веществ. Проявляется кавитация в виде шипящего шума, возникающего в жидкости при определенном значении интенсивности ультразвукового поля.