W polu fal ultradźwiękowych występuje duże zagęszczenie energii. Zjawisko to nie jest obserwowane w przypadku fal mechanicznych. Wywołuje to m.in. wzrost powierzchni kontaktu międzyfazowego, burzliwe mieszanie w cieczy i na granicy faz, powodujące zniszczenie nieruchomej laminarnej warstwy granicznej cieczy, indukowanie dodatkowych prądów w obu fazach i zmianę lokalnych gradientów stężeń substancji rozproszonej na granicy faz, spowodowaną działaniem zmiennego ciśnienia fali ultradźwiękowej. Stwarza to możliwość intensyfikacji procesu emulgowania oraz znaczne skrócenie czasu jego trwania. W nadźwiękawianym układzie zachodzą takie zjawiska pierwotne jak: tarcie powierzchni granicznych, kawitacja, zjawisko Riemana i absorpcja. Wywołują one zjawisko wtórne, jakim jest zjawisko dyspersji, co prowadzi do otrzymania emulsji.
Mechanizm procesu emulgowania przy użyciu energii ultradźwięków
Emulgowanie falami ultradźwiękowymi ma złożony mechanizm i zależy od fizycznych warunków nadźwiękawiania, tj. częstotliwości, natężenia i czasu działania ultradźwięków, akustycznych parametrów emulgowanych cieczy oraz ich rodzaju i właściwości fizykochemicznych. Uważa, się że za emulgujące działanie ultradźwięków odpowiada zjawisko kawitacji oraz kapilarne fale międzyfazowe (powierzchniowe). Obecnie przyjmuje się, że emulgowanie falami ultradźwiękowymi składa się z dwóch stadiów (Rys. 1.):
- w pierwszym zachodzi tworzenie się dużych kropel rzędu 30-70 µm podczas rozerwania płaskiej powierzchni międzyfazowejwg mechanizmu niestabilności Rayleigha-Taylora;
- w drugim następuje rozbicie dużych kropel na małe, aż do osiągnięcia stałego wymiaru pod wpływem fal akustycznych z towarzyszącymi falami uderzeniowymi, wytworzonymi w czasie zapadania się pęcherzyków próżniowych podczas kawitacji ultradźwiękowej.
Rys.1. Mechanizm emulgowania falami ultradźwiękowymi
Na krople fazy rozproszonej w polu ultradźwiękowym działają dwie główne siły, tj. ciśnienie dynamiczne fali i siła napięcia międzyfazowego. Stosunek tych sił wyrażony jest tzw. akustyczną liczbą Webera (Weak). Deformacja i rozpad kropli ma miejsce gdy ciśnienie dynamiczne fali jest większe od sił napięcia międzyfazowego. Analogicznie jak dla techniki mieszania mechanicznego i emulgowania przy użyciu homogenizatora, rozpad kropel fazy rozproszonej zachodzi po przekroczeniu krytycznej wartości liczby Webera. Wartość ta zależy od lepkości cieczy i średnicy kropel fazy rozproszonej.
Jak zatem wytworzyć emulsje przy użyciu energii ultradźwięków?
Przede wszystkim należy stosować duże natężenia przekraczające próg kawitacji i niskie częstotliwości ultradźwięków. Wartość ciśnienia progu kawitacji w cieczy zależy od jej lepkości. Wraz ze wzrostem lepkości cieczy ciśnienie w niej wzrasta. Dla cieczy o niższej lepkości kawitacja zachodzi łatwiej, a ciecz ta staje się fazą ciągłą emulsji typu O/W. Wzrost temperatury powoduje wzrost lepkości układu, dlatego też emulgowaniu przy użyciu ultradźwięków sprzyjają niższe temperatury. Zbyt wysoka lepkość fazy ciągłej może pochłonąć energię akustyczną. Dyspergowanie przy użyciu fal ultradźwiękowych łatwiej przebiega w cieczach polarnych.
Zalety wykorzystania energii ultradźwięków
Niewątpliwą zaletą energii ultradźwięków jest możliwość otrzymania emulsji bez użycia emulgatora. Jest to istotne w układach, w których wymagana jest jednorodność, mały wymiar kropel fazy rozproszonej, a dodatek emulgatorów jest ograniczony lub niepożądany. Stosując technikę emulgowania przy użyciu ultradźwięków, przy odpowiednim doborze natężenia, częstotliwości i czasu działania ultradźwięków można uzyskać emulsje o wysokim stopniu rozdrobnienia i średnicach kropel fazy rozproszonej rzędu kilku mikrometrów, a nawet ułamków mikrometra.
Niewątpliwym ograniczeniem zastosowania energii ultradźwięków na dużą skalę są koszty generatorów.
KOMENTARZE