Методические рекомендации по оптимизации процесса кавитации с точки зрения физических и химических процессов разработали по результатам проведенных ими исследований ученые Сибирского федерального университета (СФУ), 3 июня сообщает пресс-служба вуза.
Красноярские исследователи установили, какое влияние различные технологические параметры оказывают на эффективность процесса ультразвукового диспергирования (измельчения твердых материалов в жидких средах под действием ультразвуковых колебаний, вызывающих кавитацию).
Кавитация — физический процесс образования и последующего схлопывания пузырьков в жидкости, сопровождающийся резким местным кратковременным возрастанием давления до около 2000 атм, температуры — до порядка 5000 К и гидравлическими ударами.
При схлопывания пузырьков высвобождается большое количество энергии, что позволяет использовать кавитацию для диспергирования в жидкости твердых материалов, чтобы создавать такие дисперсные системы, как порошки, суспензии, эмульсии и аэрозоли.
Ультразвуковая кавитация нашла широкое применение в различных отраслях промышленности, фармакологии, медицине, сельском хозяйстве. Ее используют для очистки различных поверхностей и распределения различных твердых частиц в жидкостях.
Чтобы определить оптимальные параметры диспергирования твердых материалов для получения стабильных дисперсий наночастиц, химики СФУ применили простой и доступный тест на алюминиевой фольге в ультразвуковой ванне. Они измеряли мощность и частоту ультразвука, время обработки, температуру, характеристики растворителей и их влияние на результаты диспергирования.
Профессор кафедры физической и неорганической химии Института цветных металлов СФУ Светлана Сайкова рассказала о результатах проведенного исследования:
«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 другие факторы».
Отметим, сонохимическим реактором называется аппарат для физико-химической обработки жидкостей с использованием ультразвука высокой интенсивности, создающего кавитацию.
В результате экспериментов ученые установили, что оптимальная температура кавитации находится в пределах 15–25 °С или же выше 60 °С. Такие границы определяются поведением кавитационного пузырька в системе. Наиболее предпочтительным реактором является тонкостенный стеклянный сосуд.
Поскольку кавитационные зоны, в которых происходят основные схлопывания пузырьков, в сосуде распределяются неравномерно, для определения наиболее эффективных из них ученым пришлось построить тепловые карты.
Как уточнил соавтор исследования, аспирант Института цветных металлов СФУ Антон Кроликов, «ультразвуковая кавитация позволяет диспергировать объемные материалы до наночастиц за счет экстремальных условий, возникающих при схлопывании пузырьков. Этот сонохимический метод уже дал результаты в фармацевтике и пищевых технологиях. В медицине с его 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».
Также для того, чтобы выпекаемый хлеб был более объемным, эластичным и дольше сохраняющим свежесть, используют специальную технологию подготовки теста на воде, прошедшей через кавитатор. Ультразвуковую кавитацию можно эффективно применять и для удаления из сточных вод пищевых производств жиросодержащих примесей. Кроме того, ее традиционно используют 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», — отметил Антон Кроликов.
Ученые считают, что проведенное ими исследование может стать основой для оценки кавитационной дозы в ультразвуковых ваннах и дает практические рекомендации для оптимизации процессов ультразвукового диспергирования и улучшения 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, — пояснил Антон Кроликов, — 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».
Результаты проведенного исследования ученые представили в двух статьях, опубликованных в журнале Molecules: «Создание сверхмалых наночастиц NiMnO3: оптимизация условий синтеза и воздействия растворителя» (Tailoring of Ultrasmall NiMnO₃ Nanoparticles: Optimizing Synthesis Conditions and Solvent Effects) том 29, 2024, № 20 и «Влияние экспериментальных параметров на дозу кавитации в ультразвуковых ваннах с помощью модифицированного теста с алюминиевой фольгой» (Effect of Experimental Parameters on Cavitation Dose in Ultrasonic Baths via Modified Aluminum Foil Test) том 31, 2026, № 8.