Ученые СФУ предложили использовать кавитацию для производства наноматериалов
Ученые Сибирского федерального университета (СФУ) оценили влияние различных технологических параметров на эффективность процесса ультразвукового диспергирования — измельчения твердых материалов в жидких средах под действием ультразвуковых колебаний, и разработали методические рекомендации по оптимизации процесса кавитации с точки зрения физических и химических процессов.
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 проводить процесс диспергирования — тонкого измельчения твердых тел или жидкостей, в результате которого образуются так называемые дисперсные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.
Ультразвуковая кавитация широко используется для очистки различных поверхностей и распределения твердых частиц материалов в жидкостях в промышленности, фармакологии, медицине и сельском хозяйстве.
«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 ее 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 объемным, 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», — рассказал один из авторов исследования, аспирант Института цветных металлов СФУ Антон Кроликов.
Химики СФУ использовали простой и доступный тест на алюминиевой фольге в ультразвуковой ванне, чтобы определить оптимальные параметры — мощность и частоту ультразвука, время обработки, температуру, характеристики растворителей — с целью получения стабильных дисперсий наночастиц.
«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», — пояснила первый автор статьи, профессор кафедры физической и неорганической химии Института цветных металлов СФУ Светлана Сайкова.
Ученые определили, что предпочтительная температура для кавитации находится в пределах 15 – 25 оС или же выше 60 оС — это связано с поведением кавитационного пузырька в системе, а в качестве реактора наиболее предпочтителен тонкостенный сосуд, выполненный из стекла. Кавитационные зоны, в которых происходят основные «события» схлопывания пузырьков, распределяются в сосуде неравномерно, поэтому ученые построили тепловые карты, чтобы выявить наиболее эффективные из них.
«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», — отметил Антон Кроликов.
По словам исследователей, полученные результаты обеспечивают систематическую основу для оценки кавитационной дозы в ультразвуковых ваннах и подготовки практических рекомендаций по оптимизации процессов ультразвукового диспергирования.