3. Применение ультразвука в фармации

Основное применение ультразвука в фармации связано с особенностями его распространения в жидких средах. Сжатия и разряжения, возникающие в жидкой среде при распространении ультразвука, могут приводить к разрывам сплошности среды и образованию пустот — пузырьков. Это явление называется кавитацией.

«Ультразвуковая кавитация — возникновение в жидкости, облучаемой ультразвуком, пульсирующих и захлопывающихся пузырьков (полостей), заполненных паром, газом или их смесью». [2]

Образовавшиеся пустоты через некоторое время схлопываются, при этом возникают ударные волны, которые приводят к интенсивному перемешиванию вещества и к разрушению тел, находящихся в этой среде.

Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где из-за прохождения ультразвука давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения, называемого порогом кавитации [1].

Для идеальной однородной чистой жидкости вероятность образования пузырьков становиться заметной лишь при достаточно больших по величине отрицательных давлениях, например, для воды — при -1,5·10⁸ Па [1]. В реальных жидкостях кавитация возникает при гораздо меньших давлениях, что связано с наличием в них зародышей кавитации — микроскопических газовых пузырьков или твердых частиц с трещинами, заполненными газом [1].

Благодаря явлению кавитации ультразвук эффективно применяется в фармации для:

• удаления газов из растворов (дегазация);

• диспергирования жидкостей и твердых тел;

• стерилизации растворов;

• экстрагирования;

• возбуждения и ускорения химических реакций;

• ускорения процессов растворения.

Рассмотрим подробнее процесс ультразвуковой дегазации, взяв за основу ее описание из [1].

Ультразвуковой дегазацией называют уменьшение содержания газа в жидкости, находящегося в ней как в растворенном состоянии, так и в виде пузырьков, под действием ультразвуковых колебаний.

Скорость дегазации пропорциональна интенсивности ультразвука. При больших интенсивностях, приводящих к возникновению кавитации, коэффициент пропорциональности имеет большие значения, чем в докавитационном режиме, и дегазация существенно усиливается.

Основными характеристиками процесса дегазации являются:

1) скорость изменения концентрации С газа в жидкости;

2) квазиравновесная концентрация газа (постоянная концентрация, которая устанавливается в жидкости при наличии ультразвука).

При ультразвуковой дегазации изменение концентрации C газа в жидкости с течением времени t описывается формулой

, (3)

где

β – постоянный параметр, определяемый характеристиками ультразука.

Формула зависимости скорости дегазации от частоты f ультразвука, полученная путем обощения экспериментальных данных для докавитационного режима дегазации имеет вид

, (4)

где

B, n, k – постоянные параметры.

Контрольные вопросы и темы для обсуждения

1. Контрольные вопросы

1. что называют ультразвуком?

2. что такое упругая среда?

3. чем определяются нижняя и верхняя границы частотного диапазона ультразвуковых колебаний?

4. какие особенности имеет распространение ультразвука по сравнению с упругими колебаниями более низких частот?

5. напишите выражение для колебательного смещения частицы, совершающей гармонические колебания (уравнение колебаний), объясните все величины, входящие в уравнение;

6. напишите выражение для колебательного смещения одной из частиц, участвующих в волновом движении (уравнение волны), объясните все величины, входящие в уравнение;

7. что такое акустическое давление? Напишите формулу, связывающую акустическое давление с другими характеристиками звука в плоской гармонической волне;

8. что такое радиационное давление?

9. что такое интенсивность звука и как она связана с мощностью?

10. напишите формулу, связывающую интенсивность и акустическое давление в плоской гармонической бегущей звуковой волне;

11. в чем заключается явление кавитации? Что является причиной возникновения кавитации при прохождении ультразвука? Что такое порог кавитации?

12. приведите примеры применения ультразвука в фармации.