Изучение изменения свойств жидкостей при их ультразвуковой трансформации в аэрозоль

Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
«Основы медицинской акустики»
Лабораторная работа №6
Изучение изменения свойств жидкостей при их ультразвуковой
трансформации в аэрозоль
Выполнили: Бугеря С.А., Ахмедзянова М.Р., Тескер П.А., гр. БМТ2-61
Проверил: Акопян В.Б.
Москва 2019
Цель работы: экспериментально определить размеры аэрозольных
частиц и массу растворенного вещества в аэрозольных частицах.
Теоретическая часть
Ультразвук — высокочастотные колебания, лежащие в диапазоне выше
полосы частот, воспринимаемых человеческим ухом (более 20 кГц).
Известно, что ультразвуковое распыление жидкости является одним из
перспективных направлений медицинского применения ультразвука, так как
при ультразвуковом распылении концентрацию аэрозоля можно регулировать
изменением акустической мощности излучателя.
Аэрозоли — коллоидные полидисперсные системы с газообразной
дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой. Размеры
частиц в тонких аэрозолях приближаются к крупным молекулам, а в грубых
аэрозолях равны 10…100 мкм и более.
Современная наука делит аэрозоли на три больших класса. К первому
классу относятся пыли, состоящие из твердых частиц различной формы в
газовой среде. Это — порошки лекарственных веществ, сажа, пыль
естественного происхождения. Ко второму классу относятся дымы,
получаемые при конденсации взаимодействующих газов, например смеси
аммиака и хлористого водорода, или при горении органических веществ,
лекарственных трав, содержащих летучие ароматические вещества. Третий
класс — туманы. Сюда относятся все системы с жидкими частицами —
каплями, имеющими правильную сферическую форму, например аэрозоли
растворов лекарственных веществ, применяемых ингаляционно.
Рис. 1 Классификация аэрозолей
Ультразвуковой метод в отличие от механического продуцирует меньшие
по величине частицы и бесшумен во время применения.
2
Помимо распыления диспергирующих жидкостей под действием
электростатических сил и акустические распылителей, в которых распыление
происходит под действием высокоинтенсивных ультразвуковых колебаний,
существует много способов диспергирования жидкостей, которые по
механизму распыления, делятся на несколько групп:
— к
первой относятся пневматические или аэродинамические
распылители (например, пульверизаторы);
— в распылителях второй группы жидкость подается на центр
вращающегося диска и сбрасывается с его краев под действием центробежных
сил;
— к третьей группе относятся гидравлическое или гидродинамическое
распыление, в свою очередь - распылителями гидравлического типа является
центробежная форсунка с вихревой камерой.
Вернемся, к ультразвуковому распылению. В соответствии с тем, как
подводится акустическая энергия к зоне распыления — через жидкость или
через газ, различают два способа ультразвукового распылении. Первый
способ подразделяется в свою очередь на две разновидности: распыление в
слое и распыление в фонтане.
Целью работы было экспериментальное подтверждение теоретических
расчётов размера сухого вещества после высушивания капли с концентрацией
2 % раствора NaCl, содержащегося в капле аэрозоля размером 5 мкм. Для этого
было использовано распыление в фонтане с помощью ультразвукового
ингалятора «Альбедо ИН7».
Рис. 2 Ультразвуковой ингалятор «Альбедо ИН7»
Аппарат предназначен для получения аэрозолей водорастворимых
жидкостей лекарственных препаратов, минеральных вод и т.д. с целью
профилактики и эффективного лечения дыхательных путей и легких в
стационарных медицинских учреждениях, поликлиниках, здравпунктах.
Принцип действия основан на распылении в виде аэрозоля водных растворов
лекарств с
помощью
механических
колебаний ультразвукового
пьезоэлектрического преобразователя. Распыление лекарственных растворов
3
производится в индивидуальном сосуде в замкнутом, изолированном от
внешней среды объеме.
Ингалятор позволяет с помощью ручки "приток воздуха" изменять
плотность аэрозоля разбавлением его струей воздуха, нагнетаемой через
фильтрующий вкладыш вентилятором аппарата.
Распыление жидкости в ультразвуковом фонтане имеет место только при
условии образования кавитационной области в самой струе фонтана, а вся
акустическая энергия, вошедшая в струю фонтана, расходуется в основном
там, где наблюдается кавитация и происходит распыление жидкости.
Согласно кавитационно–волновой гипотезе о механизме распыления
жидкости в ультразвуковом фонтане, капли аэрозоля отделяются от гребней
капиллярных волн конечной амплитуды на поверхности струи фонтана.
Капиллярные волны возникают под действием периодических ударных волн,
генерируемых кавитационными пузырьками внутри струи. Существует
утверждение, что причиной возникновения капиллярных волн поверхности
струи фонтана, является кавитация. При кавитации основная механическая
работа совершается ударными волнами, возникающими при захлопывании
кавитационных пузырьков. Для создания ультразвукового фонтана
используются частоты мегагерцевого диапазона.
Рис. 3 Схематическое изображение получения аэрозоля в “фонтане”
Распыление происходит в верхней части фонтана с образованием тонкого
стойкого монодисперсного аэрозоля, размер капель которого составляет 2—4
мкм. Для получения аэрозоля этим способом удобны фокусирующие
излучатели с резонансной частотой 1—3 МГц с вогнутой поверхностью. Чаще
всего используют керамический излучатель, представляющий собой часть
сферы и фокусирующий ультразвуковую энергию в области центра кривизны
излучающей поверхности. Фокальная область представляет собой эллипсоид
вращения, вытянутый в направлении распространения ультразвуковых волн.
Диаметр фокального пятна зависит от частоты ультразвука и уменьшается с её
увеличением. Фокальное пятно излучателя располагается обычно несколько
ниже поверхности жидкости. Распылительное устройство такого типа с
фокусирующим излучателем имеет вместе с генератором небольшие размеры.
4
Производительность акустического распыления для невязких жидкостей,
например, разбавленных водных растворов, эмульсий или суспензий
достигает десятков миллилитров в минуту.
Рис.4 Характерное распределение частиц аэрозолей по размерам для
популярных ультразвуковых ингаляторов.
Анализ распределения размеров частиц аэрозоля показал, что
ультразвуковые ингаляторы создают аэрозоли с частицами, средний размер
которых лежит в диапазоне от 3 до 6 мкм, причем часть получаемых частиц
имеет размеры, лежащие в области сотен нанометров.
Экспериментальная часть
С помощью ультразвукового ингалятора, стекла и вазелина был проведён
эксперимент, в результате которого были получены следующие данные: на
стекле с тонким слоем вазелина размер капли составляет примерно 6 мкм.
Порядок выполнения работы:
1. При помощи микрометра и волоса определили цену деления
микроскопа, сравнив показания микрометра с ценой деления
микроскопа.
Диаметр волоса = 65 мкм ~ 5 делений микроскопа => цена деления
микроскопа ~ 13 мкм
2. Распылили чистую воду, используя ультразвуковой ингалятор.
3. В
полученном
тумане
подержали
несколько
секунд
гидрофобизованное
маслом
предметное
стекло
для
микроскопических исследований.
4. Измерили с помощью микроскопа размеры микрокапель на
предметном стекле.
Размеры капель ~ ½ деления микроскопа ~ 6,5 мкм
Выводы:
5
Целью работы было экспериментальное подтверждение теоретических
расчётов размера капель воды аэрозоля. Для этого было использовано
распыление в фонтане с помощью ультразвукового ингалятора. Как видно из
результатов эксперимента, практические значения незначительно отличаются
от теоретических.
Список использованной литературы:
1) Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с
биологическими объектами. Москва, из-во МГТУ им. Баумана,
2006, 223 с.
2) Акопян В.Б. и др. Способ выделения поверхностно активной
компоненты из жидкой гетерогенной среды. Патент РФ 2009, №
2386111.
3) Акопян В.Б. и др. Изменение свойств водных растворов при их
ультразвуковом распылении. Акустический журнал 2009, 55. №4-5,
с. 684 – 688
4) Альбедо ИН7. Режим доступа: https://www.albedopmp.ru (дата
обращения 13.04.2019)
6