تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة باستخدام أبواق الموجات فوق الصوتية

تُستخدم أبواق أو مسابير الموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في تطبيقات متنوعة لمعالجة السوائل، تشمل التجانس، والتشتيت، والطحن الرطب، والاستحلاب، والاستخلاص، والتفتيت، والإذابة، وإزالة الهواء. تعرّف على أساسيات أبواق الموجات فوق الصوتية ومسابير الموجات فوق الصوتية وتطبيقاتها.

بوق الموجات فوق الصوتية مقابل مسبار الموجات فوق الصوتية

غالبًا ما يُستخدم مصطلحا بوق الموجات فوق الصوتية ومسبار الموجات فوق الصوتية بالتبادل، ويشيران إلى القضيب الذي ينقل الموجات فوق الصوتية إلى السائل. وتشمل المصطلحات الأخرى المستخدمة لمسبار الموجات فوق الصوتية البوق الصوتي، والسونوترود، والدليل الموجي الصوتي، أو الإصبع فوق الصوتي. ومع ذلك، يوجد من الناحية التقنية فرق بين بوق الموجات فوق الصوتية ومسبار الموجات فوق الصوتية.
يشير كل من البوق والمسبار إلى أجزاء مما يُسمّى جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار. وبوق الموجات فوق الصوتية هو الجزء المعدني من محوّل الموجات فوق الصوتية، الذي يُثار بواسطة اهتزازات مولّدة كهرضغطيًا. يهتز بوق الموجات فوق الصوتية بتردد معين، مثل 20kHz، أي 20,000 اهتزازة في الثانية. والتيتانيوم هو المادة المفضّلة لتصنيع أبواق الموجات فوق الصوتية بفضل خصائصه الممتازة في نقل الصوت، ومقاومته العالية للكلال، وصلادة سطحه.

يُسمّى مسبار الموجات فوق الصوتية أيضًا سونوترود أو إصبعًا فوق صوتي. وهو قضيب معدني، يُصنع غالبًا من التيتانيوم، ويُثبّت بوصلة لولبية في بوق الموجات فوق الصوتية. ويُعد مسبار الموجات فوق الصوتية جزءًا أساسيًا من المعالج بالموجات فوق الصوتية، إذ ينقل الموجات فوق الصوتية إلى الوسط الخاضع للمعالجة بالموجات فوق الصوتية. تتوفر مسابير الموجات فوق الصوتية / السونوترودات بأشكال مختلفة، مثل الشكل المخروطي، أو ذي الطرف، أو المتناقص القطر، أو بشكل Cascatrode. ومع أن التيتانيوم هو المادة الأكثر استخدامًا لمسابير الموجات فوق الصوتية، تتوفر أيضًا سونوترودات مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ والسيراميك والزجاج ومواد أخرى.

نظرًا إلى أن بوق الموجات فوق الصوتية والمسبار يتعرضان باستمرار للضغط أو الشد أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية، فإن اختيار مادة البوق والمسبار أمر بالغ الأهمية. وتُعد سبيكة التيتانيوم عالية الجودة (الدرجة 5) المعدن الأكثر موثوقية ومتانة وفعالية لتحمّل الإجهاد، والحفاظ على سعات اهتزاز عالية لفترات طويلة، ونقل الخصائص الصوتية والميكانيكية.

الإذابة تطبيق شائع للمعالجة بالموجات فوق الصوتية. يعرض الفيديو الإذابة السريعة لبلورات السكر في الماء باستخدام Hielscher UP200St.

تعمل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء غالبًا ضمن نطاق التردد 20–30kHz. وعند 20 kHz، يكون مسبار الموجات فوق الصوتية عادةً قضيبًا رنّانًا بطول نصف الطول الموجي، يتمدد وينكمش باستمرار 20,000 مرة في الثانية. وتُنقل حركات التمدد والانكماش على هيئة موجات فوق صوتية عالية القدرة إلى وسط العملية، أي المائع أو المعلّق، لتنفيذ تطبيقات مثل

كيف تعمل الموجات فوق الصوتية عالية القدرة؟ – مبدأ عمل التجويف الصوتي

في تطبيقات الموجات فوق الصوتية عالية الأداء، مثل التجانس، وتقليل حجم الجسيمات، والتفتيت، أو إعداد المشتتات النانوية، يولّد محوّل الموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد، وتُنقل إلى سائل عبر بوق الموجات فوق الصوتية والمسبار (السونوترود). وتُعد الموجات فوق الصوتية ضمن النطاق 16–30kHz موجات فوق صوتية عالية القدرة. يتمدد مسبار الموجات فوق الصوتية وينكمش، مثلًا، عند 20kHz، ناقلًا بذلك 20,000 اهتزازة في الثانية إلى الوسط. وعندما تنتقل الموجات فوق الصوتية عبر السائل، تُنشئ الدورات المتناوبة للضغط المرتفع (الانضغاط) / الضغط المنخفض (التخلخل / التمدد) تجاويف دقيقة (فقاعات فراغية)، تنمو على مدى عدة دورات ضغط. وخلال مرحلة انضغاط السائل والفقاعات، يكون الضغط موجبًا، بينما تُنتج مرحلة التخلخل فراغًا (ضغطًا سالبًا). وخلال دورات الانضغاط والتمدد، تنمو التجاويف في السائل حتى تصل إلى حجم لا تستطيع عنده امتصاص مزيد من الطاقة. وعند هذه النقطة، تنهار إلى الداخل بعنف. وينتج عن انهيار هذه التجاويف تأثيرات متنوعة عالية الطاقة، تُعرف بظاهرة التجويف الصوتي / التجويف بالموجات فوق الصوتية. ويتميز التجويف الصوتي بتأثيرات متعددة عالية الطاقة تؤثر في السوائل، وأنظمة المواد الصلبة/السوائل، وكذلك أنظمة الغازات/السوائل. وتُعرف المنطقة كثيفة الطاقة، أو منطقة التجويف، بما يُسمّى منطقة البقع الساخنة، حيث تكون كثافة الطاقة أعلى ما يمكن بالقرب من مسبار الموجات فوق الصوتية، وتنخفض مع زيادة المسافة عن السونوترود. وتشمل الخصائص الرئيسية للتجويف بالموجات فوق الصوتية درجات حرارة وضغوطًا مرتفعة جدًا تحدث موضعيًا والفروق المرتبطة بها، والاضطرابات، وجريان السائل. وأثناء انهيار تجاويف الموجات فوق الصوتية في البقع الساخنة فوق الصوتية، يمكن قياس درجات حرارة تصل إلى 5000 كلفن، وضغوط تصل إلى 200 ضغط جوي، ونفاثات سائلة بسرعات تصل إلى 1000km/h. وتسهم هذه الظروف الاستثنائية عالية الطاقة في تأثيرات ميكانيكية صوتية وكيميائية صوتية تُكثّف العمليات والتفاعلات الكيميائية بطرق مختلفة.
فيما يلي التأثيرات الرئيسية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية في السوائل والمعلّقات:

القص العالي: تُحدث قوى القص العالية الناتجة عن الموجات فوق الصوتية تفكيكًا في السوائل وأنظمة السوائل والمواد الصلبة، مما يؤدي إلى تحريك شديد وتجانس وانتقال للكتلة.
التصادم: تعمل النفاثات السائلة والجريان الناتجان عن التجويف بالموجات فوق الصوتية على تسريع المواد الصلبة في السوائل، مما يؤدي لاحقًا إلى تصادم الجسيمات فيما بينها. وعندما تتصادم الجسيمات بسرعات عالية جدًا، تتآكل وتتحطم وتُطحن وتُشتّت بدقة، وغالبًا ما تصل إلى الحجم النانوي. وفي المواد البيولوجية، مثل المواد النباتية، تعمل النفاثات السائلة عالية السرعة ودورات الضغط المتناوبة على تفكيك جدران الخلايا وتحرير المواد الموجودة داخلها. ويؤدي ذلك إلى استخلاص عالي الكفاءة للمركّبات النشطة بيولوجيًا وخلط متجانس للمواد البيولوجية.
التحريك: تُسبب المعالجة بالموجات فوق الصوتية اضطرابات شديدة وقوى قص وحركات دقيقة في السائل أو المعلّق. وبذلك، تُكثّف المعالجة بالموجات فوق الصوتية دائمًا انتقال الكتلة، وتُسرّع بالتالي التفاعلات والعمليات.

تُستخدم المجانسات بالموجات فوق الصوتية والخلاطات عالية القص في معظم صناعات المعالجة التي تتعامل مع السوائل أو المعلّقات. وتُحدث قوى التجويف الشديدة الناتجة عن الموجات فوق الصوتية تحريكًا شديدًا وقصًا وتكسيرًا للجسيمات وانتقالًا للكتلة. وبذلك، تخضع السوائل للتجانس والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص والإذابة و/أو تُستهل التفاعلات الكيميائية. وبوجه عام، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة لتكثيف العمليات تزيد المردود، وتحسّن معدلات التحويل، وتجعل العمليات أكثر كفاءة.
تنتشر التطبيقات الصناعية الشائعة للموجات فوق الصوتية في فروع عديدة من صناعات الأغذية والأدوية، والكيمياء الدقيقة، والطاقة والبتروكيماويات، وإعادة التدوير، والمصافي الحيوية، وغيرها، وتشمل ما يلي:

أبواق ومسابير الموجات فوق الصوتية للتطبيقات عالية الأداء

تتمتع Hielscher Ultrasonics بخبرة طويلة في تصنيع وتوزيع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة، التي تُستخدم في أنحاء العالم لتطبيقات الخدمة الشاقة في العديد من الصناعات.
بفضل المعالجات بالموجات فوق الصوتية بجميع الأحجام، من 50 watts إلى 16kW لكل جهاز، والمسابير بمختلف الأحجام والأشكال، والمفاعلات بالموجات فوق الصوتية ذات الأحجام والأشكال الهندسية المختلفة، توفر Hielscher Ultrasonics المعدات المناسبة لتكوين منظومة الموجات فوق الصوتية المثالية لتطبيقك.
يوضح الجدول أدناه القدرة التقريبية على المعالجة لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:

حجم الدفعة	معدل التدفق	الأجهزة الموصى بها
من 1 إلى 500mL	من 10 إلى 200mL/min	UP100H
من 10 إلى 2000mL	من 20 إلى 400mL/min	UP200Ht, UP400St
من 0.1 إلى 20L	من 0.2 إلى 4L/min	UIP2000hdT
من 10 إلى 100L	من 2 إلى 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	من 10 إلى 100L/min	UIP16000
n.a.	أعلى	مجموعة من أجهزة UIP16000

تواصل معنا! / اسألنا!

موضوعات ذات صلة

الأدبيات / المراجع

Kenneth S. Suslick, Yuri Didenko, Ming M. Fang, Taeghwan Hyeon, Kenneth J. Kolbeck, William B. McNamara, Millan M. Mdleleni, Mike Wong (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Vol. 357, Issue 1751, 1999. 335-353.
Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.