Sonication من نوع المسبار مقابل الحمام بالموجات فوق الصوتية: مقارنة الكفاءة
يمكن إجراء عمليات Sonication باستخدام الخالط بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار أو حمام بالموجات فوق الصوتية. على الرغم من أن كلتا التقنيتين تطبقان الموجات فوق الصوتية على العينة ، إلا أن هناك اختلافات كبيرة في الفعالية والكفاءة وقدرات العملية.
الآثار المرجوة من سوائل صوتنة – بما في ذلك التجانس ، التشتت ، التكتل ، الطحن ، الاستحلاب ، الاستخراج ، التحلل ، التفكك ، سونوكيمياء - ناتجة عن التجويف الصوتي. من خلال إدخال الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة في وسط سائل ، تنتقل الموجات الصوتية في السائل وتخلق دورات متناوبة للضغط العالي (الضغط) والضغط المنخفض (التخلخل) ، مع معدلات تعتمد على التردد. خلال دورة الضغط المنخفض ، تخلق الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة فقاعات فراغ صغيرة أو فراغات في السائل. عندما تصل الفقاعات إلى حجم لم تعد قادرة على امتصاص الطاقة عنده ، فإنها تنهار بعنف خلال دورة الضغط العالي. وتسمى هذه الظاهرة التجويف. أثناء الانفجار الداخلي ، يتم الوصول إلى درجات حرارة عالية جدا (حوالي 5000 كلفن) وضغوط (حوالي 2000 ضغط جوي) محليا. ينتج عن انفجار فقاعة التجويف أيضا نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280 م / ث. [سوسليك 1998]
مسبار من نوع صوتي مقابل حمام بالموجات فوق الصوتية – اكتشف سبب تفوق الصوتيات من نوع المسبار في الكفاءة والموثوقية
الشكل 1: إنشاء فقاعات تجويف مستقرة وعابرة. (أ) الإزاحة، (ب) التجويف العابر، (ج) التجويف المستقر، (د) الضغط
[مقتبس من سانتوس وآخرون 2009]
وجد Moholkar et al. (2000) أن الفقاعات في المنطقة ذات الكثافة الأعلى للتجويف خضعت لحركة عابرة ، في حين أن الفقاعات في المنطقة ذات الكثافة المنخفضة للتجويف خضعت لحركة مستقرة / تذبذبية. إن الانهيار العابر للفقاعات الذي يؤدي إلى درجة الحرارة المحلية والحد الأقصى للضغط هو أصل التأثيرات الملحوظة للموجات فوق الصوتية على الأنظمة الكيميائية.
شدة الموجات فوق الصوتية هي دالة لمدخلات الطاقة ومساحة سطح sonotrode. ينطبق إدخال طاقة معين: كلما زادت مساحة سطح سونوترودي ، انخفضت شدة الموجات فوق الصوتية.
يمكن إنشاء الموجات فوق الصوتية بواسطة أنواع مختلفة من أنظمة الموجات فوق الصوتية. في ما يلي ، ستتم مقارنة الاختلافات بين صوتنة باستخدام حمام بالموجات فوق الصوتية ، جهاز التحقيق بالموجات فوق الصوتية في وعاء مفتوح وجهاز التحقيق بالموجات فوق الصوتية مع غرفة خلية التدفق.
مقارنة توزيع النقاط الساخنة التجويفية
للتطبيقات بالموجات فوق الصوتية ، يتم استخدام تحقيقات الموجات فوق الصوتية (sonotrodes / قرون) وحمامات الموجات فوق الصوتية. “من بين هاتين الطريقتين من الموجات فوق الصوتية ، فإن صوتنة المسبار أكثر فعالية وقوة من الحمام بالموجات فوق الصوتية في تطبيق تشتت الجسيمات النانوية ؛ يمكن لجهاز الحمام بالموجات فوق الصوتية توفير الموجات فوق الصوتية ضعيفة مع ما يقرب من 20-40 واط / لتر وتوزيع غير موحد للغاية بينما يمكن لجهاز التحقيق بالموجات فوق الصوتية توفير 20000 واط / لتر في السائل. وبالتالي ، فهذا يعني أن جهاز التحقيق بالموجات فوق الصوتية يتفوق على جهاز الاستحمام بالموجات فوق الصوتية بعامل 1000.” (راجع أسدي وآخرون ، 2019)
مقارنة توزيع النقاط الساخنة التجويفية
في مجال تطبيقات الموجات فوق الصوتية ، تلعب كل من المجسات فوق الصوتية (sonotrodes / horns) والحمامات بالموجات فوق الصوتية أدوارا محورية. ومع ذلك ، عندما يتعلق الأمر بتشتت الجسيمات النانوية ، فإن صوتنة المسبار تتفوق بشكل كبير على الحمامات بالموجات فوق الصوتية. وفقا ل Asadi et al. (2019) ، تولد الحمامات بالموجات فوق الصوتية عادة الموجات فوق الصوتية أضعف من حوالي 20-40 واط / لتر مع توزيع غير موحد للغاية. في تناقض صارخ ، يمكن لأجهزة المسبار بالموجات فوق الصوتية توصيل 20000 واط لكل لتر في السائل ، مما يدل على فعالية تفوق الحمامات فوق الصوتية بعامل 1000. يسلط هذا الاختلاف الملحوظ الضوء على القدرة الفائقة لصوتنة المسبار في تحقيق تشتت فعال وموحد للجسيمات النانوية.
حمامات بالموجات فوق الصوتية
في الحمام بالموجات فوق الصوتية ، يحدث التجويف غير متوافق ويتم توزيعه بشكل لا يمكن السيطرة عليه من خلال الخزان. تأثير صوتنة منخفضة الكثافة وانتشار غير متساو. قابلية تكرار العملية وقابليتها للتوسع ضعيفة للغاية.
توضح الصورة أدناه نتائج اختبار رقائق في خزان بالموجات فوق الصوتية. لذلك ، يتم وضع رقائق رقيقة من الألومنيوم أو القصدير في قاع خزان الموجات فوق الصوتية المملوء بالماء. بعد صوتنة ، علامات تآكل واحدة مرئية. تشير تلك البقع المثقبة والثقوب في الرقاقة إلى النقاط الساخنة التجويفية. نظرا لانخفاض الطاقة والتوزيع غير المتكافئ للموجات فوق الصوتية داخل الخزان ، تحدث علامات التآكل فقط من حيث البقعة. وبالتالي ، تستخدم الحمامات بالموجات فوق الصوتية في الغالب لتنظيف التطبيقات.
في الحمام أو الخزان بالموجات فوق الصوتية ، تحدث البقعة الساخنة للتجويف الصوتي بشكل غير متساو للغاية.
توضح الأشكال أدناه التوزيع غير المتكافئ للبقع الساخنة التجويفية في حمام بالموجات فوق الصوتية. في الشكل 2 ، حمام بمساحة سفلية 20×تم استخدام 10 سم.
يوضح الشكل 2 التوزيع المكاني للمجال فوق الصوتي في الحمام بالموجات فوق الصوتية:
أ: استخدام 1 لتر من الماء في الحمام، و(ب) استخدام الحجم الكلي البالغ 2 لتر من الماء في الحمام.
[ناسينتيس وآخرون ، 2010]
بالنسبة للقياسات الموضحة في الشكل 3 ، تم استخدام حمام بالموجات فوق الصوتية بمساحة سفلية تبلغ 12 × 10 سم.
يوضح الشكل 3 التوزيع المكاني للمجال فوق الصوتي في حمام بالموجات فوق الصوتية:
أ: استخدام 1 لتر من الماء في الحمام، و(ب) استخدام الحجم الكلي البالغ 1.3 لتر من الماء في الحمام.
[ناسينتيس وآخرون، 2001]
يكشف كلا القياسين أن توزيع مجال التشعيع بالموجات فوق الصوتية في خزانات الموجات فوق الصوتية غير متساو للغاية. تظهر دراسة التشعيع بالموجات فوق الصوتية في مواقع مختلفة في الحمام اختلافات مكانية كبيرة في شدة التجويف في الحمام بالموجات فوق الصوتية.
يقارن الشكل 4 أدناه كفاءة الحمام بالموجات فوق الصوتية وجهاز التحقيق بالموجات فوق الصوتية المتمثل في إزالة لون صبغة الآزو ميثيل البنفسج.
الشكل 4: تنشر الصوتيات من نوع المسبار كثافة طاقة عالية جدا مقارنة بكثافة الموجات فوق الصوتية المنخفضة للخزانات والحمامات بالموجات فوق الصوتية.
وجد Dhanalakshmi et al. في دراستهم أن أجهزة الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لها كثافة موضعية عالية مقارنة بنوع الخزان ، وبالتالي ، تأثير موضعي أكبر كما هو موضح في الشكل 4. وهذا يعني كثافة وكفاءة أعلى لعملية صوتنة.
يسمح الإعداد بالموجات فوق الصوتية كما هو موضح في الصورة 4 بالتحكم الكامل في أهم المعلمات ، مثل السعة والضغط ودرجة الحرارة واللزوجة والتركيز وحجم المفاعل.
مسبار نوع صوتي UP200St مع سونوترودي S26d7D لتجانس العينات من نوع الدفعات
اتصل بنا! / اسألنا!
صورة 1: سونوترودي نقل الموجات فوق الصوتية السلطة إلى السائل. يشير الضباب تحت سطح سونوترودي إلى منطقة البقعة الساخنة التجويفية.
- شديد
- تركز
- يمكن التحكم فيها بالكامل
- التوزيع المتساوي
- استنساخه
- التوسع الخطي
- دفعة وخط
مزايا Sonicators من نوع المسبار
تم تصميم مجسات الموجات فوق الصوتية أو sonotrodes لتركيز الطاقة فوق الصوتية في منطقة مركزة ، عادة في طرف المسبار. يسمح نقل الطاقة المركز هذا بمعالجة دقيقة وفعالة للعينات. نظرا لأن تصميم المسبار يضمن توجيه جزء كبير من الطاقة فوق الصوتية نحو العينة ، يتم تحسين نقل الطاقة بشكل كبير عند مقارنته بالحمامات فوق الصوتية. هذا النقل المركز لطاقة الموجات فوق الصوتية مفيد بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب تحكما دقيقا في معلمات الصوتنة ، مثل تعطيل الخلايا ، وتشتت النانو ، وتوليف الجسيمات النانوية ، والاستحلاب ، والاستخراج النباتي.
لذلك ، توفر الصوتيات من نوع المسبار مزايا مميزة على الحمامات فوق الصوتية من حيث الدقة والتحكم والمرونة والكفاءة وقابلية التوسع ، مما يجعلها أدوات لا غنى عنها لمجموعة واسعة من التطبيقات العلمية والصناعية.
Sonicators من نوع المسبار لمعالجة الدورق المفتوح
عندما يتم صوتنة العينات باستخدام جهاز مسبار بالموجات فوق الصوتية ، تكون منطقة الصوتنة المكثفة مباشرة أسفل sonotrode / المسبار. تقتصر مسافة التشعيع بالموجات فوق الصوتية على منطقة معينة من طرف sonotrode. (انظر الصورة 1)
تستخدم العمليات فوق الصوتية في الكئوس المفتوحة في الغالب لاختبار الجدوى ولإعداد عينات من أحجام أصغر.
Sonicators من نوع المسبار مع خلية التدفق للمعالجة المضمنة
يتم تحقيق نتائج الصوتنة الأكثر تطورا من خلال المعالجة المستمرة في وضع التدفق المغلق. تتم معالجة جميع المواد بنفس كثافة الموجات فوق الصوتية حيث يتم التحكم في مسار التدفق ووقت الإقامة في غرفة المفاعل بالموجات فوق الصوتية.
مجموعة إعادة التدوير بالموجات فوق الصوتية: UIP1000hdT مع خلية تدفق وخزان ومضخة
نتائج عملية معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية لتكوين معلمة معينة هي دالة للطاقة لكل حجم معالج. تتغير الوظيفة مع التعديلات في المعلمات الفردية. علاوة على ذلك ، يعتمد خرج الطاقة الفعلي والشدة لكل مساحة سطح من sonotrode لوحدة الموجات فوق الصوتية على المعلمات.
يعتمد تأثير التجويف للمعالجة بالموجات فوق الصوتية على شدة السطح الموصوفة بالسعة (A) والضغط (p) وحجم المفاعل (VR) ودرجة الحرارة (T) واللزوجة (η) وغيرها. تشير علامات الجمع والطرح إلى وجود تأثير إيجابي أو سلبي للمعلمة المحددة على شدة الصوتنة.
من خلال التحكم في أهم معلمة في عملية الصوتنة ، تكون العملية قابلة للتكرار تماما ويمكن تحجيم النتائج المحققة بشكل خطي تماما. أنواع مختلفة من sonotrodes ومفاعلات خلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية تسمح للتكيف مع متطلبات عملية محددة.
ملخص: مسبار نوع Sonicator مقابل حمام بالموجات فوق الصوتية
في حين أن الحمام بالموجات فوق الصوتية يوفر صوتنة ضعيفة مع حوالي 20 واط لكل لتر ، فقط وتوزيع غير موحد للغاية ، يمكن للصوتيات من نوع المسبار أن تقترن بسهولة حوالي 20000 واط لكل لتر في الوسط المعالج. هذا يعني أن جهاز صوتي من نوع مسبار بالموجات فوق الصوتية يتفوق في حمام بالموجات فوق الصوتية بعامل 1000 (1000x مدخلات طاقة أعلى لكل حجم) بسبب إدخال طاقة بالموجات فوق الصوتية مركزة وموحدة. يضمن التحكم الكامل في أهم معلمات الصوتنة نتائج قابلة للتكرار تماما وقابلية التوسع الخطي لنتائج العملية.
الأدب / المراجع
- Asadi, Amin; Pourfattah, Farzad; Miklós Szilágyi, Imre; Afrand, Masoud; Zyla, Gawel; Seon Ahn, Ho; Wongwises, Somchai; Minh Nguyen, Hoang; Arabkoohsar, Ahmad; Mahian, Omid (2019): Effect of sonication characteristics on stability, thermophysical properties, and heat transfer of nanofluids: A comprehensive review. Ultrasonics Sonochemistry 2019.
- Moholkar, V. S.; Sable, S. P.; Pandit, A. B. (2000): Mapping the cavitation intensity in an ultrasonic bath using the acoustic emission. In: AIChE J. 2000, Vol.46/ No.4, 684-694.
- Nascentes, C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Use of Ultrasonic Baths for Analytical Applications: A New Approach for Optimisation Conditions. In: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12/ No.1, 57-63.
- Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: Ultrasound in Chemistry: Analytical Application. (ed. by J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.
الأسئلة المتداولة حول مجسات الموجات فوق الصوتية (FAQs)
ما هو سونيكاتور مسبار بالموجات فوق الصوتية؟
سونيكاتور مسبار بالموجات فوق الصوتية هو جهاز يستخدم موجات صوتية عالية التردد لتعطيل أو خلط العينات. وهو يتألف من مسبار ، عند غمره في سائل ، يولد اهتزازات فوق صوتية ، مما يؤدي إلى التجويف وتأثيرات معالجة العينات المطلوبة.
ما هو مبدأ صوتنة التحقيق؟
دقق صوتنة يعمل على مبدأ التجويف بالموجات فوق الصوتية. عندما يهتز المسبار في العينة ، فإنه يخلق فقاعات مجهرية تتوسع وتنهار بسرعة. تولد هذه العملية قوى قص شديدة وحرارة ، مما يؤدي إلى تعطيل الخلايا أو خلط المكونات على المستوى المجهري.
هل المنظف بالموجات فوق الصوتية هو نفسه الصوتي؟
لا ، هم ليسوا نفس الشيء. يستخدم المنظف بالموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية خفيفة جدا في الحمام لتنظيف العناصر ، وذلك أساسا من خلال الاهتزاز والتجويف الخفيف جدا. تم تصميم جهاز صوتي ، وتحديدا جهاز صوتي مسبار بالموجات فوق الصوتية ، للمعالجة المباشرة والمكثفة بالموجات فوق الصوتية للعينات ، مع التركيز على الاضطراب أو التجانس.
ما هو استخدام مسبار الموجات فوق الصوتية؟
يستخدم المسبار بالموجات فوق الصوتية في المقام الأول لمهام تحضير العينات مثل تعطيل الخلايا والتجانس والاستحلاب وتشتت الجسيمات في مجموعة متنوعة من التطبيقات البحثية والصناعية عبر الكيمياء والبيولوجيا وعلوم المواد.
ما هو الفرق بين مسبار صوتي وقرن الكأس؟
يقوم مسبار صوتي بغمر المسبار مباشرة في العينة من أجل صوتنة مكثفة. من ناحية أخرى ، لا يغمر جهاز صوتي قرن الكوب المسبار ولكنه يستخدم طريقة غير مباشرة حيث يتم وضع العينة في حاوية داخل حمام مائي ينقل الطاقة فوق الصوتية.
لماذا استخدام سونيكاتور التحقيق؟
يتم استخدام صوتي المسبار لقدرته على توصيل طاقة الموجات فوق الصوتية المباشرة عالية الكثافة إلى عينة ، وتحقيق اضطراب فعال أو تجانس أو استحلاب. إنها ذات قيمة خاصة للعينات التي يصعب معالجتها أو عندما تكون هناك حاجة إلى تحكم دقيق في العملية.
ما هي مزايا مسبار صوتي؟
تشمل المزايا معالجة العينات بكفاءة وسرعة ، والتنوع في التطبيقات ، والتحكم الدقيق في معلمات الصوتنة ، والقدرة على معالجة مجموعة واسعة من أحجام العينات وأنواعها ، من عينات المختبرات صغيرة الحجم إلى الدفعات الصناعية الأكبر أو معدلات التدفق.
كيف يمكنك استخدام سونياتور مسبار بالموجات فوق الصوتية؟
باستخدام صوتنة مسبار بالموجات فوق الصوتية ينطوي على اختيار حجم التحقيق المناسب ومعلمات صوتنة ، غمر طرف المسبار في العينة ، ومن ثم تنشيط صوتنة للوقت المطلوب وإعدادات الطاقة لتحقيق معالجة فعالة للعينة.
ما هو الفرق بين صوتنة والموجات فوق الصوتية؟
يشير Sonication إلى الاستخدام العام للموجات الصوتية لمعالجة المواد ، والتي يمكن أن تشمل مجموعة من الترددات. يحدد Ultrasonication استخدام الترددات فوق الصوتية (عادة فوق 20 كيلو هرتز) ، مع التركيز على التطبيقات التي تتطلب موجات صوتية عالية الطاقة لمعالجة العينات. ومع ذلك ، فإن معظم الناس يشيرون في الواقع إلى الموجات فوق الصوتية ، عندما يستخدمون كلمة sonicator.