Ultrasəs ruporlarından istifadə etməklə güclü ultrasəsin tətbiqi

Ultrasəs ruporları və ya zondları homogenləşdirmə, dispersləşdirmə, yaş üyütmə, emulsiyalaşdırma, ekstraksiya, parçalama, həll etmə və havanın çıxarılması daxil olmaqla, mayelərin emalının müxtəlif tətbiqlərində geniş istifadə olunur. Ultrasəs ruporları, ultrasəs zondları və onların tətbiqləri haqqında əsas məlumatları öyrənin.

Ultrasəs ruporu və ultrasəs zondu

Çox vaxt ultrasəs ruporu və zond terminləri bir-birinin əvəzinə işlədilir və ultrasəs dalğalarını mayeyə ötürən ultrasəs çubuğunu bildirir. Ultrasəs zondu üçün istifadə olunan digər terminlər akustik rupor, sonotrod, akustik dalğaötürücü və ya ultrasəs barmağıdır. Lakin texniki baxımdan ultrasəs ruporu ilə ultrasəs zondu arasında fərq var.
Həm rupor, həm də zond zond tipli ultrasəs cihazı adlandırılan qurğunun hissələridir. Ultrasəs ruporu ultrasəs çeviricisinin pyezoelektrik üsulla yaradılan titrəyişlər vasitəsilə həyəcanlandırılan metal hissəsidir. Ultrasəs ruporu müəyyən tezlikdə, məsələn, 20kHz tezliyində titrəyir ki, bu da saniyədə 20.000 titrəyiş deməkdir. Mükəmməl akustik ötürmə xüsusiyyətlərinə, yüksək yorulma möhkəmliyinə və səth sərtliyinə görə titan ultrasəs ruporlarının hazırlanması üçün üstünlük verilən materialdır.

Ultrasəs zondu həmçinin sonotrod və ya ultrasəs barmağı adlandırılır. Bu, əksər hallarda titandan hazırlanan və ultrasəs ruporuna yivli birləşmə ilə bərkidilən metal çubuqdur. Ultrasəs zondu ultrasəs prosessorunun ultrasəs dalğalarını ultrasəslə işlənən mühitə ötürən mühüm hissəsidir. Ultrasəs zondları / sonotrodlar müxtəlif formalarda (məsələn, konusvari, uclu, daralan və ya Cascatrode formasında) mövcuddur. Titan ultrasəs zondları üçün ən çox istifadə olunan material olsa da, paslanmayan poladdan, keramikadan, şüşədən və digər materiallardan hazırlanan sonotrodlar da mövcuddur.

Ultrasəslə işləmə zamanı ultrasəs ruporu və zondu daim sıxılmaya və ya dartılmaya məruz qaldığından, rupor və zond üçün material seçimi həlledici əhəmiyyət daşıyır. Yüksək keyfiyyətli titan ərintisi (marka 5) mexaniki gərginliyə tab gətirmək, uzun müddət yüksək amplitudaları saxlamaq və akustik və mexaniki xüsusiyyətləri ötürmək üçün ən etibarlı, davamlı və effektiv metal hesab olunur.

Həll etmə ultrasəslə emalın geniş yayılmış tətbiqlərindən biridir. Videoda Hielscher UP200St ilə şəkər kristallarının suda sürətlə həll edilməsi nümayiş etdirilir.

Yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazları əsasən 20–30kHz tezlik diapazonunda işləyir. 20 kHz tezliyində ultrasəs zondu adətən uzunluğu dalğa uzunluğunun yarısına bərabər olan və saniyədə 20.000 dəfə davamlı genişlənib yığılan rezonans çubuğudur. Genişlənmə və yığılma hərəkətləri aşağıdakı tətbiqləri həyata keçirmək üçün emal mühitinə, yəni mayeyə və ya suspenziyaya yüksək güclü ultrasəs şəklində ötürülür:

• ultrasəslə yüksək kəsmə qüvvəli qarışdırma
• ultrasəslə yaş üyütmə
• nanohissəciklərin ultrasəslə dispersləşdirilməsi
• ultrasəslə nanoemulsiyalaşdırma
• ultrasəslə ekstraksiya
• ultrasəslə parçalama
• ultrasəslə hüceyrələrin parçalanması və lizisi
• ultrasəslə qazların və havanın çıxarılması
• sonokimya (sonosintez, sonokataliz)

Güclü ultrasəs necə işləyir? – Akustik kavitasiyanın iş prinsipi

Homogenləşdirmə, hissəcik ölçüsünün azaldılması, parçalama və ya nanodispersiyaların hazırlanması kimi yüksək məhsuldarlıq tələb edən ultrasəs tətbiqləri üçün yüksək intensivlikli, aşağı tezlikli ultrasəs ultrasəs çeviricisi ilə yaradılır və ultrasəs ruporu və zond (sonotrod) vasitəsilə mayeyə ötürülür. 16–30kHz diapazonundakı ultrasəs yüksək güclü ultrasəs hesab olunur. Ultrasəs zondu, məsələn, 20kHz tezliyində genişlənib yığılır və bununla da mühitə saniyədə müvafiq olaraq 20.000 titrəyiş ötürür. Ultrasəs dalğaları mayedən keçdikdə növbələşən yüksək təzyiq (sıxılma) / aşağı təzyiq (seyrəkləşmə / genişlənmə) dövrləri bir neçə təzyiq dövrü ərzində böyüyən çox kiçik boşluqlar (vakuum qabarcıqları) yaradır. Mayenin və qabarcıqların sıxılma fazasında təzyiq müsbət olur, seyrəkləşmə fazası isə vakuum (mənfi təzyiq) yaradır. Sıxılma–genişlənmə dövrləri ərzində mayedəki boşluqlar daha artıq enerji uda bilməyəcəkləri ölçüyə çatana qədər böyüyür. Bu anda onlar şiddətlə içəriyə doğru çökür. Bu boşluqların içəriyə doğru çökməsi akustik / ultrasəs kavitasiyası fenomeni kimi tanınan müxtəlif yüksək enerjili təsirlər yaradır. Akustik kavitasiya mayelərə, bərk/maye sistemlərinə, eləcə də qaz/maye sistemlərinə təsir edən müxtəlif yüksək enerjili təsirlərlə xarakterizə olunur. Enerji sıxlığı yüksək olan zona və ya kavitasiya zonası qaynar nöqtə zonası adlanır; bu zonada enerji sıxlığı ultrasəs zondunun bilavasitə yaxınlığında ən yüksək olur və sonotroda olan məsafə artdıqca azalır. Ultrasəs kavitasiyasının əsas xüsusiyyətlərinə lokal olaraq yaranan çox yüksək temperatur və təzyiqlər, onların müvafiq fərqləri, turbulentlik və maye axınları daxildir. Ultrasəsin qaynar nöqtələrində ultrasəs boşluqlarının içəriyə doğru çökməsi zamanı 5000 Kelvinə qədər temperatur, 200 atmosferə qədər təzyiq və 1000km/h sürətə qədər maye şırnaqları ölçülə bilər. Bu son dərəcə yüksək enerjili şərait prosesləri və kimyəvi reaksiyaları müxtəlif yollarla intensivləşdirən sonomexaniki və sonokimyəvi təsirlərin yaranmasına kömək edir.
Ultrasəslə işləmənin mayelərə və suspenziyalara əsas təsirləri aşağıdakılardır:

• Yüksək kəsmə qüvvəsi: Ultrasəsin yüksək kəsmə qüvvələri mayeləri və maye–bərk sistemlərini parçalayaraq intensiv qarışdırma, homogenləşdirmə və kütlə ötürülməsinə səbəb olur.
• Zərbə: Ultrasəs kavitasiyasının yaratdığı maye şırnaqları və axınları mayelərdəki bərk hissəcikləri sürətləndirir, bu isə sonradan hissəciklərarası toqquşmalara gətirib çıxarır. Hissəciklər çox yüksək sürətlə toqquşduqda aşınır, parçalanır, incə üyüdülür və dispersləşdirilir; çox vaxt nanoölçüyə qədər kiçilir. Bitki materialları kimi bioloji materiallarda yüksək sürətli maye şırnaqları və növbələşən təzyiq dövrləri hüceyrə divarlarını parçalayır və hüceyrədaxili materialı sərbəst buraxır. Bu, bioaktiv birləşmələrin yüksək effektivliklə ekstraksiyasına və bioloji materialın homogen qarışdırılmasına səbəb olur.
• Qarışdırma: Ultrasəslə işləmə mayedə və ya suspenziyada intensiv turbulentliyə, kəsmə qüvvələrinə və mikrohərəkətlərə səbəb olur. Beləliklə, ultrasəslə işləmə həmişə kütlə ötürülməsini intensivləşdirir və bununla da reaksiyaları və prosesləri sürətləndirir.

Ultrasəs homogenizatorları və yüksək kəsmə qüvvəli qarışdırıcılar maye və ya suspenziyalarla işləyən demək olar ki, bütün emal sənayesi sahələrində istifadə olunur. Ultrasəs kavitasiyasının güclü qüvvələri intensiv qarışdırma, kəsmə, hissəciklərin parçalanması və kütlə ötürülməsi yaradır. Bununla da mayelər homogenləşdirilir, dispersləşdirilir, emulsiyalaşdırılır, ekstraksiya olunur, həll edilir və/və ya kimyəvi reaksiyalar başladılır. Ümumilikdə, ultrasəslə işləmə məhsul çıxımını artıran, çevrilmə dərəcələrini yaxşılaşdıran və prosesləri daha səmərəli edən proses intensivləşdirmə üsuludur.
Sənayedə geniş yayılmış ultrasəs tətbiqləri qida və əczaçılıq, incə kimya, enerji və neft kimyası, təkrar emal, bioloji xammalın emalı müəssisələri və s. sahələrin bir çox istiqamətlərini əhatə edir və bunlara aşağıdakılar daxildir:

• ultrasəslə biodizel sintezi
• meyvə şirələrinin ultrasəslə homogenləşdirilməsi
• ultrasəslə vaksin istehsalı
• Li-ion batareyalarının ultrasəslə təkrar emalı
• nanomaterialların ultrasəslə sintezi
• əczaçılıq preparatlarının ultrasəslə formulə edilməsi
• CBD-nin ultrasəslə nanoemulsiyalaşdırılması
• bitki materiallarının ultrasəslə ekstraksiyası
• laboratoriyalarda ultrasəslə nümunə hazırlanması
• mayelərdən ultrasəslə qazların çıxarılması
• xam neftin ultrasəslə kükürdsüzləşdirilməsi
• və daha çoxu …

Yüksək məhsuldarlıq tələb edən tətbiqlər üçün ultrasəs ruporları və zondları

Hielscher Ultrasonics bir çox sənaye sahəsində ağır iş şəraiti tələb edən tətbiqlərdə dünya üzrə istifadə olunan yüksək güclü ultrasəs cihazlarının istehsalı və paylanması sahəsində uzunmüddətli təcrübəyə malikdir.
Hər cihaz üçün 50 vattdan 16kW-a qədər bütün ölçülərdə ultrasəs prosessorları, müxtəlif ölçü və formalarda zondlar, müxtəlif həcm və həndəsi formalara malik ultrasəs reaktorları təklif edən Hielscher Ultrasonics tətbiqiniz üçün ideal ultrasəs qurğusu konfiqurasiyasını yaratmağa uyğun avadanlığa malikdir.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü barədə məlumat verir: