Сонда срещу ултразвукова вана: сравнение на ефективността

Процесите на уникиране могат да се извършват чрез използването на ултразвуков хомогенизатор тип сонда или ултразвукова вана. Въпреки че и двете техники прилагат ултразвук към пробата, има значителни разлики в ефективността, ефикасността и възможностите на процеса.

Желаните ефекти от ултразвуковите течности – включително хомогенизация, диспергиране, деагломерация, смилане, емулгиране, екстракция, лизис, дезинтеграция, сонохимия – се причиняват от акустична кавитация. Чрез въвеждане на ултразвук с висока мощност в течна среда, звуковите вълни се предават във флуида и създават редуващи се цикли с високо налягане (компресия) и ниско налягане (разреждане), със скорости, зависещи от честотата. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висока интензивност създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да абсорбират енергия, те се срутват силно по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича кавитация. По време на имплозията се достигат много високи температури (около 5000 К) и налягания (около 2000 атм). Имплозията на кавитационния мехур също води до течни струи със скорост до 280 m/s. [Суслик 1998]

1: Създаване на стабилни и преходни кавитационни мехурчета. а) изместване, б) преходна кавитация, в) стабилна кавитация, г) налягане
[адаптирано от Santos et al. 2009]

Moholkar et al. (2000) установиха, че мехурчетата в областта с най-висок интензитет на кавитация са претърпели преходно движение, докато мехурчетата в областта с най-нисък интензитет на кавитация са претърпели стабилно/осцилаторно движение. Преходният колапс на мехурчетата, който води до локални максимуми на температурата и налягането, е в основата на наблюдаваните ефекти на ултразвука върху химическите системи.
Интензивността на ултразвука е функция на входящата енергия и повърхността на сонотрода. За даден входяща енергия се прилага: колкото по-голяма е повърхността на сонотрода, толкова по-нисък е интензитетът на ултразвука.
Ултразвуковите вълни могат да бъдат генерирани от различни видове ултразвукови системи. По-долу ще бъдат сравнени разликите между ултразвуковата вана, ултразвуковото сондово устройство в отворен съд и ултразвуковото сондово устройство с камера на поточната клетка.

Сравнение на разпределението на кавитационните горещи точки

За ултразвукови приложения се използват ултразвукови сонди (сонотроди / рога) и ултразвукови вани. “Сред тези два метода на ултразвук, ултразвукът на сондата е по-ефективен и мощен от ултразвуковата вана при прилагането на дисперсия на наночастици; ултразвуковото устройство за вана може да осигури слаба ултразвукова светлина с приблизително 20-40 W/L и много неравномерно разпределение, докато ултразвуковото устройство за сонда може да осигури 20 000 W/L в течността. По този начин това означава, че ултразвуковото устройство за баня превъзхожда ултразвуковото устройство за баня с коефициент 1000.” (срв. Asadi et al., 2019)

Сравнение на разпределението на кавитационните горещи точки

В областта на ултразвуковите приложения както ултразвуковите сонди (сонотроди/рога), така и ултразвуковите вани играят ключова роля. Въпреки това, когато става въпрос за дисперсия на наночастици, ултразвукът на сондата значително превъзхожда ултразвуковите вани. Според Asadi et al. (2019), ултразвуковите вани обикновено генерират по-слаб ултразвук от около 20-40 W/L със силно неравномерно разпределение. В рязък контраст, ултразвуковите сонди могат да доставят удивителните 20 000 вата на литър във флуида, демонстрирайки ефективност, която надминава ултразвуковите вани с коефициент 1000. Тази значителна разлика подчертава превъзходната способност на ултразвука на сондата за постигане на ефективна и равномерна дисперсия на наночастици.

Ултразвукови вани

В ултразвукова вана кавитацията възниква несъвместима и неконтролируемо разпределена през резервоара. Ултразвуковият ефект е с ниска интензивност и неравномерно разпределение. Повторяемостта и мащабируемостта на процеса са много лоши.
Снимката по-долу показва резултатите от тестване на фолио в ултразвуков резервоар. Следователно на дъното на ултразвуков резервоар, напълнен с вода, се поставя тънко алуминиево или калаено фолио. След ултразвука се виждат единични следи от ерозия. Тези единични перфорирани петна и дупки във фолиото показват кавитационните горещи точки. Поради ниската енергия и неравномерното разпределение на ултразвука в резервоара, следите от ерозия се появяват само на място. Следователно ултразвуковите вани се използват най-вече за почистване на приложения.
 

В ултразвукова вана или резервоар горещата точка на акустичната кавитация възниква много неравномерно.

 
Фигурите по-долу показват неравномерното разпределение на кавитационните горещи точки в ултразвукова вана. 2 вана с площ на дъното 20×Използвани са 10 см.
 

Фиг.2 показва пространственото разпределение на ултразвуковото поле в ултразвуковата вана:
а) използване на 1 л вода във ваната и б) използване на общия обем от 2 л вода във ваната.
[Nascentes et al., 2010]

 
За измерванията, показани на фигура 3, е използвана ултразвукова вана с пространство на дъното 12x10 см.

3 показва пространственото разпределение на ултразвуковото поле в ултразвукова вана:
а) използване на 1 л вода във ваната и б) използване на общия обем от 1,3 л вода във ваната.
[Nascentes et al., 2001]

 
И двете измервания показват, че разпределението на полето на ултразвуково облъчване в ултразвуковите резервоари е много неравномерно. Изследването на ултразвуковото облъчване на различни места във ваната показва значителни пространствени вариации в интензитета на кавитацията в ултразвуковата вана.

Фигура 4 по-долу сравнява ефективността на ултразвукова вана и ултразвуково устройство за сонда, илюстрирано от обезцветяването на азо-багрилото Methyl Violet.

4: Сондовите ултразвукораздвижители разгръщат локализирана много висока енергийна интензивност в сравнение с ниската ултразвукова плътност на ултразвуковите резервоари и вани.

Dhanalakshmi et al. установиха в своето проучване, че ултразвуковите устройства от сондов тип имат висока локализирана интензивност в сравнение с резервоара и следователно по-голям локализиран ефект, както е показано на фигура 4. Това означава по-висока интензивност и ефективност на процеса на ултразвук.
Ултразвуковата настройка, както е показано на снимка 4, позволява пълен контрол върху най-важните параметри, като амплитуда, налягане, температура, вискозитет, концентрация, обем на реактора.

Предимствата на сондовите соникатори

Ултразвуковите сонди или сонотроди са предназначени да концентрират ултразвуковата енергия във фокусирана област, обикновено на върха на сондата. Този фокусиран пренос на енергия позволява прецизно и ефективно третиране на пробите. Тъй като дизайнът на сондата гарантира, че значителна част от ултразвуковата енергия е насочена към пробата, преносът на енергия е значително подобрен в сравнение с ултразвуковите вани. Това фокусирано предаване на ултразвукова мощност е особено изгодно за приложения, изискващи прецизен контрол върху параметрите на ултразвука, като разрушаване на клетките, нанодисперсия, синтез на наночастици, емулгиране и ботаническа екстракция.
Следователно сондовите ултразвукови вани предлагат различни предимства пред ултразвуковите вани по отношение на прецизност, контрол, гъвкавост, ефективност и мащабируемост, което ги прави незаменими инструменти за широк спектър от научни и промишлени приложения.

Сондови соникатори за обработка на отворени чаши

Когато пробите се ултразвукови с помощта на ултразвуково сондово устройство, зоната на интензивна ултразвук е точно под сонотрода/сондата. Разстоянието на ултразвуково облъчване е ограничено до определена област на върха на сонотрода. (виж снимка 1)
Ултразвуковите процеси в отворените чаши се използват най-вече за тестване на осъществимост и за подготовка на проби от по-малки обеми.

Сондови соникатори с проточна клетка за вградена обработка

Най-сложните резултати от ултразвука се постигат чрез непрекъсната обработка в затворен режим на поток. Целият материал се обработва със същия ултразвуков интензитет като пътя на потока и времето на престой в камерата на ултразвуковия реактор.

Комплект за ултразвукова рециркулация: UIP1000hdT с проточна клетка, резервоар и помпа

Резултатите от процеса на ултразвукова обработка на течности за дадена конфигурация на параметрите са функция на енергията на обработен обем. Функцията се променя с промени в отделните параметри. Освен това, действителната изходна мощност и интензитет на повърхност на сонотрода на ултразвуков блок зависи от параметрите.

Кавитационното въздействие на ултразвуковата обработка зависи от повърхностния интензитет, който се описва с амплитуда (A), налягане (p), обем на реактора (VR), температура (T), вискозитет (η) и други. Знаците плюс и минус показват положително или отрицателно влияние на конкретния параметър върху интензивността на ултразвука.

Чрез контролиране на най-важния параметър на процеса на ултразвук, процесът е напълно повторяем и постигнатите резултати могат да бъдат мащабирани напълно линейно. Различните видове сонотроди и реактори с ултразвукови поточни клетки позволяват адаптиране към специфичните изисквания на процеса.

Резюме: Сондов соникатор срещу ултразвукова вана

Докато ултразвуковата вана осигурява слаба ултразвукова светлина само с около 20 вата на литър и много неравномерно разпределение, сондовите ултразвукораздвижители могат лесно да свържат около 20000 вата на литър в обработената среда. Това означава, че ултразвуковият сонден тип ултразвукова вана превъзхожда ултразвуковата вана с коефициент 1000 (1000 пъти по-висока входяща енергия на обем) поради фокусирана и равномерна ултразвукова входяща мощност. Пълният контрол върху най-важните параметри на ултразвука осигурява напълно възпроизводими резултати и линейна мащабируемост на резултатите от процеса.