Sonikace typu sondy vs. ultrazvuková lázeň: Srovnání účinnosti
Procesy sonikace mohou být prováděny pomocí ultrazvukového homogenizátoru typu sondy nebo ultrazvukové lázně. Ačkoli obě techniky aplikují ultrazvuk na vzorek, existují významné rozdíly v účinnosti, efektivitě a možnostech procesu.
Požadované účinky sonikačních kapalin – včetně homogenizace, disperze, deaglomerace, mletí, emulgace, extrakce, lýzy, rozpadu, sonochemie – jsou způsobeny akustickou kavitací. Zavedením ultrazvuku s vysokým výkonem do kapalného média se zvukové vlny přenášejí v tekutině a vytvářejí střídavé vysokotlaké (kompresní) a nízkotlaké (zředění) cykly, přičemž rychlost závisí na frekvenci. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kapalině malé vakuové bubliny nebo dutiny. Když bubliny dosáhnou objemu, ve kterém již nemohou absorbovat energii, během vysokotlakého cyklu se prudce zhroutí. Tento jev se nazývá kavitace. Během imploze jsou lokálně dosahovány velmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 atm). Imploze kavitační bubliny má také za následek trysky kapaliny o rychlosti až 280 m/s. [Šušlick 1998]
Sonikátor typu sondy vs ultrazvuková lázeň – Prozkoumejte, proč sonikátory typu sondy vynikají účinností a spolehlivostí
Obr. 1: Tvorba stabilních a přechodných kavitačních bublin. (a) posunutí, (b) přechodná kavitace, (c) stabilní kavitace, (d) tlak
[převzato z Santos et al. 2009]
Moholkar et al. (2000) zjistili, že bubliny v oblasti s nejvyšší intenzitou kavitace prošly přechodným pohybem, zatímco bubliny v oblasti s nejnižší intenzitou kavitace prošly stabilním/oscilačním pohybem. Přechodný kolaps bublin, který vede ke vzniku lokálních teplotních a tlakových maxim, je příčinou pozorovaných účinků ultrazvuku na chemické systémy.
Intenzita ultrazvuku je funkcí energetického příkonu a povrchové plochy sonotrody. Pro daný energetický příkon platí: čím větší je povrch sonotrody, tím nižší je intenzita ultrazvuku.
Ultrazvukové vlny mohou být generovány různými typy ultrazvukových systémů. V následujícím textu budou porovnány rozdíly mezi sonikací pomocí ultrazvukové lázně, ultrazvukovou sondou v otevřené nádobě a ultrazvukovou sondou s komorou průtokové buňky.
Porovnání distribuce kavitačních horkých míst
Pro ultrazvukové aplikace se používají ultrazvukové sondy (sonotrody / rohy) a ultrazvukové lázně. “Mezi těmito dvěma metodami ultrazvuku je ultrazvuková sonda účinnější a silnější než ultrazvuková lázeň při aplikaci disperze nanočástic; ultrazvukové lázeňské zařízení může poskytnout slabou ultrazvuku s přibližně 20-40 W / l a velmi nerovnoměrnou distribuci, zatímco ultrazvukové sondové zařízení může poskytnout 20 000 W / l do kapaliny. To znamená, že ultrazvuková sonda předčí ultrazvukový lázeňský přístroj faktorem 1000.” (srov. Asadi et al., 2019)
Porovnání distribuce kavitačních horkých míst
V oblasti ultrazvukových aplikací hrají klíčovou roli jak ultrazvukové sondy (sonotrody/rohy), tak ultrazvukové lázně. Nicméně, pokud jde o disperzi nanočástic, sonikace sondy výrazně překonává ultrazvukové lázně. Podle Asadi et al. (2019) ultrazvukové lázně obvykle generují slabší ultrazvuku asi 20-40 W / l s vysoce nerovnoměrnou distribucí. V ostrém kontrastu s tím mohou ultrazvukové sondy dodat do kapaliny ohromujících 20 000 wattů na litr, což předvádí účinnost, která předčí ultrazvukové lázně faktorem 1000. Tento výrazný rozdíl zdůrazňuje vynikající schopnost sonikace sondy při dosahování účinné a rovnoměrné disperze nanočástic.
Ultrazvukové lázně
V ultrazvukové lázni dochází ke kavitaci nepřizpůsobivé a nekontrolovatelně distribuované v nádrži. Sonikační účinek je nízké intenzity a nerovnoměrně rozložený. Opakovatelnost a škálovatelnost procesu je velmi špatná.
Na obrázku níže jsou uvedeny výsledky testování fólie v ultrazvukové nádrži. Proto je na dno ultrazvukové nádrže naplněné vodou umístěna tenká hliníková nebo cínová fólie. Po sonikaci jsou viditelné jednotlivé stopy eroze. Tyto jednotlivé perforované skvrny a otvory ve fólii označují kavitační horká místa. Vzhledem k nízké energii a nerovnoměrnému rozložení ultrazvuku v nádrži se stopy eroze vyskytují pouze místně. Proto se ultrazvukové lázně většinou používají pro čisticí aplikace.
V ultrazvukové lázni nebo nádrži se horké místo akustické kavitace vyskytuje velmi nerovnoměrně.
Níže uvedené obrázky ukazují nerovnoměrné rozložení kavitačních horkých míst v ultrazvukové lázni. Na obr. 2 vana se spodní plochou 20×Bylo použito 10 cm.
Obr. 2 ukazuje prostorové rozložení ultrazvukového pole v ultrazvukové lázni:
(a) použití 1 l vody ve vaně a (b) použití celkového objemu 2 l vody ve vaně.
[Nascentes et al., 2010]
Pro měření znázorněná na obrázku 3 byla použita ultrazvuková lázeň s prostorem dna 12x10 cm.
Obr. 3 ukazuje prostorové rozložení ultrazvukového pole v ultrazvukové lázni:
(a) použití 1 l vody v lázni a (b) použití celkového objemu 1,3 l vody ve vaně.
[Nascentes et al., 2001]
Obě měření ukazují, že rozložení pole ultrazvukového ozařování v ultrazvukových nádržích je velmi nerovnoměrné. Studium ultrazvukového ozařování na různých místech v lázni ukazuje významné prostorové rozdíly v intenzitě kavitace v ultrazvukové lázni.
Obrázek 4 níže porovnává účinnost ultrazvukové lázně a ultrazvukového sondového zařízení, což je znázorněno odbarvením azobarviva methylfialového barviva.
Obr. 4: Sonikátory typu sondy nasazují lokalizovanou velmi vysokou energetickou intenzitu ve srovnání s nízkou ultrazvukovou hustotou ultrazvukových nádrží a lázní.
Dhanalakshmi a kol. ve své studii zjistili, že ultrazvuková zařízení typu sondy mají vysokou lokalizovanou intenzitu ve srovnání s tankovým typem, a proto mají větší lokalizovaný účinek, jak je znázorněno na obrázku 4. To znamená vyšší intenzitu a účinnost procesu sonikace.
Ultrazvukové nastavení, jak je znázorněno na obrázku 4, umožňuje plnou kontrolu nad nejdůležitějšími parametry, jako je amplituda, tlak, teplota, viskozita, koncentrace, objem reaktoru.
Sonikátor typu sondy UP200St se sonotrodou S26d7D pro homogenizaci vzorků dávkového typu
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Obr. 1: Sonotroda přenášející ultrazvuk energie do kapaliny. Zamlžení pod povrchem sonotrody označuje kavitační horkou oblast.
- intenzivní
- rozhodný
- Plně ovladatelné
- Rovnoměrné rozložení
- reprodukovatelný
- Lineární škálování
- Dávkové a in-line
Výhody sonikátorů typu sondy
Ultrazvukové sondy nebo sonotrody jsou navrženy tak, aby koncentrovaly ultrazvukovou energii do zaostřené oblasti, obvykle na špičce sondy. Tento cílený přenos energie umožňuje přesné a efektivní zpracování vzorků. Vzhledem k tomu, že konstrukce sondy zajišťuje, že významná část ultrazvukové energie je směrována ke vzorku, je přenos energie ve srovnání s ultrazvukovými lázněmi výrazně zvýšen. Tento cílený přenos ultrazvukové energie je zvláště výhodný pro aplikace vyžadující přesnou kontrolu nad parametry sonikace, jako je narušení buněk, nanodisperze, syntéza nanočástic, emulgace a botanická extrakce.
Proto sonikátory typu sondy nabízejí výrazné výhody oproti ultrazvukovým lázním, pokud jde o přesnost, kontrolu, flexibilitu, účinnost a škálovatelnost, což z nich činí nepostradatelné nástroje pro širokou škálu vědeckých a průmyslových aplikací.
Sonikátory typu sondy pro zpracování otevřených kádinek
Když jsou vzorky sonikovány pomocí ultrazvukového sondového zařízení, intenzivní sonikační zóna je přímo pod sonotrodou / sondou. Vzdálenost ultrazvukového ozařování je omezena na určitou oblast špičky sonotrody. (viz obr.1)
Ultrazvukové procesy v otevřených kádinkách se většinou používají pro testování proveditelnosti a pro přípravu vzorků menších objemů.
Sonikátory typu sondy s průtokovou buňkou pro inline zpracování
Nejsofistikovanějších výsledků sonikace je dosaženo kontinuálním zpracováním v uzavřeném průtokovém režimu. Veškerý materiál je zpracováván se stejnou intenzitou ultrazvuku, jako je řízena dráha proudění a doba zdržení v komoře ultrazvukového reaktoru.
Ultrazvuková recirkulační sada: UIP1000hdT s průtokovou celou, nádrží a čerpadlem
Procesní výsledky ultrazvukového zpracování kapalin pro danou konfiguraci parametrů jsou funkcí energie na zpracovaný objem. Funkce se mění se změnami v jednotlivých parametrech. Kromě toho skutečný výkon a intenzita na povrch sonotrody ultrazvukové jednotky závisí na parametrech.
Kavitační dopad ultrazvukového zpracování závisí na intenzitě povrchu, která je popsána amplitudou (A), tlakem (p), objemem reaktoru (VR), teplotou (T), viskozitou (η) a dalšími. Znaménka plus a mínus označují pozitivní nebo negativní vliv konkrétního parametru na intenzitu sonikace.
Řízením nejdůležitějšího parametru procesu ultrazvuku je proces plně opakovatelný a dosažené výsledky lze škálovat zcela lineárně. Různé typy sonotrod a ultrazvukových reaktorů s průtokovými buňkami umožňují přizpůsobení specifickým požadavkům procesu.
Shrnutí: Sonikátor typu sondy vs ultrazvuková lázeň
Zatímco ultrazvuková lázeň poskytuje slabou sonikaci s přibližně 20 watty na litr, pouze a velmi nerovnoměrnou distribuci, sonikátory typu sondy mohou snadno spojit cca. 20000 wattů na litr do zpracovaného média. To znamená, že ultrazvukový sonikátor typu sondy vyniká ultrazvukovou lázní faktorem 1000 (1000x vyšší příkon energie na objem) díky soustředěnému a rovnoměrnému ultrazvukovému příkonu. Plná kontrola nad nejdůležitějšími parametry sonikace zajišťuje zcela reprodukovatelné výsledky a lineární škálovatelnost výsledků procesu.
Literatura/Odkazy
- 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.
Často kladené otázky o ultrazvukových sondách (FAQ)
Co je ultrazvuková sonda sonikátor?
Ultrazvuková sonda sonikátor je zařízení, které využívá vysokofrekvenční zvukové vlny k narušení nebo smíchání vzorků. Skládá se ze sondy, která po ponoření do kapaliny generuje ultrazvukové vibrace, které vedou ke kavitaci a požadovaným efektům zpracování vzorku.
Jaký je princip sonikace sondy?
Sonikace sondy funguje na principu ultrazvukové kavitace. Když sonda ve vzorku vibruje, vytváří mikroskopické bubliny, které se rychle rozpínají a kolabují. Tento proces generuje intenzivní smykové síly a teplo, narušuje buňky nebo mísí složky na mikroskopické úrovni.
Je ultrazvukový čistič stejný jako sonikátor?
Ne, nejsou stejné. Ultrazvukový čistič používá k čištění předmětů velmi mírné ultrazvukové vlny v lázni, zejména vibracemi a velmi malou kavitací. Sonikátor, konkrétně ultrazvukový sondový sonikátor, je určen pro přímé, intenzivní ultrazvukové ošetření vzorků se zaměřením na narušení nebo homogenizaci.
Jaké je použití ultrazvukové sondy?
Ultrazvuková sonda se primárně používá pro úkoly přípravy vzorků, jako je narušení buněk, homogenizace, emulgace a disperze částic v různých výzkumných a průmyslových aplikacích v chemii, biologii a vědě o materiálech.
Jaký je rozdíl mezi sondou sonikátor a šálek rohu?
Sonikátor sondy přímo ponoří sondu do vzorku pro intenzivní sonikaci. Na druhé straně sonikátor s hrnkovým rohem neponoří sondu, ale používá nepřímou metodu, kdy je vzorek umístěn v nádobě ve vodní lázni, která přenáší ultrazvukovou energii.
Proč používat sondu sonikátor?
Sonikátor sondy se používá pro svou schopnost dodávat přímou ultrazvukovou energii s vysokou intenzitou do vzorku, čímž se dosahuje účinného narušení, homogenizace nebo emulgace. Je zvláště cenný pro obtížně zpracovatelné vzorky nebo tam, kde je vyžadována přesná kontrola nad procesem.
Jaké jsou výhody sonikátoru sondy?
Mezi výhody patří efektivní a rychlé zpracování vzorků, univerzálnost v aplikacích, přesná kontrola nad parametry sonikace a schopnost zpracovávat širokou škálu velikostí a typů vzorků, od laboratorních vzorků s malým objemem až po větší průmyslové šarže nebo průtoky.
Jak používáte ultrazvukovou sondu sonikátor?
Použití ultrazvukového sondového sonikátoru zahrnuje výběr vhodné velikosti sondy a parametrů ultrazvuku, ponoření hrotu sondy do vzorku a následnou aktivaci sonikátoru pro požadované nastavení času a výkonu, aby se dosáhlo efektivního zpracování vzorku.
Jaký je rozdíl mezi sonikací a ultrazvukem?
Sonikace se týká obecného použití zvukových vln pro zpracování materiálů, které mohou zahrnovat řadu frekvencí. Ultrazvuku specifikuje použití ultrazvukových frekvencí (obvykle nad 20 kHz) se zaměřením na aplikace, které vyžadují vysokoenergetické zvukové vlny pro zpracování vzorku. Nicméně, většina lidí ve skutečnosti odkazuje na ultrasonicators, když používají slovo sonikátor.