Sonikační procesy lze provádět pomocí ultrazvukového homogenizátoru typu sondy nebo ultrazvukové lázně. Ačkoli obě techniky aplikují ultrazvuk na vzorek, existují významné rozdíly v účinnosti, efektivitě a procesních schopnostech. Ultrazvukové sondy vynikají ultrazvukovou lázní drasticky, pokud jde o intenzitu ultrazvuku, amplitudu, rovnoměrné zpracování a reprodukovatelnost.

Požadované účinky na ultrazvuku kapalin – počítaje v to homogenizace, dispergační, rozdružování, frézování, emulgace, těžba, lýza, Rozpad a sonochemická účinky - jsou způsobeny kavitace. Zavedením ultrazvuku s vysokým výkonem do kapalného média se zvukové vlny přenášejí v tekutině a vytvářejí střídavě vysokotlaké (kompresní) a nízkotlaké (vyprázdněné) cykly, přičemž sazby závisí na frekvenci. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí vysoce intenzivní ultrazvukové vlny v kapalině malé vakuové bubliny nebo prázdné prostory. Když bubliny dosáhnou objemu, ve kterém již nemohou absorbovat energii, prudce se zhroutí během vysokotlakého cyklu. Tento jev se nazývá kavitace. Během implozí jsou dosaženy velmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 k). Implozion kavitační bubliny také vede k tekutinovým tryskám rychlostí až 280 m / s. [Suslick 1998]

Moholkar a kol. (2000) zjistili, že bubliny v oblasti nejvyšší intenzitě kavitačního prošel přechodný pohyb, zatímco bubliny v oblasti nejnižší intenzity kavitačního prošel stabilní / kmitavý pohyb. Přechodné kolaps bublin, které dává vzniknout místní teploty a tlaku maxim je u kořene pozorovaných účinků ultrazvuku na chemické systémy.
Intenzita ultrazvuku je funkcí vstupu energie a povrchové plochy sonotrody. Pro daný příkon platí: čím větší je povrchová plocha sonotrody, tím nižší intenzitu ultrazvuku.
Ultrazvukové vlny mohou být generovány různé typy ultrazvukových systémů. V následujícím textu, rozdíly mezi ultrazvuku za použití ultrazvukové lázně, se ve srovnání ultrazvukové sondové zařízení v otevřené nádobě a ultrazvukového zařízení sondy s průtokovou kyvetou komorou.

Srovnání kavitačné horké rozdělení bodové

Pro ultrazvukové aplikace se používají ultrazvukové sondy (sonotrody / rohy) a ultrazvukové lázně. “Mezi těmito dvěma metodami ultrazvuku je sondová sonikace 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 nerovnoměrné rozložení, zatímco ultrazvukové sondové zařízení může poskytnout 20,000 W / L do tekutiny. To znamená, že ultrazvukové sondové zařízení vyniká ultrazvukovým lázeňským zařízením o faktor 1000.” (srov. Asadi et al., 2019)

Ultrazvuková lázeň

V ultrazvukové lázni, kavitaci dochází bez přizpůsobivá a nekontrolovatelně distribuovány prostřednictvím nádrže. Sonikace efekt nízkou intenzitu a nerovnoměrně rozpětí. Opakovatelnost a škálovatelnost tohoto procesu je velmi špatná.
Na následujícím obrázku je výsledky testů fólie v ultrazvukové nádrži. Proto tenké hliníkové nebo cínové fólie je umístěna ve spodní části naplněné vodou ultrazvukové nádrže. Po působení ultrazvuku, jednotlivé eroze značky jsou viditelné. Tyto jednotlivé děrované body a otvory ve fólii označují kavitačné horké skvrny. V důsledku nízká energie a nerovný Distribuce ultrazvuku uvnitř tanku, erozi známky se vyskytují pouze spot-moudrý. Z tohoto důvodu, ultrazvukové lázně jsou většinou používány pro čištění aplikace.

Následující obrázky ukazují nerovnoměrné rozložení kavitačné hot spots v ultrazvukové lázni. Na obr. 2, vana se spodní části 20×byla použita 10 cm.

Pro měření, znázorněných na obr. 3, bylo použito ultrazvukové lázni se spodní plochou 12x10cm.

Obě měření ukazuje, že rozložení ultrazvukového ozařovacího pole v ultrazvukových tanků je velmi nerovnoměrné.
Studium ozáření ultrazvukem na různých místech v lázni ukazuje významné prostorové odchylky v intenzitě kavitace v ultrazvukové lázni.

Na obr. 4 níže porovnává účinnost ultrazvukové lázně a ultrazvukové sondové zařízení ilustrovaný bělení azobarviva Methyl Violet.

Dhanalakshmi a kol. našel ve své studii, která sonda typu ultrazvukové Přístroje mají high lokalizované intenzita v porovnání s cisternového typu a tudíž i větší lokalizovanou účinek, jak je znázorněno na obr. 4. To znamená, že vyšší intenzitu a účinnost procesu ultrazvuku.
Ultrazvukový nastavení, jak je znázorněno na obrázku 4, umožňuje plnou kontrolu nad nejdůležitějších parametrů - amplitudy, tlaku, teploty, viskozity, koncentrace, objemu reaktoru.

Ultrazvukové sondy zařízení v otevřené kádince

Pokud se vzorky vystaví působení ultrazvuku za použití ultrazvukové sondové zařízení, intenzivní sonikace zóna je přímo pod sonotrody / sondy. Ultrazvuku vzdálenost je omezena na určité oblasti hrotu sonotrodové. (Viz obr.1)
Ultrazvukové procesy v otevřené kádinky se nejčastěji používají k testování proveditelnosti a pro přípravu vzorků menších objemech.

Ultrazvukové zařízení sonda v režimu s kontinuálním tokem

Nejdokonalejší výsledky sonikaci se dosahuje kontinuálním zpracování v režimu uzavřeném průtokovém. Všechny materiály jsou zpracovávány stejným ultrazvukové intenzity jako je řízen průtoková dráha a doba zdržení v ultrazvukové komory reaktoru.

Obr. 4: 1 kW ultrazvukové zařízení UIP1000hd s průtokovou kyvetou a čerpadlem

Výsledky procesu ultrazvukového zpracování kapaliny pro danou konfiguraci parametrů jsou funkcí energie na zpracovávané objemu. Funkce se mění se změnami v jednotlivých parametrů. Kromě toho je skutečný výstupní výkon a intenzita na povrchové ploše sonotrody ultrazvukového zařízení závisí na parametrech.

Kavitačné dopad ultrazvukové zpracování závisí na intenzitě povrchu, která je popsaným v příkladu lf podle amplitudy (A), tlak (p), objem reaktoru (VR), teplota (T), viskozita (η) a další. Plus a mínus naznačují pozitivní nebo negativní vliv na konkrétní parametr na intenzitě ultrazvuku.

Řízením nejdůležitějším parametrem procesu sonikační proces je plně opakovatelný a dosažené výsledky mohou být zmenšen zcela lineární. Různé typy sonotrody a ultrazvukových průtokových reaktorů buněk umožňují adaptaci na specifické požadavky procesu.

souhrn

zatímco pro Ultrazvuková lázeň poskytuje slabý sonikace s cca. 20-40 W / l a velmi nejednotné rozdělení, ultrazvuková sonda typu Zařízení lze snadno pár cca. 20.000 W / l do zpracovávaného média. To znamená, že ultrazvuková sonda typu zařízení vyniká ultrazvukové lázně o faktor 1000 (1000x vyšší vstupu energie na jednotku objemu) v důsledku zaměřena a jednotný ultrazvukový příkon. Úplná kontrola nad nejdůležitější parametry ultrazvuku, zajišťuje zcela reprodukovatelné výsledky a lineární škálovatelnost z výsledků procesu.