Sonde-type sonikering vs. ultralydsbad: En effektivitetssammenligning

Sonikeringsprocesser kan udføres ved hjælp af en sonde-type ultralydshomogenisator eller et ultralydsbad. Selvom begge teknikker anvender ultralyd på prøven, er der betydelige forskelle i effektivitet, effektivitet og proceskapacitet.

De ønskede virkninger af sonikerende væsker – herunder homogenisering, dispergering, deagglomerering, fræsning, emulgering, ekstraktion, lysis, opløsning, sonokemi – er forårsaget af akustisk kavitation. Ved at introducere ultralyd med høj effekt i et flydende medium transmitteres lydbølgerne i væsken og skaber skiftevis højtryks- (kompression) og lavtrykscyklusser (sjældne) med hastigheder afhængigt af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne opnår et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes kavitation. Under implosionen nås meget høje temperaturer (ca. 5.000 K) og tryk (ca. 2.000 atm) lokalt. Implosionen af kavitationsboblen resulterer også i væskestråler med en hastighed på op til 280 m/s. [Suslick 1998]

Fig. 1: Dannelse af stabile og forbigående kavitationsbobler. a) forskydning, b) forbigående kavitation, c) stabil kavitation, d) tryk
[tilpasset fra Santos et al. 2009]

Moholkar et al. (2000) fandt, at boblerne i området med den højeste kavitationsintensitet gennemgik en forbigående bevægelse, mens boblerne i området med den laveste kavitationsintensitet gennemgik stabil/oscillerende bevægelse. Det forbigående kollaps af boblerne, der giver anledning til lokale temperatur- og trykmaksima, er roden til de observerede virkninger af ultralyd på kemiske systemer.
Intensiteten af ultralydbehandling er en funktion af energitilførslen og sonotrodeoverfladearealet. For en given energitilførsel gælder: jo større overfladeareal sonotroden har, jo lavere er intensiteten af ultralyd.
Ultralydbølger kan genereres af forskellige typer ultralydssystemer. I det følgende sammenlignes forskellene mellem sonikering ved hjælp af et ultralydsbad, ultralydssondeanordning i et åbent kar og ultralydssondeanordning med flowcellekammer.

Sammenligning af fordelingen af kavitationelle hot spots

Til ultralydsapplikationer anvendes ultralydssonder (sonotroder / horn) og ultralydsbade. “Blandt disse to metoder til ultralydbehandling er sondesonikeringen mere effektiv og kraftfuld end ultralydsbadet ved anvendelse af nanopartikler dispersion; ultralydsbadenheden kan give en svag ultralydbehandling med ca. 20-40 W / L og en meget uensartet fordeling, mens ultralydssondeenheden kan give 20.000 W / L i væsken. Det betyder således, at en ultralydssondeenhed overgår ultralydsbadenheden med en faktor på 1000.” (jf. Asadi et al., 2019)

Sammenligning af kavitationel hot spot-fordeling

Inden for ultralydsapplikationer spiller både ultralydssonder (sonotroder / horn) og ultralydsbade centrale roller. Men når det kommer til nanopartikelspredning, overgår sondesonikering betydeligt ultralydsbade. Ifølge Asadi et al. (2019) genererer ultralydsbade typisk en svagere ultralydbehandling på ca. 20-40 W / L med en meget uensartet fordeling. I skarp kontrast kan ultralydssondeenheder levere forbløffende 20.000 watt pr. liter i væsken, hvilket viser en effektivitet, der overgår ultralydsbade med en faktor 1000. Denne markante forskel fremhæver sondens overlegne evne til at opnå effektiv og ensartet nanopartikelspredning.

Ultralyd bade

I et ultralydsbad forekommer kavitation ikke-konformt og ukontrolleret fordelt gennem tanken. Sonikeringseffekten er af lav intensitet og ujævnt fordelt. Processens repeterbarhed og skalerbarhed er meget dårlig.
Billedet nedenfor viser resultaterne af en folietest i en ultralydstank. Derfor placeres en tynd aluminium- eller tinfolie i bunden af en vandfyldt ultralydstank. Efter sonikering er enkelte erosionsmærker synlige. Disse enkelte perforerede pletter og huller i folien indikerer de kavitationelle hot spots. På grund af den lave energi og den ujævne fordeling af ultralyden i tanken forekommer erosionsmærkerne kun spotvis. Derfor bruges ultralydsbade mest til rengøringsapplikationer.
 

I et ultralydsbad eller tank forekommer hot spot for akustisk kavitation meget ujævnt.

 
Figurerne nedenfor viser den ujævne fordeling af kavitationelle hot spots i et ultralydsbad. I fig. 2 er der et bad med et bundareal på 20×Der er brugt 10 cm.
 

Fig.2 viser den rumlige fordeling af ultralydsfeltet i ultralydsbadet:
a) at anvende 1 l vand i badet og b) at anvende det samlede volumen på 2 L vand i badet.
[Nascentes et al., 2010]

 
Til målingerne vist i figur 3 er der brugt et ultralydsbad med et bundrum på 12x10 cm.

Fig. 3 viser den rumlige fordeling af ultralydsfeltet i et ultralydsbad:
a) at anvende 1 l vand i badet og b) at anvende det samlede volumen på 1,3 L vand i badet.
[Nascentes et al., 2001]

 
Begge målinger afslører, at fordelingen af ultralydsbestrålingsfeltet i ultralydstankene er meget ujævn. Undersøgelsen af ultralydsbestråling forskellige steder i badet viser signifikante rumlige variationer i kavitationsintensiteten i ultralydsbadet.

Figur 4 nedenfor sammenligner effektiviteten af et ultralydsbad og en ultralydssondeenhed eksemplificeret ved affarvning af azo-farvestof methylviolet.

Fig. 4: Sonde-type sondeapparater anvender lokaliseret meget høj energiintensitet sammenlignet med den lave ultralydstæthed af ultralydstanke og bade.

Dhanalakshmi et al. fandt i deres undersøgelse, at sonde-type ultralydsenheder har en høj lokaliseret intensitet sammenlignet med tank-type og dermed større lokaliseret effekt som vist i figur 4. Dette betyder en højere intensitet og effektivitet af sonikeringsprocessen.
En ultralydsopsætning som vist på billede 4 giver mulighed for fuld kontrol over de vigtigste parametre, såsom amplitude, tryk, temperatur, viskositet, koncentration, reaktorvolumen.

Fordelene ved sonde-type sondeapparater

Ultralydssonder eller sonotroder er designet til at koncentrere ultralydsenergi i et fokuseret område, typisk i spidsen af sonden. Denne fokuserede energitransmission giver mulighed for præcis og effektiv behandling af prøver. Da sondedesignet sikrer, at en betydelig del af ultralydsenergien rettes mod prøven, forbedres energioverførslen betydeligt sammenlignet med ultralydsbade. Denne fokuserede transmission af ultralydseffekt er især fordelagtig for applikationer, der kræver præcis kontrol over sonikeringsparametre, såsom celleafbrydelse, nanodispersion, nanopartikelsyntese, emulgering og botanisk ekstraktion.
Derfor tilbyder sonde-type sonde-sonikere klare fordele i forhold til ultralydsbade med hensyn til præcision, kontrol, fleksibilitet, effektivitet og skalerbarhed, hvilket gør dem til uundværlige værktøjer til en bred vifte af videnskabelige og industrielle applikationer.

Sonde-type sonde-type sonikere til behandling af åbent bægerglas

Når prøver sonikeres ved hjælp af en ultralydssondeenhed, er den intense sonikeringszone direkte under sonotroden / sonden. Ultralydsbestrålingsafstanden er begrænset til et bestemt område af sonotrodespidsen. (se billede 1)
Ultralydsprocesser i åbne bægre bruges mest til gennemførlighedstest og til prøveforberedelse af mindre volumener.

Sonde-type sonikere med flowcelle til inline-behandling

De mest sofistikerede sonikeringsresultater opnås ved en kontinuerlig behandling i en lukket gennemstrømningstilstand. Alt materiale behandles med samme ultralydsintensitet som strømningsvejen og opholdstiden i ultralydsreaktorkammeret styres.

Ultralydsrecirkulationssæt: UIP1000hdT med flowcelle, tank og pumpe

Procesresultaterne af ultralydsvæskebehandling for en given parameterkonfiguration er en funktion af energien pr. behandlet volumen. Funktionen ændres med ændringer i individuelle parametre. Desuden afhænger den faktiske effekt og intensitet pr. overfladeareal af sonotroden af en ultralydsenhed af parametrene.

Kavitationsvirkningen af ultralydsbehandling afhænger af overfladeintensiteten, der er beskrevet ved amplitude (A), tryk (p), reaktorvolumen (VR), temperatur (T), viskositet (η) og andre. Plus- og minustegnene indikerer en positiv eller negativ indflydelse af den specifikke parameter på sonikeringsintensiteten.

Ved at kontrollere den vigtigste parameter i sonikeringsprocessen er processen fuldt repeterbar, og de opnåede resultater kan skaleres helt lineært. Forskellige typer sonotroder og ultralydsflowcellereaktorer giver mulighed for tilpasning til specifikke proceskrav.

Resumé: Sonde-type soniker vs ultralydsbad

Mens et ultralydsbad giver en svag sonikering med ca. 20 watt pr. Liter, kun og en meget uensartet fordeling, kan sonde-type sonde-sonikere let koble ca. 20000 watt pr. liter i det behandlede medium. Dette betyder, at en ultralydssonde-type sonde-type udmærker sig ved et ultralydsbad med en faktor på 1000 (1000 gange højere energiinput pr. Volumen) på grund af en fokuseret og ensartet ultralydseffektindgang. Den fulde kontrol over de vigtigste sonikeringsparametre sikrer fuldstændigt reproducerbare resultater og den lineære skalerbarhed af procesresultaterne.