Sonde-type sonde-type sonikere vs. ultralydsbade
Til opgaver som emulgering, dispersion, ekstraktion eller reduktion af partikelstørrelse genererer sonde-type sonde-sonikere ensartede forskydningskræfter og højintensitetskavitation. Denne direkte tilgang tackler hårde applikationer og skaleres nemt fra små laboratorietests til fulde produktionskørsler. I mellemtiden kan ultralydsbade være tilstrækkelige til mild rengøring eller lavintensive behandlinger, men de kæmper ofte med mere krævende opgaver, der kræver præcis kontrol over amplitude og temperatur. Når du har brug for pålidelighed, fleksibilitet og robust ydeevne, tilbyder Hielscher sonde-type sondeapparater en klar kant i forhold til grundlæggende ultralydsbade.
Sonde-type sonde-type ultralydsapparat vs ultralydsbad – Udforsk, hvorfor sonde-type sondeapparater udmærker sig i effektivitet og pålidelighed
Soniker kavitation intensitet
Sonde-type sonikere introducerer ultralyd med høj effekt direkte i det flydende medium, hvor lydbølgerne skaber skiftevis højtryks- og lavtrykscyklusser i væsken. 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 og tryk lokalt. Implosionen af kavitationsboblen resulterer også i ekstremt hurtige væskestråler.
Baggrund: Ultralydskavitation
Moholkar (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.
Fig. 1: Dannelse af stabile og forbigående kavitationsbobler. a) forskydning, b) forbigående kavitation, c) stabil kavitation, d) tryk
[tilpasset fra Santos et al. 2009]
Sammenligning af kavitationsfordelingen
Til ultralydsapplikationer kan du bruge ultralydssonder (sonde-type sondeapparater) eller 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)
Sonde-type sonikere vs ultralydsbade: Sammenligning af kavitationsfordeling
Inden for ultralydsapplikationer spiller både sonde-type sondeapparater og ultralydsbade vigtige roller. Men når det kommer til nanopartikelspredning, sondesonikere overgår ultralydsbade betydeligt. Ifølge Asadi (2019) genererer ultralydsbade typisk en svagere ultralydbehandling på ca. 20-40 watt pr. Liter med en meget uensartet fordeling. I skarp kontrast kan ultralydssondeenheder levere forbløffende 20000 watt pr. liter i væsken, hvilket viser en effektivitet, der overgår ultralydsbade med en faktor 1000. Denne markante forskel fremhæver sonde-type sonde-type sonde-type 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. Til dette placeres en tynd aluminiums- 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.
Billede 1: Sonotrode sender strøm ultralyd til væske. Tågen under sonotrodeoverfladen indikerer det kavitationelle hot spot-område.
- intens
- Fokuseret
- Fuldt kontrollerbar
- jævn fordeling
- Reproducerbare
- Lineær opskalering
- Batch og in-line
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.
Sonde-type soniker UP200St med sonotrode S26d7D til homogenisering af prøver af batchtypen
Litteratur/Referencer
- 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.
Ofte stillede spørgsmål om ultralydssonder (Ofte stillede spørgsmål)
Hvad er en ultralydssonde soniker?
En ultralydssondesoniker er en enhed, der bruger højfrekvente lydbølger til at forstyrre eller blande prøver. Den består af en sonde, der, når den nedsænkes i en væske, genererer ultralydsvibrationer, hvilket fører til kavitation og de ønskede prøvebehandlingseffekter.
Hvad er princippet om sondesonikering?
Sondesonikering fungerer på princippet om ultralydskavitation. Når sonden vibrerer i prøven, skaber den mikroskopiske bobler, der hurtigt udvider sig og kollapser. Denne proces genererer intense forskydningskræfter og varme, forstyrrer celler eller blander komponenter på mikroskopisk niveau.
Er en ultralydsrenser det samme som en soniker?
Nej, de er ikke ens. En ultralydsrenser bruger meget milde ultralydsbølger i et bad til at rense genstande, hovedsageligt gennem vibrationer og meget lidt kavitation. En soniker, specifikt en ultralydssonde sondeapparat, er designet til direkte, intensiv ultralydsbehandling af prøver med fokus på forstyrrelse eller homogenisering.
Hvad er brugen af en ultralydssonde?
En ultralydssonde bruges primært til prøveforberedelsesopgaver såsom celleafbrydelse, homogenisering, emulgering og spredning af partikler i en række forsknings- og industrielle applikationer på tværs af kemi, biologi og materialevidenskab.
Hvad er forskellen mellem sondesoniker og kophorn?
En sondesoniker nedsænker sonden direkte i prøven til intens sonikering. En kop-horn soniker nedsænker på den anden side ikke sonden, men bruger en indirekte metode, hvor prøven placeres i en beholder i et vandbad, der transmitterer ultralydsenergien.
Hvorfor bruge en sondesoniker?
En sondesoniker bruges til sin evne til at levere direkte, højintensiv ultralydsenergi til en prøve, hvilket opnår effektiv forstyrrelse, homogenisering eller emulgering. Det er især værdifuldt til prøver, der er svære at behandle, eller når der kræves præcis kontrol over processen.
Hvad er fordelene ved en sondesoniker?
Fordelene omfatter effektiv og hurtig prøvebehandling, alsidighed i applikationer, præcis kontrol over sonikeringsparametrene og evnen til at behandle en bred vifte af prøvestørrelser og -typer, fra små laboratorieprøver til større industrielle batcher eller flowhastigheder.
Hvordan bruger du en ultralydssonde sondeapparat?
Brug af en ultralydssonde-sonde-soniker involverer valg af passende sondestørrelse og sonikeringsparametre, nedsænkning af sondespidsen i prøven og derefter aktivering af sonikeren til de ønskede tids- og effektindstillinger for at opnå effektiv prøvebehandling.
Hvad er forskellen mellem sonikering og ultralydbehandling?
Sonikering refererer til den generelle brug af lydbølger til behandling af materialer, som kan omfatte en række frekvenser. Ultralydbehandling specificerer brugen af ultralydsfrekvenser (typisk over 20 kHz) med fokus på applikationer, der kræver højenergiske lydbølger til prøvebehandling. Men de fleste mennesker henviser faktisk til ultralydapparater, når de bruger ordet soniker.