Οι διαδικασίες κατεργασίας με υπερήχους μπορούν να πραγματοποιηθούν με τη χρήση ενός υπερήχων ομογενοποιητή τύπου καθετήρα ή ενός υπερηχητικού λουτρού. Αν και, και οι δύο τεχνικές εφαρμόζουν υπερήχους στο δείγμα, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στην αποτελεσματικότητα, την αποδοτικότητα και τις δυνατότητες επεξεργασίας. Οι υπερήχων τύπου καθετήρα υπερέχουν δραστικά το λουτρό υπερήχων όταν πρόκειται για ένταση υπερήχων, πλάτος, ομοιόμορφη επεξεργασία και αναπαραγωγιμότητα.

Τα επιθυμητά αποτελέσματα από την υπερήχους των υγρών – συμπεριλαμβανομένου ομογενοποίηση, διασποράς, αποσυσσωμάτωση, άλεσμα, γαλακτωματοποίηση, Εξαγωγή, λύσης, Αποσύνθεση και sonochemical αποτελέσματα - προκαλούνται από σπηλαίωση. Με την εισαγωγή υπερήχων υψηλής ισχύος σε υγρό μέσο, ​​τα ηχητικά κύματα μεταδίδονται στο ρευστό και δημιουργούν εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωσης), με ρυθμούς ανάλογα με τη συχνότητα. Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης, τα υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης δημιουργούν μικρές κενές ή κενά στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες φθάσουν έναν όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφούν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση. Κατά τη διάρκεια της έκρηξης επιτυγχάνονται πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000 K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm). Η εμφάνιση της φούσκας σπηλαίωσης οδηγεί επίσης σε ρεύματα υγρού μέχρι ταχύτητας 280m / s. [Suslick 1998]

Moholkar et αϊ. (2000) βρήκαν ότι οι φυσαλίδες στην περιοχή της υψηλότερης έντασης σπηλαίωση υπέστη μια παροδική κίνησης, ενώ οι φυσαλίδες στην περιοχή της χαμηλότερης έντασης σπηλαίωση υποβλήθηκε σε σταθερό / κίνηση ταλάντωσης. Η παροδική κατάρρευση των φυσαλίδων που προκαλεί τοπική θερμοκρασία και η πίεση maxima είναι στη ρίζα των παρατηρούμενων επιδράσεων των υπερήχων σε χημικά συστήματα.
Η ένταση της κατεργασίας με υπερήχους είναι μια συνάρτηση της εισόδου ενέργειας και την επιφάνεια sonotrode. Για μια δεδομένη εισαγωγή ενέργειας ισχύει: όσο μεγαλύτερο είναι το εμβαδόν επιφανείας του sonotrode, τόσο χαμηλότερη είναι η ένταση των υπερήχων.
Υπέρηχος κύματα μπορούν να δημιουργηθούν από διαφορετικούς τύπους υπερήχων συστημάτων. Στα ακόλουθα, οι διαφορές μεταξύ της επεξεργασίας με υπερήχους χρησιμοποιώντας ένα υπερηχητικό λουτρό, υπερηχητική συσκευή καθετήρα σε ένα ανοιχτό δοχείο και υπερηχητική συσκευή καθετήρα με θαλάμου κυψελίδας ροής θα συγκριθούν.

Σύγκριση της cavitational hot spot διανομής

Για υπερηχητικές εφαρμογές, χρησιμοποιούνται υπερηχητικοί ανιχνευτές (sonotrodes / κέρατα) και υπερηχητικά λουτρά. “Μεταξύ αυτών των δύο μεθόδων υπερήχων, η υπερήχων καθετήρα είναι πιο αποτελεσματική και ισχυρή από το λουτρό υπερήχων στην εφαρμογή της διασποράς νανοσωματιδίων? η συσκευή υπερήχων μπάνιου μπορεί να παρέχει μια αδύναμη υπερήχους με περίπου 20-40 W / L και μια πολύ μη ομοιόμορφη κατανομή, ενώ η συσκευή υπερήχων καθετήρα μπορεί να παρέχει 20.000 W / L στο υγρό. Έτσι, αυτό σημαίνει ότι μια συσκευή υπερήχων καθετήρα υπερέχει της συσκευής μπάνιου υπερήχων με τον παράγοντα 1000.” (πρβλ. Ασάντι κ.ά., 2019)

λουτρό υπερήχων

Σε ένα λουτρό υπερήχων, σπηλαίωση λαμβάνει χώρα μη-διαμορφώσιμο και ανεξέλεγκτα διανέμονται μέσω της δεξαμενής. Το αποτέλεσμα κατεργασίας με υπερήχους είναι χαμηλής έντασης και ανισώς διάδοση. Η επαναληψιμότητα και την επεκτασιμότητα της διαδικασίας είναι πολύ κακή.
Η παρακάτω εικόνα δείχνει τα αποτελέσματα μιας δοκιμής φύλλου σε ένα υπερηχητικό δεξαμενή. Ως εκ τούτου, ένα λεπτό φύλλο αλουμινίου ή κασσίτερου τοποθετείται στον πυθμένα ενός υδατο γεμάτη δεξαμενή υπερήχων. Μετά από κατεργασία με υπερήχους, μόνο σημάδια διάβρωσης είναι ορατά. Οι εν λόγω ενιαία διάτρητο σημεία και οπές στο φύλλο υποδεικνύουν τις cavitational hot spots. Λόγω της χαμηλή ενέργεια και το άνισος κατανομή των υπερήχων μέσα στη δεξαμενή, τα σημάδια διάβρωσης συμβαίνουν μόνο σημείο-σοφός. Ως εκ τούτου, τα λουτρά υπερήχων που χρησιμοποιούνται κυρίως για εφαρμογές καθαρισμού.

Οι παρακάτω σχήματα δείχνουν την άνιση κατανομή των cavitational hot spots σε λουτρό υπερήχων. Στο Σχ. 2, ένα λουτρό με μια κάτω περιοχή του 20×10 εκατοστά έχει χρησιμοποιηθεί.

Για τις μετρήσεις που φαίνεται στο Σχ. 3, έχει χρησιμοποιηθεί ένα λουτρό υπερήχων με έναν πυθμένα χώρο της 12x10cm.

Και οι δύο μετρήσεις αποκαλύπτει ότι η κατανομή του πεδίου ακτινοβολίας υπερήχων σε υπερήχων δεξαμενές είναι πολύ άνιση.
Η μελέτη των υπερήχων ακτινοβολίας σε διάφορες θέσεις εντός του λουτρού δείχνει σημαντικές χωρικές διακυμάνσεις στην ένταση σπηλαίωσης στο λουτρό υπερήχων.

Το Σχ. 4 κατωτέρω συγκρίνει την αποτελεσματικότητα ενός υπερηχητικού λουτρού και μια υπερηχητική συσκευή ανιχνευτή παραδειγματικά με την αποχρωματισμός της χρωστικής αζο ιώδες του μεθυλίου.

Dhanalakshmi et αϊ. βρέθηκαν σε μελέτη τους που ανιχνευτής τύπου υπερήχων συσκευές έχουν υψηλή τοπική έντασης σε σύγκριση με δεξαμενή-τύπου και ως εκ τούτου, μεγαλύτερη εντοπισμένο αποτέλεσμα όπως απεικονίζεται στο Σχ. 4. Αυτό σημαίνει μια υψηλότερη ένταση και την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας επεξεργασίας με υπερήχους.
Ένας υπερηχητικός ρύθμισης όπως φαίνεται στην εικόνα 4, επιτρέπει την πλήρη έλεγχο τις σημαντικότερες παραμέτρους - πλάτος, πίεση, θερμοκρασία, ιξώδες, η συγκέντρωση, ο όγκος του αντιδραστήρα.

Υπερήχων Probe Συσκευή σε ένα ανοικτό ποτήρι ζέσεως

Όταν τα δείγματα σε επεξεργασία με υπερήχους χρησιμοποιώντας μία συσκευή υπερήχων ανιχνευτή, ο έντονος ζώνη κατεργασίας με υπερήχους είναι απευθείας κάτω από το sonotrode / ανιχνευτή. Η υπερηχητική απόσταση ακτινοβολίας περιορίζεται σε μια συγκεκριμένη περιοχή του άκρου του sonotrode του. (Δείτε εικ.1)
Τα υπερήχων διεργασίες σε ανοικτή ποτήρια ζέσεως που χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον για τη δοκιμή σκοπιμότητας και για την προετοιμασία του δείγματος των μικρότερων όγκων.

Υπερηχητική συσκευή ανιχνευτή σε τρόπο συνεχούς ροής

Τα πιο εξελιγμένα αποτελέσματα υπερήχηση επιτυγχάνεται με μία συνεχή επεξεργασία σε ένα κλειστό λειτουργία συνεχούς ροής. Όλο το υλικό υποβάλλεται σε επεξεργασία από τον ίδιο υπερήχων ένταση όπως η διαδρομή ροής και ο χρόνος παραμονής στο θάλαμο υπερήχων αντιδραστήρα ελέγχεται.

Pic. 4: 1kW σύστημα υπερήχων Uip1000hd με κυψελίδα ροής και αντλία

Τα αποτελέσματα της διαδικασίας υπερηχητικής επεξεργασίας υγρού για μια δεδομένη διαμόρφωση των παραμέτρων είναι συνάρτηση της ενέργειας ανά επεξεργασία όγκο. Η λειτουργία αλλάζει με μεταβολές σε μεμονωμένες παραμέτρους. Επιπλέον, η πραγματική ισχύς εξόδου και η ένταση ανά εμβαδόν επιφάνειας του sonotrode ενός υπερηχητικού μονάδας εξαρτάται από τις παραμέτρους.

Η cavitational αντίκτυπος των υπερήχων επεξεργασίας εξαρτάται από την ένταση επιφάνειας η οποία περιγράφηκε από πλάτος (Α), πίεση (p), ο όγκος του αντιδραστήρα (VR), η θερμοκρασία (Τ), το ιξώδες (η) και άλλοι. Τα συν και πλην σημάδια δείχνουν μια θετική ή αρνητική επίδραση της συγκεκριμένης παραμέτρου από την ένταση υπερήχων.

Με τον έλεγχο της πιο σημαντική παράμετρος της διαδικασίας επεξεργασίας με υπερήχους η διαδικασία είναι πλήρως επαναλήψιμα και τα αποτελέσματα που επιτυγχάνονται μπορεί να κλιμακωθεί εντελώς γραμμική. Διαφορετικοί τύποι sonotrodes και αντιδραστήρες υπερήχων κελί ροής επιτρέπουν την προσαρμογή σε ειδικές απαιτήσεις επεξεργασίας.

Περίληψη

Ενώ η λουτρό υπερήχων παρέχει αδύναμος κατεργασία με υπερήχους με περίπου. 20-40 W / L και ένα πολύ μη ομοιόμορφη διανομή, καθετήρα υπερήχων τύπου συσκευές μπορούν εύκολα ζευγάρι περίπου. 20.000 W / L εντός του μεταποιημένα μέσο. Αυτό σημαίνει ότι μια υπερηχητική συσκευή καθετήρα τύπου υπερέχει λουτρού υπερήχων από τον παράγοντα του 1000 (1000χ υψηλότερη ενέργεια εισόδου ανά όγκο) λόγω α επικεντρώθηκε και στολή υπερήχων ισχύς εισόδου. Η πλήρη έλεγχο τα πιο σημαντικά κατεργασία με υπερήχους παραμέτρων εξασφαλίζει πλήρως επαναλήψιμη αποτελέσματα και η γραμμική επεκτασιμότητα των αποτελεσμάτων της διαδικασίας.