Καθετήρας-τύπου κατεργασία με υπερήχους εναντίον υπερηχητικού λουτρού: Μια σύγκριση απόδοσης
Οι διαδικασίες κατεργασίας με υπερήχους μπορούν να πραγματοποιηθούν με τη χρήση ενός ομογενοποιητή υπερήχων τύπου καθετήρα ή ενός λουτρού υπερήχων. Παρόλο που και οι δύο τεχνικές εφαρμόζουν υπερήχους στο δείγμα, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στην αποτελεσματικότητα, την αποδοτικότητα και τις δυνατότητες της διαδικασίας.
Τα επιθυμητά αποτελέσματα των υγρών υπερήχων – συμπεριλαμβανομένης της ομογενοποίησης, της διασποράς, της αποσυσσωμάτωσης, της άλεσης, της γαλακτωματοποίησης, της εκχύλισης, της λύσης, της αποσύνθεσης, της sonochemistry – προκαλούνται από ακουστική σπηλαίωση. Με την εισαγωγή υπερήχων υψηλής ισχύος σε ένα υγρό μέσο, τα ηχητικά κύματα μεταδίδονται στο υγρό 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 υψηλής έντασης υπερηχητικά κύματα δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού ή κενά στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες επιτύχουν έναν όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση. Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm) επιτυγχάνονται τοπικά. Η κατάρρευση της φυσαλίδας σπηλαίωσης οδηγεί επίσης σε υγρούς πίδακες ταχύτητας έως 280m / s. [Suslick 1998]

Εικόνα 1: Δημιουργία σταθερών και παροδικών φυσαλίδων σπηλαίωσης. α) μετατόπιση, β) παροδική σπηλαίωση, γ) σταθερή σπηλαίωση, δ) πίεση
[προσαρμοσμένο από Santos et al. 2009]
Οι Moholkar et al. (2000) διαπίστωσαν ότι οι φυσαλίδες στην περιοχή της υψηλότερης έντασης σπηλαίωσης υπέστησαν μια παροδική κίνηση, ενώ οι φυσαλίδες στην περιοχή της χαμηλότερης έντασης σπηλαίωσης υποβλήθηκαν σε σταθερή / ταλαντευόμενη κίνηση. Η παροδική κατάρρευση των φυσαλίδων που προκαλεί τοπικά μέγιστα θερμοκρασίας και πίεσης βρίσκεται στη ρίζα των παρατηρούμενων επιδράσεων των υπερήχων στα χημικά συστήματα.
Η ένταση της υπερήχων είναι συνάρτηση της εισροής ενέργειας και της επιφάνειας sonotrode. Για μια δεδομένη εισροή ενέργειας ισχύει: όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του sonotrode, τόσο χαμηλότερη είναι η ένταση του υπερήχου.
Τα κύματα υπερήχων μπορούν να δημιουργηθούν από διαφορετικούς τύπους συστημάτων υπερήχων. Στη συνέχεια, θα συγκριθούν οι διαφορές μεταξύ της υπερήχησης που χρησιμοποιεί λουτρό υπερήχων, συσκευή ανιχνευτή υπερήχων σε ανοικτό δοχείο και συσκευή υπερηχητικού ανιχνευτή με θάλαμο κυττάρων ροής.
Σύγκριση της κατανομής θερμών σημείων σπηλαίωσης
Για εφαρμογές υπερήχων, χρησιμοποιούνται αισθητήρες υπερήχων (sonotrodes / κέρατα) και λουτρά υπερήχων. “Μεταξύ αυτών των δύο μεθόδων υπερήχων, η υπερήχηση καθετήρα είναι πιο αποτελεσματική και ισχυρή από το λουτρό υπερήχων στην εφαρμογή της διασποράς νανοσωματιδίων; η συσκευή λουτρού υπερήχων μπορεί να παρέχει μια ασθενή υπερήχους με περίπου 20-40 W / L και μια πολύ ανομοιόμορφη κατανομή, ενώ η συσκευή υπερήχων ανιχνευτή μπορεί να παρέχει 20.000 W / L στο υγρό. Έτσι, αυτό σημαίνει ότι μια συσκευή υπερήχων ανιχνευτή υπερέχει της συσκευής μπάνιου υπερήχων κατά τον παράγοντα 1000.” (πρβλ. Asadi et al., 2019)
Σύγκριση κατανομής θερμών σημείων δημιουργίας κοιλότητας
Στη σφαίρα των εφαρμογών υπερήχων, τόσο υπερήχων ανιχνευτές (sonotrodes / κέρατα) και υπερήχων λουτρά παίζουν κεντρικούς ρόλους. Ωστόσο, όταν πρόκειται για διασπορά νανοσωματιδίων, υπερήχηση ανιχνευτή ξεπερνά σημαντικά υπερηχητικά λουτρά. Σύμφωνα με τους Asadi et al. (2019), τα λουτρά υπερήχων συνήθως παράγουν ασθενέστερη υπερήχους περίπου 20-40 W / L με εξαιρετικά μη ομοιόμορφη κατανομή. Σε πλήρη αντίθεση, οι συσκευές υπερήχων ανιχνευτή μπορούν να παραδώσουν ένα εκπληκτικό 20,000 Watts ανά λίτρο στο υγρό, επιδεικνύοντας μια αποτελεσματικότητα που ξεπερνά τα λουτρά υπερήχων κατά συντελεστή 1000. Αυτή η αξιοσημείωτη διαφορά υπογραμμίζει την ανώτερη ικανότητα υπερήχων ανιχνευτή στην επίτευξη αποτελεσματικής και ομοιόμορφης διασποράς νανοσωματιδίων.
Λουτρά υπερήχων
Σε ένα λουτρό υπερήχων, η σπηλαίωση συμβαίνει μη συμμορφούμενη και ανεξέλεγκτα κατανεμημένη μέσω της δεξαμενής. Το αποτέλεσμα υπερήχων είναι χαμηλής έντασης και άνισα κατανεμημένο. Η επαναληψιμότητα και η επεκτασιμότητα της διαδικασίας είναι πολύ κακή.
Η παρακάτω εικόνα δείχνει τα αποτελέσματα μιας δοκιμής αλουμινίου σε μια δεξαμενή υπερήχων. Ως εκ τούτου, ένα λεπτό φύλλο αλουμινίου ή κασσίτερου τοποθετείται στο κάτω μέρος μιας δεξαμενής υπερήχων γεμάτη νερό. Μετά από υπερήχους, είναι ορατά μεμονωμένα σημάδια διάβρωσης. Αυτά τα μεμονωμένα διάτρητα σημεία και οι οπές στο φύλλο δείχνουν τα θερμά σημεία σπηλαίωσης. Λόγω της χαμηλής ενέργειας και της άνισης κατανομής του υπερήχου μέσα στη δεξαμενή, τα σημάδια διάβρωσης εμφανίζονται μόνο σημειακά. Ως εκ τούτου, τα λουτρά υπερήχων χρησιμοποιούνται κυρίως για εφαρμογές καθαρισμού.
Τα παρακάτω στοιχεία δείχνουν την άνιση κατανομή των καυτών σημείων σπηλαίωσης σε ένα λουτρό υπερήχων. Στην εικόνα 2, ένα λουτρό με κάτω περιοχή 20×Έχει χρησιμοποιηθεί 10 cm.

Το σχήμα 2 δείχνει τη χωρική κατανομή του υπερηχητικού πεδίου στο λουτρό υπερήχων:
α) χρησιμοποιώντας 1 λίτρο νερού στο λουτρό και β) χρησιμοποιώντας τον συνολικό όγκο των 2 λίτρων νερού στο λουτρό.
[Nascentes κ.ά., 2010]
Για τις μετρήσεις που φαίνονται στην εικόνα 3, έχει χρησιμοποιηθεί ένα λουτρό υπερήχων με χώρο πυθμένα 12x10cm.

Το σχήμα 3 δείχνει τη χωρική κατανομή του υπερηχητικού πεδίου σε ένα λουτρό υπερήχων:
α) χρησιμοποιώντας 1 λίτρο νερού στο λουτρό και β) χρησιμοποιώντας συνολικό όγκο 1,3 λίτρου νερού στο λουτρό.
[Nascentes κ.ά., 2001]
Και οι δύο μετρήσεις αποκαλύπτουν ότι η κατανομή του πεδίου ακτινοβολίας υπερήχων στις δεξαμενές υπερήχων είναι πολύ άνιση. Η μελέτη της υπερηχητικής ακτινοβολίας σε διάφορες θέσεις στο λουτρό δείχνει σημαντικές χωρικές διακυμάνσεις στην ένταση σπηλαίωσης στο λουτρό υπερήχων.
Το σχήμα 4 παρακάτω συγκρίνει την αποτελεσματικότητα ενός λουτρού υπερήχων και μιας συσκευής καθετήρα υπερήχων που εξηγείται από τον αποχρωματισμό του αζω-χρώματος Methyl Violet.

Σχήμα 4: Οι υπερήχων τύπου ανιχνευτή αναπτύσσουν τοπική πολύ υψηλή ενεργειακή ένταση σε σύγκριση με τη χαμηλή πυκνότητα υπερήχων των δεξαμενών υπερήχων και των λουτρών.
Οι Dhanalakshmi et al. διαπίστωσαν στη μελέτη τους ότι οι συσκευές υπερήχων τύπου καθετήρα έχουν υψηλή τοπική ένταση σε σύγκριση με τον τύπο δεξαμενής και ως εκ τούτου, μεγαλύτερο τοπικό αποτέλεσμα όπως απεικονίζεται στο σχήμα 4. Αυτό σημαίνει υψηλότερη ένταση και αποτελεσματικότητα της διαδικασίας υπερήχων.
Μια ρύθμιση υπερήχων όπως φαίνεται στην εικόνα 4, επιτρέπει τον πλήρη έλεγχο των πιο σημαντικών παραμέτρων, όπως το πλάτος, η πίεση, η θερμοκρασία, το ιξώδες, η συγκέντρωση, ο όγκος του αντιδραστήρα.

Υπερηχητής τύπου καθετήρα UP200St με sonotrode S26d7D για την ομογενοποίηση των δειγμάτων κατά παρτίδες
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!

Εικόνα 1: Sonotrode μετάδοση ισχύος υπερήχων σε υγρό. Η ομίχλη κάτω από την επιφάνεια sonotrode υποδεικνύει την περιοχή θερμού σημείου σπηλαίωσης.
- έντονος
- Επικεντρώθηκε
- πλήρως ελεγχόμενο
- Ομοιόμορφη κατανομή
- Αναπαραχθούν
- Γραμμική κλιμάκωση
- Παρτίδα και σε σειρά
Τα πλεονεκτήματα των υπερήχων τύπου καθετήρα
Υπερήχων ανιχνευτές ή sonotrodes έχουν σχεδιαστεί για να συγκεντρώνουν υπερηχητική ενέργεια σε μια εστιασμένη περιοχή, συνήθως στην άκρη του καθετήρα. Αυτή η εστιασμένη μετάδοση ενέργειας επιτρέπει την ακριβή και αποτελεσματική επεξεργασία των δειγμάτων. Καθώς ο σχεδιασμός του καθετήρα εξασφαλίζει ότι ένα σημαντικό μέρος της υπερηχητικής ενέργειας κατευθύνεται προς το δείγμα, η μεταφορά ενέργειας ενισχύεται σημαντικά σε σύγκριση με τα λουτρά υπερήχων. Αυτή η εστιασμένη μετάδοση ισχύος υπερήχων είναι ιδιαίτερα επωφελής για εφαρμογές που απαιτούν ακριβή έλεγχο των παραμέτρων υπερήχων, όπως κυτταρική διαταραχή, νανο-διασπορά, σύνθεση νανοσωματιδίων, γαλακτωματοποίηση και βοτανική εκχύλιση.
Ως εκ τούτου, οι υπερήχων τύπου καθετήρα προσφέρουν ξεχωριστά πλεονεκτήματα έναντι των λουτρών υπερήχων όσον αφορά την ακρίβεια, τον έλεγχο, την ευελιξία, την αποτελεσματικότητα και την επεκτασιμότητα, καθιστώντας τα απαραίτητα εργαλεία για ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών και βιομηχανικών εφαρμογών.
Υπερήχων τύπου αισθητήρα για επεξεργασία ανοικτών ποτηριών ζέσεως
Όταν τα δείγματα υποβάλλονται σε υπερήχους χρησιμοποιώντας μια συσκευή ανιχνευτή υπερήχων, η έντονη ζώνη υπερήχων είναι ακριβώς κάτω από το sonotrode / καθετήρα. Η απόσταση ακτινοβολίας υπερήχων περιορίζεται σε μια συγκεκριμένη περιοχή του άκρου sonotrode. (βλ. εικ.1)
Οι διεργασίες υπερήχων σε ανοικτά ποτήρια ζέσεως χρησιμοποιούνται κυρίως για δοκιμές σκοπιμότητας και για την προετοιμασία δειγμάτων μικρότερων όγκων.
Υπερήχων τύπου αισθητήρα με κυψέλη ροής για ενσωματωμένη επεξεργασία
Τα πιο εξελιγμένα αποτελέσματα υπερήχων επιτυγχάνονται με συνεχή επεξεργασία σε κλειστή ροή. Όλο το υλικό επεξεργάζεται με την ίδια ένταση υπερήχων καθώς ελέγχεται η διαδρομή ροής και ο χρόνος παραμονής στον θάλαμο του αντιδραστήρα υπερήχων.
Τα αποτελέσματα της διαδικασίας της επεξεργασίας υγρών υπερήχων για μια δεδομένη διαμόρφωση παραμέτρων είναι συνάρτηση της ενέργειας ανά επεξεργασμένο όγκο. Η λειτουργία αλλάζει με αλλαγές σε μεμονωμένες παραμέτρους. Επιπλέον, η πραγματική ισχύς εξόδου και η ένταση ανά επιφάνεια του sonotrode μιας μονάδας υπερήχων εξαρτάται από τις παραμέτρους.

Η σπηλαιωτική επίδραση της επεξεργασίας υπερήχων εξαρτάται από την ένταση της επιφάνειας που περιγράφεται από το πλάτος (Α), την πίεση (p), τον όγκο του αντιδραστήρα (VR), τη θερμοκρασία (T), το ιξώδες (η) και άλλα. Τα σημεία συν και πλην υποδεικνύουν θετική ή αρνητική επίδραση της συγκεκριμένης παραμέτρου στην ένταση υπερήχων.
Με τον έλεγχο της πιο σημαντικής παραμέτρου της διαδικασίας υπερήχων, η διαδικασία είναι πλήρως επαναλαμβανόμενη και τα αποτελέσματα που επιτυγχάνονται μπορούν να κλιμακωθούν εντελώς γραμμικά. Διαφορετικοί τύποι sonotrodes και αντιδραστήρες κυττάρων ροής υπερήχων επιτρέπουν την προσαρμογή σε συγκεκριμένες απαιτήσεις διαδικασίας.
Περίληψη: Υπερήχων τύπου καθετήρα vs λουτρό υπερήχων
Ενώ ένα λουτρό υπερήχων παρέχει μια ασθενή υπερήχηση με περίπου 20 Watts ανά λίτρο, μόνο και μια πολύ ανομοιόμορφη κατανομή, υπερήχων τύπου καθετήρα μπορεί εύκολα να συνδυάσει περίπου 20000 Watts ανά λίτρο στο επεξεργασμένο μέσο. Αυτό σημαίνει ότι ένας υπερηχητικός υπερηχητικός ανιχνευτής τύπου υπερέχει ενός υπερηχητικού λουτρού με συντελεστή 1000 (1000x υψηλότερη εισροή ενέργειας ανά όγκο) λόγω μιας εστιασμένης και ομοιόμορφης υπερηχητικής εισόδου ισχύος. Ο πλήρης έλεγχος των σημαντικότερων παραμέτρων υπερήχων εξασφαλίζει πλήρως αναπαραγώγιμα αποτελέσματα και τη γραμμική επεκτασιμότητα των αποτελεσμάτων της διαδικασίας.
Βιβλιογραφία/Αναφορές
- 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.
Συχνές ερωτήσεις σχετικά με τους ανιχνευτές υπερήχων (FAQs)
Τι είναι ένας υπερηχητικός ανιχνευτής υπερήχων;
Ένας υπερηχητικός ανιχνευτής υπερήχων είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας για να διαταράξει ή να αναμίξει δείγματα. Αποτελείται από έναν καθετήρα που, όταν βυθίζεται σε ένα υγρό, δημιουργεί υπερηχητικές δονήσεις, οδηγώντας σε σπηλαίωση και τα επιθυμητά αποτελέσματα επεξεργασίας δειγμάτων.
Ποια είναι η αρχή της υπερήχησης καθετήρα;
Καθετήρας κατεργασία με υπερήχους λειτουργεί με βάση την αρχή της υπερηχητικής σπηλαίωσης. Όταν ο ανιχνευτής δονείται στο δείγμα, δημιουργεί μικροσκοπικές φυσαλίδες που επεκτείνονται γρήγορα και καταρρέουν. Αυτή η διαδικασία παράγει έντονες δυνάμεις διάτμησης και θερμότητα, διαταράσσοντας τα κύτταρα ή αναμειγνύοντας συστατικά σε μικροσκοπικό επίπεδο.
Είναι ένα καθαριστικό υπερήχων το ίδιο με έναν υπερήχων;
Όχι, δεν είναι το ίδιο. Ένα καθαριστικό υπερήχων χρησιμοποιεί πολύ ήπια υπερηχητικά κύματα σε ένα λουτρό για να καθαρίσει αντικείμενα, κυρίως μέσω κραδασμών και πολύ littly σπηλαίωση. Ένας υπερηχητικός ανιχνευτής, ειδικά ένας υπερηχητικός ανιχνευτής υπερήχων, έχει σχεδιαστεί για άμεση, εντατική υπερηχητική θεραπεία δειγμάτων, εστιάζοντας στη διάσπαση ή την ομογενοποίηση.
Ποια είναι η χρήση ενός υπερηχητικού καθετήρα;
Ένας υπερηχητικός καθετήρας χρησιμοποιείται κυρίως για εργασίες προετοιμασίας δειγμάτων όπως κυτταρική διαταραχή, ομογενοποίηση, γαλακτωματοποίηση και διασπορά σωματιδίων σε ποικίλες ερευνητικές και βιομηχανικές εφαρμογές σε όλη τη χημεία, τη βιολογία και την επιστήμη των υλικών.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ υπερήχων καθετήρα και κυπελλοειδούς κέρατος;
Ένας ανιχνευτής υπερήχων βυθίζει άμεσα τον καθετήρα στο δείγμα για έντονη υπερήχηση. Ένας υπερήχων κυπέλλου-κέρατος, από την άλλη πλευρά, δεν βυθίζει τον καθετήρα, αλλά χρησιμοποιεί μια έμμεση μέθοδο όπου το δείγμα τοποθετείται σε ένα δοχείο μέσα σε ένα λουτρό νερού που μεταδίδει την υπερηχητική ενέργεια.
Γιατί να χρησιμοποιήσετε έναν ανιχνευτή υπερήχων;
Ένας ανιχνευτής υπερήχων χρησιμοποιείται για την ικανότητά του να παρέχει άμεση, υψηλής έντασης υπερηχητική ενέργεια σε ένα δείγμα, επιτυγχάνοντας αποτελεσματική διαταραχή, ομογενοποίηση, ή γαλακτωματοποίηση. Είναι ιδιαίτερα πολύτιμο για δείγματα που είναι δύσκολο να επεξεργαστούν ή όταν απαιτείται ακριβής έλεγχος της διαδικασίας.
Ποια είναι τα πλεονεκτήματα ενός υπερηχητικού ανιχνευτή;
Τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν αποτελεσματική και ταχεία επεξεργασία δειγμάτων, ευελιξία στις εφαρμογές, ακριβή έλεγχο των παραμέτρων υπερήχων και την ικανότητα επεξεργασίας ενός ευρέος φάσματος μεγεθών και τύπων δειγμάτων, από εργαστηριακά δείγματα μικρού όγκου έως μεγαλύτερες βιομηχανικές παρτίδες ή ρυθμούς ροής.
Πώς χρησιμοποιείτε έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υπερήχων;
Χρησιμοποιώντας έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υπερήχων περιλαμβάνει την επιλογή του κατάλληλου μεγέθους καθετήρα και παραμέτρων υπερήχων, βυθίζοντας την άκρη του καθετήρα στο δείγμα και, στη συνέχεια, ενεργοποιώντας τον υπερήχων για τις επιθυμητές ρυθμίσεις χρόνου και ισχύος για την επίτευξη αποτελεσματικής επεξεργασίας δείγματος.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ υπερήχων και υπερήχων?
Κατεργασία με υπερήχους αναφέρεται στη γενική χρήση ηχητικών κυμάτων για την επεξεργασία υλικών, η οποία μπορεί να περιλαμβάνει μια σειρά συχνοτήτων. Υπερήχους καθορίζει τη χρήση των υπερήχων συχνότητες (συνήθως πάνω από 20 kHz), εστιάζοντας σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλής ενέργειας ηχητικά κύματα για την επεξεργασία δειγμάτων. Ωστόσο, οι περισσότεροι άνθρωποι αναφέρονται πραγματικά σε υπερήχους, όταν χρησιμοποιούν τη λέξη υπερήχων.