Ultrahelitöötlusprotsesse saab läbi viia sondi tüüpi ultraheli homogenisaatori või ultraheli vanni abil. Kuigi mõlemad tehnikad rakendavad proovi ultraheli, on efektiivsuse, tõhususe ja protsessi võimalustes olulisi erinevusi. Sondi tüüpi ultraheliatorid paistavad ultraheli vannis ultraheli intensiivsuse, amplituudi, ühtlase töötlemise ja reprodutseeritavuse osas drastiliselt silma.

Vedelike ultraheliuuringu soovitud mõju – Sealhulgas homogeniseerimine, hajutamine, Deagglomeration, freesimine, emulgeerimine, kaevandamine, lüüsi, lagunemine ja sonokeemiline toime – on põhjustatud kavitatsioon. Kehtestades suure võimsusega ultraheli vedelikku, helilainete edastatakse vedeliku ja luua vahelduva kõrgsurve (compression) ja madala rõhu (rarefaction) tsüklit, mille määrad sõltuvalt sagedus. Madala rõhu tsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultraheli lained vedelikus väikesed vaakummullid või loid. Kui mullid saavutavad mahu, kus nad ei suuda enam energiat taluda, siis nad lagunevad ägedalt kõrgsurve tsükli ajal. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. Implosiooni ajal saavutatakse lokaalselt väga kõrged temperatuurid (u. 5, 000K) ja rõhk (ligikaudu 2 000 ATM). Kavitatsioon mull implosioon põhjustab ka vedel joad kuni 280m/s kiirus. [Suslick 1998]

Moholkar et al. (2000) leidis, et mullide suurima kavitatsiooniga piirkonna mullid läksid mööduva liigutusega, samas kui madalaima kavitatsiooniga piirkonna mullid olid stabiilses/võnkes liikumises. Lokaalse temperatuuri ja rõhu Maxima põhjustanud mullide mööduv kokkuvarisemine on ultraheli täheldatud mõjude juur keemilistele süsteemidele.
Ultrasooni intensiivsus sõltub energia sisendist ja sonotrodi pindalast. Antud energiamahule kehtib: mida suurem on sonotrodi pindala, seda madalam on ultraheli intensiivsus.
Ultraheli laineid saab genereerida eri tüüpi ultraheli süsteemidega. Järgnevalt võrreldakse erinevusi ultrahelivanni, ultraheli sondi seadme ja voolukambri kambris oleva ultraheli proovivõtturi seadme vahel.

Kavitational hot spot jaotuse võrdlus

Ultraheli rakenduste jaoks kasutatakse ultraheli sonde (sonotrodes / sarved) ja ultraheli vannid. “Nende kahe ultraheliuuringu meetodi hulgas on sondi ultrahelitöötlus nanoosakeste dispersiooni rakendamisel tõhusam ja võimsam kui ultraheli vann; ultraheli vanniseade võib pakkuda nõrka ultraheli umbes 20-40 W / L ja väga ühtlast jaotust, samas kui ultraheli sond seade võib vedelikule pakkuda 20 000 W / L. Seega tähendab see, et ultraheli sond seade ületab ultraheli vanniseadme 1000 teguriga.” (vrd Asadi et al., 2019)

Ultraheli vann

Ultraheli vannis esineb kavitatsioon mitte-conformable ja kontrollimatult jaotatud läbi paagi. Ultrahelitöötluse efekt on madala intensiivsusega ja ebaühtlaselt Levinud. Protsessi korratavus ja skaleeritavus on väga nõrk.
Allolev pilt näitab fooliumtestimise tulemusi ultraheli mahutis. Seetõttu asetatakse vee täis ultraheli mahuti põhja õhuke alumiinium või tina foolium. Pärast ultrahelitöötlust on nähtavad ühe erosiooni märgid. Need ühekordse perforeeritud laigud ja augud fooliumis viitavad cavitational kuumadele laikudele. Tänu Madala energiaga ja Ebaühtlane Ultraheli jaotumist paagis, esineb erosioonimärgid ainult täpseks. Seega ultraheli vannid kasutatakse enamasti puhastamiseks rakendusi.

Alltoodud arvud näitavad kavitational kuumakohtade ebaühtlast jaotust ultraheli vannis. Joonisel 2 on vann, mille alumine pindala on 20×on kasutatud 10 cm.

Joonisel 3 näidatud mõõtmiste puhul on kasutatud ultraheli vanni, mille alumine ala on 12x10cm.

Mõlemad mõõtmised näitab, et Ultraheli kiirituse välja jaotus ultraheli mahutites on väga ebaühtlane.
Ultraheli kiiritamise uuring vannis erinevates kohtades näitab olulisi ruumilisi erinevusi kavitatsiooni intensiivsuses ultraheli vannis.

Joonisel 4 on võrreldud ultraheli vanni ja Ultraheli sondi tõhusust, mis on eeskujuks asovärvi Metüülvioleti deolorizatsiooni abil.

Dhanalakshmi et al. leidis oma uuringus, et sondi tüüp ultraheli seadmetel on kõrge lokaliseeritud võrreldes paagi tüübiga ja seega suurema lokaliseeritud mõjuga, nagu on kujutatud joonisel 4. See tähendab ultrahelitöötluse protsessi suuremat intensiivsust ja efektiivsust.
Ultraheli seadistus, nagu on näidatud joonisel 4, võimaldab täielikku kontrolli kõige olulisemate parameetrite üle – amplituud, rõhk, temperatuur, viskoossus, kontsentratsioon, reaktorite maht.

Ultraheli proovivõtturi seade avatud keeduklaasi

Kui proovid ultraheliga töödeldud Ultraheli sondi seadme abil, intensiivne ultrahelitöötlustsoon on otse sonotrode/proovivõtturi all. Ultraheli kiirituse kaugus piirdub teatud alaga sonotrode ots. (vt pic .1)
Avatud keeduklaasid ultraheli protsesse kasutatakse enamasti teostatavusuuringuteks ja väiksemate mahtude proovide ettevalmistamiseks.

Ultraheli sondi seade pideva voolurežiimis

Kõige keerukamaid ultrahelitöötluse tulemusi saavutatakse pideva töötlemisega suletud läbivoolu režiimis. Kogu materjali töödeldakse sama ultraheli intensiivsusega, kuna voolutee ja elamisaeg ultraheli reaktorite kambris on kontrollitud.

Pic. 4:1kW ultraheli süsteem UIP1000hd vooluraku ja pumbaga

Ultraheli vedeliku töötlemise protsessi tulemused antud parameetri konfiguratsioonis on energia funktsioon töödeldud mahu kohta. Funktsioon muutub üksikute parameetrite muutmisega. Lisaks sõltub ultraheliühiku sonotrode tegelik võimsus ja intensiivsus ühe pindala kohta parameetritest.

Ultraheli töötlemise katsejärgne mõju sõltub amplituudi (A), rõhu (p), reaktori ruumala (VR), temperatuuri (T), viskoossuse (η) jt pinna intensiivsusest. Pluss-ja miinusmärgid viitavad konkreetse parameetri positiivsele või negatiivsele mõjule ultrahelitöötluse intensiivsusele.

Ultrahelitöötluse protsessi kõige olulisemat parameetrit kontrollides on protsess täielikult korratav ja saavutatud tulemusi saab mastaabitud täiesti lineaarselt. Eri tüüpi sonotroodid ja ultraheli voolu raku reaktorid võimaldavad kohandumine konkreetse protsessi nõuetele.

Kokkuvõte

Kuigi Ultraheli vann pakub Nõrk ultraheliga koos umbes 20-40 W/L ja väga mitteühtsed Jaotus Ultraheli sondi-tüüp seadmed saavad hõlpsasti paar u. 20,000 W/L töödeldud andmekandjale. See tähendab, et Ultraheli sondi-tüüpi seade ERAB ultrahelivanni teguriga 1000 (1000x suurem energiasisendi mahu kohta), mis tuleneb Keskendunud ja ühtne Ultraheli TOITESISEND. Kõige olulisemate ultrahelitöötlusparameetrite täielik kontroll tagab täielikult reprodutseeritav tulemused ja lineaarne mastaapsus protsessi tulemustest.