Sondi tüüpi ultrahelitöötlus vs ultraheli vann: efektiivsuse võrdlus

Sonikatsiooniprotsesse saab läbi viia sondi tüüpi ultraheli homogenisaatori või ultraheli vanni abil. Kuigi mõlemad tehnikad rakendavad proovile ultraheli, on efektiivsuse, efektiivsuse ja protsessivõimete osas olulisi erinevusi.

Ultraheliga töödeldavate vedelike soovitud mõju – sealhulgas homogeniseerimine, hajutamine, deagglomeratsioon, freesimine, emulgeerimine, ekstraheerimine, lüüs, lagunemine, sonokemia - on põhjustatud akustilisest kavitatsioonist. Suure võimsusega ultraheli sisseviimisega vedelasse keskkonda edastatakse helilained vedelikus ja luuakse vahelduvad kõrgsurve (kokkusurumine) ja madala rõhuga (haruldane) tsüklid, mille kiirused sõltuvad sagedusest. Madala rõhu tsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultraheli lained vedelikus väikesed vaakummullid või tühimikud. Kui mullid saavutavad mahu, mille juures nad ei suuda enam energiat absorbeerida, varisevad nad kõrgsurvetsükli ajal ägedalt kokku. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. Implosiooni ajal saavutatakse kohapeal väga kõrged temperatuurid (umbes 5,000K) ja rõhud (umbes 2,000atm). Kavitatsioonimulli implosioon põhjustab ka vedelikujoad kiirusega kuni 280 m / s. [Suslick 1998]

Joonis 1: Stabiilsete ja mööduvate kavitatsioonimullide loomine. a) nihe, b) mööduv kavitatsioon, c) stabiilne kavitatsioon, d) rõhk
[kohandatud alates Santos et al. 2009]

Moholkar jt (2000) leidsid, et kõrgeima kavitatsiooni intensiivsusega piirkonna mullid läbisid mööduva liikumise, samas kui madalaima kavitatsiooni intensiivsusega piirkonna mullid läbisid stabiilse/ võnkuva liikumise. Mullide mööduv kokkuvarisemine, mis põhjustab kohalikku temperatuuri ja rõhu maksimumi, on ultraheli täheldatud mõju keemilistele süsteemidele.
Ultraheli intensiivsus on energiasisendi ja sonotrode pindala funktsioon. Antud energiasisendi puhul kehtib: mida suurem on sonotrode pindala, seda madalam on ultraheli intensiivsus.
Ultraheli laineid saab genereerida erinevat tüüpi ultraheli süsteemidega. Järgnevalt võrreldakse erinevusi ultrahelitöötluse vahel, kasutades ultraheli vanni, ultraheli sondi seadet avatud anumas ja ultraheli sondi seadet voolukambriga.

Kavitatsioonilise kuuma punkti jaotuse võrdlus

Ultraheli rakenduste puhul kasutatakse ultraheli sonde (sonotrodes / sarved) ja ultraheli vanne. “Nende kahe ultraheliuuringu meetodi hulgas on sondi ultrahelitöötlus nanoosakeste dispersiooni rakendamisel efektiivsem ja võimsam kui ultraheli vann; ultraheli vanniseade võib pakkuda nõrka ultraheliuuringut umbes 20-40 W / L ja väga ebaühtlast jaotust, samas kui ultraheli sondi seade võib anda vedelikku 20 000 W / l. Seega tähendab see, et ultraheli sondi seade ületab ultraheli vanni seadme 1000 teguriga.” (vrd Asadi et al., 2019)

Kavitatsioonilise kuuma koha jaotuse võrdlus

Ultraheli rakenduste valdkonnas mängivad keskset rolli nii ultraheli sondid (sonotroodid / sarved) kui ka ultraheli vannid. Siiski, kui tegemist on nanoosakeste dispersiooniga, ületab sondi ultrahelitöötlus oluliselt ultraheli vannid. (2019) andmetel tekitavad ultrahelivannid tavaliselt nõrgemat ultraheli umbes 20-40 W / L, millel on väga ebaühtlane jaotus. Terava kontrastina võivad ultraheli sondi seadmed anda vedelikku hämmastava 20 000 vatti liitri kohta, näidates efektiivsust, mis ületab ultraheli vannid 1000 korda. See märgatav erinevus tõstab esile sondi ultrahelitöötluse suurepärase võime saavutada tõhus ja ühtlane nanoosakeste dispersioon.

Ultraheli vannid

Ultraheli vannis toimub kavitatsioon mittevastav ja kontrollimatult jaotunud läbi paagi. Ultrahelitöötluse efekt on madala intensiivsusega ja ebaühtlaselt jaotunud. Protsessi korratavus ja mastaapsus on väga halb.
Alloleval pildil on näidatud fooliumi testimise tulemused ultraheli paagis. Seetõttu asetatakse veega täidetud ultraheli paagi põhjale õhuke alumiinium- või tinafoolium. Pärast ultrahelitöötlust on nähtavad üksikud erosioonimärgid. Need üksikud perforeeritud laigud ja augud fooliumis näitavad kavitatsioonilisi kuumi kohti. Madala energia ja ultraheli ebaühtlase jaotumise tõttu paagis esinevad erosioonimärgid ainult kohapeal. Seega kasutatakse ultraheli vanne enamasti rakenduste puhastamiseks.
 

Ultraheli vannis või paagis esineb akustilise kavitatsiooni kuum koht väga ebaühtlaselt.

 
Alltoodud joonised näitavad kavitatsiooniliste kuumade kohtade ebaühtlast jaotumist ultrahelivannis. Joonisel 2 on vann, mille põhjapind on 20×Kasutatud on 10 cm.
 

Joonis 2 näitab ultraheli välja ruumilist jaotust ultraheli vannis:
a) 1 L vett vannis ja b) 2 L vee kogumaht vannis.
[Nascentes et al., 2010]

 
Joonisel 3 näidatud mõõtmiste jaoks on kasutatud ultrahelivanni, mille põhjapind on 12x10cm.

Joonisel 3 on näidatud ultraheli välja ruumiline jaotus ultraheli vannis:
a) kasutades vannis 1 L vett ja b) kogukogust 1,3 L vett vannis.
[Nascentes et al., 2001]

 
Mõlemad mõõtmised näitavad, et ultraheli kiiritusvälja jaotus ultraheli mahutites on väga ebaühtlane. Ultraheli kiirituse uuring vanni erinevates kohtades näitab ultraheli vannis kavitatsiooni intensiivsuse olulisi ruumilisi erinevusi.

Allpool toodud joonisel 4 võrreldakse ultraheli vanni ja ultraheli sondi seadme efektiivsust, mille näiteks on asovärvi metüülvioleti värvitustamine.

4: Sondi tüüpi sonikaatorid kasutavad lokaliseeritud väga suurt energiaintensiivsust võrreldes ultraheli mahutite ja vannide madala ultrahelitihedusega.

Dhanalakshmi jt leidsid oma uuringus, et sondi tüüpi ultraheli seadmetel on kõrge lokaliseeritud intensiivsus võrreldes paagi tüübiga ja seega suurem lokaliseeritud efekt, nagu on kujutatud joonisel 4. See tähendab ultrahelitöötluse protsessi suuremat intensiivsust ja tõhusust.
Ultraheli seadistamine, nagu on näidatud pildil 4, võimaldab täielikku kontrolli kõige olulisemate parameetrite üle, nagu amplituud, rõhk, temperatuur, viskoossus, kontsentratsioon, reaktori maht.

Sondi tüüpi sonikaatorite eelised

Ultraheli sondid või sonotroodid on mõeldud ultraheli energia kontsentreerimiseks fokuseeritud piirkonda, tavaliselt sondi otsa. See fokuseeritud energiaülekanne võimaldab proove täpselt ja tõhusalt töödelda. Kuna sondi konstruktsioon tagab, et märkimisväärne osa ultraheli energiast on suunatud proovile, suureneb energiaülekanne ultrahelivannidega võrreldes märkimisväärselt. See ultraheli võimsuse fokuseeritud ülekanne on eriti kasulik rakendustele, mis nõuavad täpset kontrolli ultrahelitöötluse parameetrite üle, nagu rakkude katkemine, nano-dispersioon, nanoosakeste süntees, emulgeerimine ja botaaniline ekstraheerimine.
Seetõttu pakuvad sondi tüüpi sonikaatorid ultrahelivannidega võrreldes selgeid eeliseid täpsuse, kontrolli, paindlikkuse, tõhususe ja mastaapsuse osas, muutes need asendamatuteks tööriistadeks paljude teaduslike ja tööstuslike rakenduste jaoks.

Sondi tüüpi sonikaatorid avatud keeduklaasi töötlemiseks

Kui proove töödeldakse ultraheliga ultraheli sondi seadme abil, on intensiivne ultrahelitöötluse tsoon otse sonotrode / sondi all. Ultraheli kiirituskaugus on piiratud sonotrode otsa teatud alaga. (vt pic.1)
Ultraheli protsesse avatud keeduklaasides kasutatakse enamasti teostatavuse testimiseks ja väiksemate koguste proovide ettevalmistamiseks.

Sondi tüüpi songaatorid voolurakuga tekstisiseseks töötlemiseks

Kõige keerukamad ultrahelitöötluse tulemused saavutatakse pideva töötlemisega suletud läbivoolurežiimis. Kogu materjali töödeldakse sama ultraheli intensiivsusega, nagu kontrollitakse vooluteed ja viibeaega ultraheli reaktori kambris.

Ultraheli retsirkulatsiooni komplekt: UIP1000hdT vooluelemendi, paagi ja pumbaga

Ultraheli vedeliku töötlemise protsessi tulemused antud parameetri konfiguratsiooni jaoks on energia funktsioon töödeldud mahu kohta. Funktsioon muutub üksikute parameetrite muutustega. Lisaks sõltub ultraheliüksuse sonotrode tegelik väljundvõimsus ja intensiivsus parameetritest.

Ultraheli töötlemise kavitatsiooniline mõju sõltub pinna intensiivsusest, mida kirjeldab amplituud (A), rõhk (p), reaktori maht (VR), temperatuur (T), viskoossus (η) ja teised. Pluss- ja miinusmärgid näitavad spetsiifilise parameetri positiivset või negatiivset mõju ultrahelitöötluse intensiivsusele.

Kontrollides ultrahelitöötluse protsessi kõige olulisemat parameetrit, on protsess täielikult korratav ja saavutatud tulemusi saab skaleerida täiesti lineaarselt. Erinevat tüüpi sonotroodid ja ultraheli voolu rakureaktorid võimaldavad kohandada konkreetseid protsessinõudeid.

Kokkuvõte: Sondi tüüpi sonikaator vs ultrahelivann

Kuigi ultraheli vann annab nõrga ultrahelitöötluse umbes 20 vatti liitri kohta, ainult ja väga ebaühtlase jaotusega, saavad sondi tüüpi sonikaatorid töödeldud söötmesse hõlpsasti ühendada umbes 20000 vatti liitri kohta. See tähendab, et ultraheli sondi tüüpi sonikaator ületab ultraheli vanni teguriga 1000 (1000x suurem energiasisend mahu kohta) fokuseeritud ja ühtlase ultraheli võimsussisendi tõttu. Täielik kontroll kõige olulisemate ultrahelitöötluse parameetrite üle tagab täielikult reprodutseeritavad tulemused ja protsessi tulemuste lineaarse mastaapsuse.