کاربرد فراصوت پرتوان با استفاده از هورن‌های فراصوتی

هورن‌ها یا پروب‌های فراصوتی به‌طور گسترده برای کاربردهای گوناگون پردازش مایعات، از جمله همگن‌سازی، پراکنده‌سازی، آسیاب‌کاری تر، امولسیون‌سازی، استخراج، فروپاشی، حل‌سازی و هوازدایی استفاده می‌شوند. با مبانی هورن‌های فراصوتی، پروب‌های فراصوتی و کاربردهای آن‌ها آشنا شوید.

هورن فراصوتی در مقایسه با پروب فراصوتی

اصطلاحات هورن فراصوتی و پروب اغلب به‌جای یکدیگر به کار می‌روند و به میلهٔ فراصوتی اشاره دارند که امواج فراصوت را به درون مایع منتقل می‌کند. اصطلاحات دیگری که برای پروب فراصوتی استفاده می‌شوند عبارت‌اند از هورن آکوستیکی، سونوتْرود، موج‌بر آکوستیکی یا انگشتی فراصوتی. بااین‌حال، از نظر فنی میان هورن فراصوتی و پروب فراصوتی تفاوت وجود دارد.
هورن و پروب هر دو به بخش‌هایی از دستگاه موسوم به سونیکاتور پروبی اشاره دارند. هورن فراصوتی بخش فلزی مبدل فراصوتی است که با ارتعاشات تولیدشده به روش پیزوالکتریکی تحریک می‌شود. هورن فراصوتی با فرکانس مشخصی، مثلاً 20kHz، ارتعاش می‌کند که به معنای 20٬000 ارتعاش در ثانیه است. تیتانیوم به دلیل خواص عالی انتقال آکوستیکی، استحکام خستگی بالا و سختی سطحی، مادهٔ ترجیحی برای ساخت هورن‌های فراصوتی است.

پروب فراصوتی، سونوتْرود یا انگشتی فراصوتی نیز نامیده می‌شود. این قطعه میله‌ای فلزی است که اغلب از تیتانیوم ساخته می‌شود و با اتصال رزوه‌ای به هورن فراصوتی متصل می‌شود. پروب فراصوتی بخش اساسی پردازشگر فراصوتی است که امواج فراصوت را به محیط تحت فراصوت‌دهی منتقل می‌کند. پروب‌های فراصوتی / سونوتْرودها در شکل‌های گوناگون، مثلاً مخروطی، نوک‌دار، باریک‌شونده یا به‌صورت Cascatrode، عرضه می‌شوند. هرچند تیتانیوم پرکاربردترین ماده برای پروب‌های فراصوتی است، سونوتْرودهایی از فولاد زنگ‌نزن، سرامیک، شیشه و مواد دیگر نیز موجود هستند.

ازآنجاکه هورن و پروب فراصوتی در طول فراصوت‌دهی پیوسته تحت فشار یا کشش قرار دارند، انتخاب مواد آن‌ها بسیار مهم است. آلیاژ تیتانیوم باکیفیت (گرید 5) مطمئن‌ترین، بادوام‌ترین و مؤثرترین فلز برای تحمل تنش، حفظ دامنه‌های بالا در دوره‌های زمانی طولانی و انتقال خواص آکوستیکی و مکانیکی به شمار می‌رود.

حل‌کردن یکی از کاربردهای رایج فراصوت‌دهی است. این ویدیو حل‌شدن سریع بلورهای شکر در آب را با استفاده از UP200St ساخت Hielscher نشان می‌دهد.

سونیکاتورهای پربازده عمدتاً در محدودهٔ فرکانسی 20–30kHz کار می‌کنند. در 20 kHz، پروب فراصوتی معمولاً میله‌ای تشدیدکننده با طولی برابر با نصف طول موج است که پیوسته 20٬000 بار در ثانیه منبسط و منقبض می‌شود. حرکات انبساط و انقباض به‌صورت فراصوت پرتوان به محیط فرایند، یعنی سیال یا دوغاب، منتقل می‌شوند تا کاربردهایی مانند موارد زیر انجام شوند:

فراصوت پرتوان چگونه کار می‌کند؟ – اصل عملکرد کاویتاسیون آکوستیکی

برای کاربردهای فراصوتی پربازده مانند همگن‌سازی، کاهش اندازهٔ ذرات، فروپاشی یا تهیهٔ نانوپراکنه‌ها، فراصوت با شدت بالا و فرکانس پایین توسط مبدل فراصوتی تولید و از طریق هورن و پروب فراصوتی (سونوتْرود) به درون مایع منتقل می‌شود. فراصوت در محدودهٔ 16–30kHz فراصوت پرتوان محسوب می‌شود. پروب فراصوتی، برای مثال، با فرکانس 20kHz منبسط و منقبض می‌شود و در نتیجه 20٬000 ارتعاش در ثانیه را به محیط منتقل می‌کند. هنگامی که امواج فراصوت در مایع حرکت می‌کنند، چرخه‌های متناوب فشار بالا (تراکم) / فشار پایین (رقیق‌شدگی / انبساط) حفره‌های بسیار کوچکی (حباب‌های خلأ) ایجاد می‌کنند که طی چندین چرخهٔ فشار رشد می‌کنند. در مرحلهٔ تراکم مایع و حباب‌ها، فشار مثبت است، درحالی‌که مرحلهٔ رقیق‌شدگی خلأ (فشار منفی) ایجاد می‌کند. طی چرخه‌های تراکم و انبساط، حفره‌های موجود در مایع رشد می‌کنند تا به اندازه‌ای برسند که دیگر نتوانند انرژی بیشتری جذب کنند. در این مرحله، آن‌ها به‌شدت به درون فرو می‌پاشند. فروپاشی این حفره‌ها آثار گوناگون و بسیار پرانرژی ایجاد می‌کند که به‌عنوان پدیدهٔ کاویتاسیون آکوستیکی / فراصوتی شناخته می‌شوند. کاویتاسیون آکوستیکی با آثار گوناگون و بسیار پرانرژی مشخص می‌شود که بر مایعات، سامانه‌های جامد/مایع و همچنین سامانه‌های گاز/مایع تأثیر می‌گذارند. ناحیهٔ دارای چگالی انرژی بالا یا ناحیهٔ کاویتاسیون، ناحیهٔ موسوم به نقطهٔ داغ است که چگالی انرژی آن در مجاورت نزدیک پروب فراصوتی بیشترین مقدار را دارد و با افزایش فاصله از سونوتْرود کاهش می‌یابد. ویژگی‌های اصلی کاویتاسیون فراصوتی شامل دماها و فشارهای موضعی بسیار بالا و اختلاف‌های متناظر دما و فشار، آشفتگی‌ها و جریان مایع است. هنگام فروپاشی حفره‌های فراصوتی در نقاط داغ فراصوتی، دماهایی تا 5000 Kelvin، فشارهایی تا 200 atmospheres و جت‌های مایع با سرعت‌هایی تا 1000km/h قابل اندازه‌گیری هستند. این شرایط ویژه و بسیار پرانرژی به ایجاد آثار سونومکانیکی و سونوشیمیایی کمک می‌کنند که فرایندها و واکنش‌های شیمیایی را به روش‌های گوناگون تشدید می‌کنند.
آثار اصلی فراصوت‌دهی بر مایعات و دوغاب‌ها عبارت‌اند از:

برش بالا: نیروهای برشی بالای فراصوتی، مایعات و سامانه‌های مایع–جامد را از هم می‌گسلند و موجب هم‌زدن شدید، همگن‌سازی و انتقال جرم می‌شوند.
ضربه: جت‌ها و جریان‌های مایع ایجادشده بر اثر کاویتاسیون فراصوتی به جامدات موجود در مایعات شتاب می‌دهند که در ادامه به برخورد بین ذرات منجر می‌شود. هنگامی که ذرات با سرعت‌های بسیار بالا با یکدیگر برخورد می‌کنند، دچار فرسایش و شکست می‌شوند و به‌صورت بسیار ریز، اغلب تا ابعاد نانو، آسیاب و پراکنده می‌شوند. در مواد زیستی مانند مواد گیاهی، جت‌های پرسرعت مایع و چرخه‌های متناوب فشار، دیواره‌های سلولی را تخریب و مواد درون‌سلولی را آزاد می‌کنند. این امر به استخراج بسیار کارآمد ترکیبات زیست‌فعال و اختلاط همگن مواد زیستی منجر می‌شود.
هم‌زدن: فراصوت‌دهی موجب آشفتگی‌های شدید، نیروهای برشی و ریزحرکت‌ها در مایع یا دوغاب می‌شود. ازاین‌رو، فراصوت‌دهی همواره انتقال جرم را تشدید می‌کند و در نتیجه واکنش‌ها و فرایندها را شتاب می‌بخشد.

هموژنایزرهای فراصوتی و مخلوط‌کن‌های با برش بالا تقریباً در هر صنعت فرایندی که با مایعات یا دوغاب‌ها سروکار دارد استفاده می‌شوند. نیروهای شدید کاویتاسیون فراصوتی موجب هم‌زدن شدید، برش، شکست ذرات و انتقال جرم می‌شوند. در نتیجه، مایعات همگن، پراکنده، امولسیونی، استخراج و حل می‌شوند و/یا واکنش‌های شیمیایی آغاز می‌شوند. در مجموع، فراصوت‌دهی روشی برای تشدید فرایند است که بازده را افزایش می‌دهد، نرخ‌های تبدیل را بهبود می‌بخشد و فرایندها را کارآمدتر می‌کند.
کاربردهای متداول فراصوت در صنعت، شاخه‌های متعددی از صنایع غذایی و دارویی، شیمی مواد ظریف، انرژی و پتروشیمی، بازیافت، پالایشگاه‌های زیستی و غیره را در بر می‌گیرند و شامل موارد زیر هستند:

هورن‌ها و پروب‌های فراصوتی برای کاربردهای پربازده

Hielscher Ultrasonics تولیدکننده و عرضه‌کننده‌ای باسابقه در زمینهٔ سونیکاتورهای پرتوان است که در سراسر جهان برای کاربردهای سنگین در صنایع متعدد استفاده می‌شوند.
Hielscher Ultrasonics با ارائهٔ پردازشگرهای فراصوتی در تمامی اندازه‌ها، از 50 وات تا 16kW برای هر دستگاه، پروب‌هایی در اندازه‌ها و شکل‌های گوناگون و راکتورهای فراصوتی با حجم‌ها و هندسه‌های مختلف، تجهیزات مناسب برای پیکربندی چیدمان فراصوتی ایدئال برای کاربرد شما را در اختیار دارد.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:

حجم بچ	دبی	دستگاه‌های پیشنهادی
1 تا 500mL	10 تا 200mL/min	UP100H
10 تا 2000mL	20 تا 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0٫1 تا 20L	0٫2 تا 4L/min	UIP2000hdT
10 تا 100L	2 تا 10L/min	UIP4000hdT
قابل اعمال نیست	10 تا 100L/min	UIP16000
قابل اعمال نیست	بیشتر	مجموعه‌ای از UIP16000

با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!

موضوعات مرتبط

منابع علمی / مراجع

Kenneth S. Suslick, Yuri Didenko, Ming M. Fang, Taeghwan Hyeon, Kenneth J. Kolbeck, William B. McNamara, Millan M. Mdleleni, Mike Wong (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Vol. 357, Issue 1751, 1999. 335-353.
Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.