پروب نوع Sonicators در مقابل حمام های اولتراسونیک
برای کارهایی مانند امولسیون سازی، پراکندگی، استخراج، یا کاهش اندازه ذرات، فراصوت های پروب نوع نیروهای برشی یکنواخت و حفره با شدت بالا تولید می کنند. این رویکرد مستقیم به کاربردهای سخت و مقیاس ها به راحتی از آزمایش های آزمایشگاهی کوچک گرفته تا تولید کامل می پردازد. در همین حال، حمام های اولتراسونیک ممکن است برای تمیز کردن ملایم یا درمان های کم شدت کافی باشند، اما اغلب با مشاغل سخت تر که نیاز به کنترل دقیق دامنه و دما دارند، دست و پنجه نرم می کنند. هنگامی که شما نیاز به قابلیت اطمینان, انعطاف پذیری, و عملکرد قوی, Hielscher پروب نوع فراصوت ارائه یک لبه روشن بیش از حمام های اولتراسونیک اساسی.
پروب نوع فراصوت در مقابل حمام اولتراسونیک – بررسی اینکه چرا فراصوت های نوع پروب از نظر کارایی و قابلیت اطمینان برتری دارند.
شدت کاویتاسیون Sonicator
فراصوت پروب نوع معرفی سونوگرافی با قدرت بالا به طور مستقیم به محیط مایع، که در آن امواج صوتی ایجاد متناوب فشار بالا و چرخه فشار پایین در مایع. در طول چرخه فشار کم، امواج اولتراسونیک با شدت بالا حباب های خلاء کوچک یا حفره هایی را در مایع ایجاد می کنند. هنگامی که حباب ها به حجمی می رسند که دیگر نمی توانند انرژی را جذب کنند، در طول یک چرخه فشار بالا به شدت فرو می ریزند. این پدیده کاویتاسیون نامیده می شود. در طول انفجار دما و فشار بسیار بالایی به صورت محلی به دست می آید. انفجار حباب کاویتاسیون نیز منجر به جت های مایع بسیار سریع می شود.
زمینه: کاویتاسیون اولتراسونیک
موهولکار (2000) دریافت که حباب ها در ناحیه با بیشترین شدت کاویتاسیون تحت حرکت گذرا قرار می گیرند، در حالی که حباب ها در ناحیه با کمترین شدت کاویتاسیون تحت حرکت نوسانی پایدار قرار می گیرند. فروپاشی گذرا حباب ها که باعث ایجاد دما و فشار بیشینه موضعی می شود، ریشه اثرات مشاهده شده سونوگرافی بر سیستم های شیمیایی است.
شدت امواج فراصوت، یک تابع از انرژی ورودی و محیط sonotrode(نوک دستگاه) است. برای یک ورودی انرژی اعمال می شود: منطقه بزرگتر از سطح sonotrode، پایین تر از شدت اولتراسوند.
امواج اولتراسوند را می توان توسط انواع مختلف سیستم های اولتراسونیک تولید کرد. در ادامه تفاوت بین فراصوت با استفاده از حمام اولتراسونیک، دستگاه پروب اولتراسونیک در مخزن باز و دستگاه پروب اولتراسونیک با محفظه سلول جریان مقایسه خواهد شد.
شکل 1: ایجاد حباب های کاویتاسیون پایدار و گذرا. (الف) جابجایی، (ب) حفره گذرا، (ج) کاویتاسیون پایدار، (د) فشار
[برگرفته از سانتوس و همکاران 2009]
مقایسه توزیع کاویتاسیون
برای کاربردهای اولتراسونیک، می توانید از پروب های اولتراسونیک (فراصوت نوع پروب) یا حمام های اولتراسونیک استفاده کنید. “در میان این دو روش امواج فراصوت، فراصوت پروب موثر تر و قدرتمندتر از حمام اولتراسونیک در استفاده از پراکندگی نانوذرات است. دستگاه حمام اولتراسونیک می تواند یک فراصوت ضعیف با حدود 20-40 W / L و توزیع بسیار غیر یکنواخت فراهم کند در حالی که دستگاه پروب اولتراسونیک می تواند 20،000 W / L را به مایع ارائه دهد. بنابراین، به این معنی است که یک دستگاه پروب اولتراسونیک با ضریب 1000 از دستگاه حمام اولتراسونیک برتری دارد.” (رجوع کنید به اسدی و همکاران، 2019)
Sonicators نوع پروب در مقابل حمام های اولتراسونیک: مقایسه توزیع کاویتاسیون
در قلمرو کاربردهای اولتراسونیک، هر دو فراصوت نوع پروب و حمام اولتراسونیک نقش مهمی ایفا می کنند. با این حال، هنگامی که آن را به پراکندگی نانوذرات می آید، فراصوت پروب به طور قابل توجهی بهتر از حمام های مافوق صوت. با توجه به اسدی (2019)، حمام های اولتراسونیک به طور معمول یک فراصوت ضعیف تر از حدود 20-40 وات در لیتر با توزیع بسیار غیر یکنواخت تولید می کنند. در تضاد کامل ، دستگاه های پروب اولتراسونیک می توانند 20000 وات در لیتر را به مایع منتقل کنند و اثربخشی را نشان دهند که از حمام های اولتراسونیک با ضریب 1000 پیشی می گیرد. این تفاوت قابل توجه برجسته توانایی برتر از پروب نوع ماسونیک در دستیابی به پراکندگی نانوذرات کارآمد و یکنواخت.
حمام های اولتراسونیک
در حمام اولتراسونیک، حفره رخ می دهد غیر سازگار و غیر قابل کنترل از طریق مخزن توزیع. اثر فراصوت از شدت کم و ناهموار گسترش یافته است. تکرارپذیری و مقیاس پذیری فرآیند بسیار ضعیف است.
تصویر زیر نتایج آزمایش فویل در مخزن اولتراسونیک را نشان می دهد. برای این کار، یک فویل نازک آلومینیومی یا قلع در پایین یک مخزن اولتراسونیک پر از آب قرار می گیرد. پس از فراصوت ، علائم فرسایش تنها قابل مشاهده است. آن نقاط سوراخ دار و سوراخ های منفرد در فویل نشان دهنده نقاط داغ حفره ای است. با توجه به انرژی کم و توزیع ناهموار سونوگرافی در داخل مخزن، علائم فرسایش فقط به صورت نقطه ای رخ می دهد. از این رو، حمام های اولتراسونیک بیشتر برای برنامه های تمیز کردن استفاده می شوند.
در حمام یا مخزن اولتراسونیک ، نقطه داغ حفره صوتی بسیار ناهموار رخ می دهد.
شکل های زیر توزیع ناهموار نقاط داغ حفره ای را در حمام اولتراسونیک نشان می دهد. در شکل 2، حمامی با مساحت پایین 20×10 سانتی متر استفاده شده است.
شکل 2 توزیع فضایی میدان اولتراسونیک در حمام اولتراسونیک را نشان می دهد:
الف) استفاده از 1 لیتر آب در حمام و (ب) استفاده از حجم کل 2 لیتر آب در حمام.
[ناسنتس و همکاران، 2010]
برای اندازه گیری های نشان داده شده در شکل 3، از حمام اولتراسونیک با فضای پایین 12x10 سانتی متر استفاده شده است.
شکل 3 توزیع فضایی میدان اولتراسونیک را در حمام اولتراسونیک نشان می دهد:
(الف) استفاده از 1 لیتر آب در حمام و (ب) استفاده از حجم کل 1.3 لیتر آب در حمام.
[نوسنتز و همکاران، 2001]
هر دو اندازه گیری نشان می دهد که توزیع میدان تابش فراصوت در مخازن اولتراسونیک بسیار ناهموار است. مطالعه تابش اولتراسونیک در مکان های مختلف در حمام تغییرات فضایی قابل توجهی را در شدت حفره در حمام اولتراسونیک نشان می دهد.
شکل 4 در زیر کارایی یک حمام اولتراسونیک و یک دستگاه پروب اولتراسونیک را مقایسه می کند که با رنگ زدایی از رنگ آزو متیل بنفش نمونه می شود.
شکل 4: فراصوت کاوشگر نوع استقرار موضعی شدت انرژی بسیار بالا در مقایسه با چگالی سونوگرافی کم از مخازن مافوق صوت و حمام.
Dhanalakshmi و همکاران در مطالعه خود دریافتند که دستگاه های مافوق صوت نوع پروب دارای شدت موضعی بالایی در مقایسه با نوع مخزن هستند و از این رو، اثر موضعی بیشتری همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. این به معنای شدت و کارایی بالاتر از فرایند فراصوت است.
یک تنظیم اولتراسونیک همانطور که در تصویر 4 نشان داده شده است، امکان کنترل کامل بر مهمترین پارامترها مانند دامنه، فشار، دما، ویسکوزیته، غلظت، حجم راکتور را فراهم می کند.
عکس 1: سونوترود انتقال سونوگرافی قدرت به مایع. مه پاش در زیر سطح sonotrode نشان می دهد منطقه نقطه داغ حفره ای.
- شدید
- متمرکز
- کاملا قابل کنترل
- توزیع یکنواخت
- قابل تکرار
- مقیاس خطی
- دسته ای و درون خطی
مزایای سونیکاتورهای نوع پروب
پروب های اولتراسونیک یا sonotrodes برای تمرکز انرژی اولتراسونیک در یک منطقه متمرکز، به طور معمول در نوک کاوشگر طراحی شده اند. این انتقال انرژی متمرکز امکان درمان دقیق و کارآمد نمونه ها را فراهم می کند. از آنجا که طراحی پروب تضمین می کند که بخش قابل توجهی از انرژی اولتراسونیک به سمت نمونه هدایت می شود ، انتقال انرژی در مقایسه با حمام های اولتراسونیک به طور قابل توجهی افزایش می یابد. این انتقال متمرکز از قدرت سونوگرافی به ویژه برای برنامه های کاربردی نیاز به کنترل دقیق بر پارامترهای فراصوت سودمند است, مانند اختلال سلول, پراکندگی نانو, سنتز نانوذرات, امولسیون سازی, و استخراج گیاه شناسی.
از این رو، فراصوت پروب نوع ارائه مزایای متمایز بیش از حمام های مافوق صوت از نظر دقت، کنترل، انعطاف پذیری، بهره وری، و مقیاس پذیری، و آنها را به ابزار ضروری برای طیف گسترده ای از کاربردهای علمی و صنعتی.
سونیکاتورهای نوع پروب برای پردازش لیوان باز
هنگامی که نمونه ها با استفاده از یک دستگاه پروب اولتراسونیک فراصوت می شوند ، منطقه فراصوت شدید به طور مستقیم در زیر سونوترود / کاوشگر است. فاصله تابش مافوق صوت به یک منطقه خاص از نوک sonotrode محدود است. (نگاه کنید به تصویر 1)
فرآیندهای اولتراسونیک در لیوان های باز بیشتر برای آزمایش امکان سنجی و برای آماده سازی نمونه از حجم های کوچکتر استفاده می شود.
سونیکاتورهای نوع پروب با سلول جریان برای پردازش درون خطی
پیچیده ترین نتایج فراصوت توسط یک پردازش مداوم در حالت جریان بسته از طریق به دست آمده. تمام مواد با همان شدت سونوگرافی به عنوان مسیر جریان پردازش می شوند و زمان اقامت در محفظه راکتور اولتراسونیک کنترل می شود.
مجموعه گردش اولتراسونیک: UIP1000hdT با سلول جریان، مخزن و پمپ
نتایج فرآیند پردازش مایع اولتراسونیک برای پیکربندی پارامتر داده شده تابعی از انرژی در هر حجم پردازش شده است. عملکرد با تغییر در پارامترهای فردی تغییر می کند. علاوه بر این، قدرت خروجی واقعی و شدت در هر سطح از sonotrode از یک واحد مافوق صوت بستگی به پارامترها.
تاثیر حفره ای از پردازش مافوق صوت بستگی به شدت سطح است که توسط دامنه توصیف شده است (A)، فشار (p)، حجم راکتور (VR)، دما (T)، ویسکوزیته (η) و دیگران. نشانه های مثبت و منفی نشان می دهد تاثیر مثبت یا منفی از پارامتر خاص بر شدت فراصوت.
با کنترل مهم ترین پارامتر فرایند فراصوت فرایند به طور کامل تکرار پذیر است و نتایج به دست آمده را می توان به طور کامل خطی مقیاس بندی می شود. انواع مختلف sonotrodes و راکتورهای سلول جریان اولتراسونیک اجازه می دهد برای انطباق با نیازهای فرآیند خاص.
خلاصه: پروب نوع Sonicator در مقابل حمام اولتراسونیک
در حالی که حمام اولتراسونیک فراهم می کند فراصوت ضعیف با حدود 20 وات در هر لیتر، تنها و توزیع بسیار غیر یکنواخت، پروب نوع فراصوت به راحتی می تواند زوج حدود. این به این معنی است که یک مافوق صوت پروب نوع برتری یک حمام اولتراسونیک با عامل 1000 (1000 برابر ورودی انرژی بالاتر در هر حجم) با توجه به یک ورودی قدرت اولتراسونیک متمرکز و یکنواخت. کنترل کامل بر مهم ترین پارامترهای فراصوت تضمین نتایج به طور کامل تکرارپذیر و مقیاس پذیری خطی از نتایج فرآیند.
پروب نوع سونیکاتور UP200St با سونوترود S26d7D برای همگن سازی دسته ای نمونه ها
ادبیات/منابع
- 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.
سوالات متداول در مورد پروب های اولتراسونیک (سؤالات متداول)
فراصوت پروب اولتراسونیک چیست؟
مافوق صوت پروب مافوق صوت دستگاهی است که با استفاده از امواج صوتی با فرکانس بالا برای مختل کردن و یا مخلوط کردن نمونه است. این شامل یک کاوشگر است که وقتی در مایع غوطه ور می شود، ارتعاشات اولتراسونیک ایجاد می کند که منجر به کاویتاسیون و اثرات پردازش نمونه مورد نظر می شود.
اصل فراصوت پروب چیست؟
فراصوت پروب بر اساس اصل کاویتاسیون اولتراسونیک کار می کند. هنگامی که کاوشگر در نمونه ارتعاش می کند، حباب های میکروسکوپی ایجاد می کند که به سرعت منبسط می شوند و فرو می ریزند. این فرآیند نیروهای برشی و گرمای شدیدی ایجاد می کند ، سلول ها را مختل می کند یا اجزای آن را در سطح میکروسکوپی مخلوط می کند.
آیا پاک کننده اولتراسونیک همان ماسونیک است؟
نه، آنها یکسان نیستند. پاک کننده اولتراسونیک از امواج اولتراسونیک بسیار ملایم در حمام برای تمیز کردن اقلام، عمدتا از طریق لرزش و حفره بسیار ظریف استفاده می کند. یک فراصوت، به طور خاص یک مافوق صوت پروب اولتراسونیک، برای درمان مستقیم و فشرده اولتراسونیک از نمونه، با تمرکز بر اختلال یا همگن سازی طراحی شده است.
کاربرد پروب اولتراسونیک چیست؟
پروب اولتراسونیک در درجه اول برای کارهای آماده سازی نمونه مانند اختلال سلول، همگن سازی، امولسیون و پراکندگی ذرات در انواع کاربردهای تحقیقاتی و صنعتی در سراسر شیمی، زیست شناسی و علم مواد استفاده می شود.
تفاوت بین سونیکاتور پروب و فنجان شاخ چیست؟
یک سونیکاتور پروب به طور مستقیم کاوشگر را برای فراصوت شدید به نمونه غوطه ور می کند. از سوی دیگر، یک سونیکاتور فنجان شاخ کاوشگر را غوطه ور نمی کند، اما از یک روش غیرمستقیم استفاده می کند که در آن نمونه در ظرفی در یک حمام آب قرار می گیرد که انرژی اولتراسونیک را منتقل می کند.
چرا از فراصوت پروب استفاده کنیم؟
یک فراصوت پروب برای توانایی آن در ارائه مستقیم و انرژی اولتراسونیک با شدت بالا به یک نمونه، دستیابی به اختلال کارآمد، همگن سازی یا امولسیون استفاده می شود. این امر به ویژه برای نمونه هایی که پردازش آنها سخت است یا زمانی که کنترل دقیق بر فرآیند مورد نیاز است، ارزشمند است.
مزایای فراصوت پروب چیست؟
مزایای آن شامل پردازش نمونه کارآمد و سریع، تطبیق پذیری در برنامه های کاربردی، کنترل دقیق بر پارامترهای فراصوت و توانایی پردازش طیف گسترده ای از اندازه ها و انواع نمونه، از نمونه های آزمایشگاهی با حجم کوچک به دسته های صنعتی بزرگتر و یا نرخ جریان است.
چگونه از فراصوت پروب اولتراسونیک استفاده می کنید؟
با استفاده از یک فراصوت پروب مافوق صوت شامل انتخاب اندازه پروب مناسب و پارامترهای فراصوت، غوطه ور کردن نوک پروب به نمونه، و سپس فعال کردن فراصوت برای زمان مورد نظر و تنظیمات قدرت برای رسیدن به پردازش نمونه موثر.
تفاوت بین فراصوت و سونوگرافی چیست؟
فراصوت به استفاده کلی از امواج صوتی برای پردازش مواد اشاره دارد که می تواند شامل طیف وسیعی از فرکانس ها باشد. فراصوت مشخص استفاده از فرکانس های اولتراسونیک (به طور معمول بالاتر از 20 کیلوهرتز)، تمرکز بر برنامه های کاربردی که نیاز به امواج صوتی با انرژی بالا برای پردازش نمونه. با این حال، اکثر مردم در واقع به اولتراسونیک اشاره می کنند، زمانی که از کلمه صوتصوت استفاده می کنند.