Koetintyyppiset sonikaattorit vs. ultraäänikylvyt
Tehtäviin, kuten emulgointiin, dispersioon, uuttamiseen tai hiukkaskoon pienentämiseen, koetintyyppiset sonikaattorit tuottavat yhtenäisiä leikkausvoimia ja korkean intensiteetin kavitaatiota. Tämä suora lähestymistapa selviytyy vaativista sovelluksista ja skaalautuu helposti pienistä laboratoriotesteistä kokonaisiin tuotantoeriin. Samaan aikaan ultraäänikylvyt voivat riittää lievään puhdistukseen tai matalan intensiteetin hoitoihin, mutta ne kamppailevat usein vaativampien töiden kanssa, jotka vaativat tarkkaa amplitudin ja lämpötilan hallintaa. Kun tarvitset luotettavuutta, joustavuutta ja vankkaa suorituskykyä, Hielscher-koetintyyppiset sonikaattorit tarjoavat selkeän reunan ultraäänikylpyihin nähden.
Koetintyyppinen sonikaattori vs. ultraäänikylpy – Tutki, miksi koetintyyppiset sonikaattorit ovat erinomaisia tehokkuudessa ja luotettavuudessa
Sonikaattorin kavitaation intensiteetti
Koetintyyppiset sonikaattorit tuovat suuritehoisen ultraäänen suoraan nestemäiseen väliaineeseen, jossa ääniaallot luovat nesteessä vuorotellen korkeapaineisia ja matalapaineisia syklejä. Matalapainesyklin aikana korkean intensiteetin ultraääniaallot luovat pieniä tyhjiökuplia tai tyhjiöitä nesteeseen. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne romahtavat voimakkaasti korkeapainesyklin aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Luhistumisen aikana saavutetaan paikallisesti erittäin korkeat lämpötilat ja paineet. Kavitaatiokuplan luhistuminen johtaa myös erittäin nopeisiin nestesuihkuihin.
Tausta: Ultraäänikavitaatio
Moholkar (2000) havaitsi, että korkeimman kavitaatiointensiteetin alueen kuplat kävivät läpi ohimenevän liikkeen, kun taas kuplat pienimmän kavitaatiointensiteetin alueella kävivät läpi vakaan, värähtelevän liikkeen. Kuplien ohimenevä romahtaminen, joka aiheuttaa paikallisia lämpötila- ja painemaksimit, on ultraäänen havaittujen vaikutusten taustalla kemiallisiin järjestelmiin.
Ultrasonicationin intensiteetti on energian syötön ja sonotrode-pinta-alan funktio. Tietyn energian syöttöön sovelletaan: mitä suurempi sonotrodin pinta-ala on, sitä pienempi on ultraäänen intensiteetti.
Ultraääniaaltoja voidaan tuottaa erilaisilla ultraäänijärjestelmillä. Seuraavassa verrataan ultraäänihauteella tapahtuvan sonikaation, avoimessa astiassa olevan ultraäänianturilaitteen ja ultraäänianturilaitteen välisiä eroja, joissa on virtaussolukammio.
Kuva 1: Vakaiden ja ohimenevien kavitaatiokuplien luominen. a) siirtymä, b) ohimenevä kavitaatio, c) vakaa kavitaatio, d) paine
[mukailtu julkaisusta Santos et al. 2009]
Kavitaatiojakauman vertailu
Ultraäänisovelluksissa voit käyttää ultraäänikoettimia (koetintyyppisiä sonikaattoreita) tai ultraäänikylpyjä. “Näiden kahden ultrasonication-menetelmän joukossa koettimen sonikaatio on tehokkaampi ja tehokkaampi kuin ultraäänihaude nanohiukkasten dispersion soveltamisessa; ultraäänikylpylaite voi tarjota heikon ultrasonicationin noin 20-40 W / L: lla ja hyvin epätasaisella jakautumisella, kun taas ultraäänianturilaite voi tuottaa 20 000 W / L nesteeseen. Siten se tarkoittaa, että ultraäänianturilaite ylittää ultraäänikylpylaitteen kertoimella 1000.” (vrt. Asadi et al., 2019)
Koetintyyppiset sonikaattorit vs. ultraäänihauteet: kavitaatiojakauman vertailu
Ultraäänisovellusten alalla sekä koetintyyppisillä sonikaattoreilla että ultraäänihauteilla on tärkeä rooli. Kuitenkin, kun kyse on nanohiukkasten leviämisestä, koettimen sonikaattorit ylittävät merkittävästi ultraäänihauteet. Asadin (2019) mukaan ultraäänikylvyt tuottavat tyypillisesti heikomman ultrasonicationin noin 20-40 wattia litraa kohti erittäin epätasaisella jakautumisella. Jyrkässä kontrastissa ultraäänianturilaitteet voivat tuottaa hämmästyttävän 20000 wattia litraa kohti nesteeseen, mikä osoittaa tehokkuuden, joka ylittää ultraäänihauteet kertoimella 1000. Tämä merkittävä ero korostaa koetintyyppisten sonikaattoreiden ylivoimaista kykyä saavuttaa tehokas ja yhtenäinen nanohiukkasten dispersio.
Ultraääni kylpyammeet
Ultraäänihauteessa kavitaatio tapahtuu ei-yhteensopivana ja jakautuu hallitsemattomasti säiliön läpi. Sonikaatiovaikutus on alhainen intensiteetti ja epätasaisesti levinnyt. Prosessin toistettavuus ja skaalautuvuus on erittäin heikko.
Alla olevassa kuvassa on ultraäänisäiliössä tehdyn kalvotestauksen tulokset. Tätä varten ohut alumiini- tai tinakalvo asetetaan vedellä täytetyn ultraäänisäiliön pohjalle. Sonikoinnin jälkeen yksittäiset eroosiomerkit ovat näkyvissä. Nämä yksittäiset rei'itetyt täplät ja reiät kalvossa osoittavat kavitaatiopisteitä. Alhaisen energian ja ultraäänen epätasaisen jakautumisen vuoksi säiliössä eroosiomerkit esiintyvät vain pisteittäin. Siksi ultraäänikylpyjä käytetään enimmäkseen puhdistussovelluksiin.
Ultraäänihauteessa tai säiliössä akustisen kavitaation kuuma piste tapahtuu hyvin epätasaisesti.
Alla olevat luvut osoittavat kavitaatiopisteiden epätasaisen jakautumisen ultraäänihauteessa. Kuvassa 2 kylpy, jonka pohjapinta-ala on 20×10 cm on käytetty.
Kuvassa 2 on esitetty ultraäänikentän alueellinen jakautuminen ultraäänihauteessa:
a) käyttämällä 1 l vettä hauteessa ja b) käyttämällä hauteessa olevan 2 litran kokonaisvesimäärää.
[Nascentes et ai., 2010]
Kuvassa 3 esitetyissä mittauksissa on käytetty ultraäänihaudetta, jonka pohjatila on 12x10cm.
Kuvassa 3 on esitetty ultraäänikentän alueellinen jakautuminen ultraäänihauteessa:
a) käyttämällä 1 l vettä hauteessa ja b) käyttämällä hauteessa olevaa 1,3 litran kokonaisvesimäärää.
[Nascentes et ai., 2001]
Molemmat mittaukset paljastavat, että ultraäänisäteilykentän jakautuminen ultraäänisäiliöissä on hyvin epätasainen. Ultraäänisäteilyn tutkimus kylvyn eri paikoissa osoittaa merkittäviä spatiaalisia vaihteluita ultraäänihauteen kavitaatiointensiteetissä.
Alla olevassa kuvassa 4 verrataan ultraäänihauteen ja ultraäänianturilaitteen tehokkuutta, esimerkkinä atsoväriaineen metyylivioletin värinpoisto.
Kuva 4: Koetintyyppiset sonikaattorit käyttävät paikallista erittäin korkeaa energiaintensiteettiä verrattuna ultraäänisäiliöiden ja kylpyjen alhaiseen ultraäänitiheyteen.
havaitsi tutkimuksessaan, että koetintyyppisillä ultraäänilaitteilla on korkea paikallinen intensiteetti verrattuna säiliötyyppiin ja siten suurempi paikallinen vaikutus, kuten kuvassa 4 on esitetty. Tämä tarkoittaa sonikaatioprosessin suurempaa intensiteettiä ja tehokkuutta.
Kuvassa 4 esitetty ultraääniasetus mahdollistaa tärkeimpien parametrien, kuten amplitudin, paineen, lämpötilan, viskositeetin, pitoisuuden, reaktorin tilavuuden, täydellisen hallinnan.
Kuva 1: Sonotrode lähettää tehon ultraäänen nesteeseen. Sonotrode-pinnan alla oleva huurtuminen osoittaa kavitaatiopistealueen.
- voimakas
- Keskittynyt
- Täysin hallittavissa
- tasainen jakautuminen
- Toistettavissa
- lineaarinen skaalaus
- Erä ja rivi
Koetintyyppisten sonikaattoreiden edut
Ultraäänianturit tai sonotrodit on suunniteltu keskittämään ultraäänienergiaa keskittyneelle alueelle, tyypillisesti koettimen kärjessä. Tämä keskitetty energiansiirto mahdollistaa näytteiden tarkan ja tehokkaan käsittelyn. Koska anturin suunnittelu varmistaa, että merkittävä osa ultraäänienergiasta suuntautuu näytteeseen, energiansiirto paranee merkittävästi verrattuna ultraäänikylpyihin. Tämä keskittynyt ultraäänitehon siirto on erityisen edullinen sovelluksissa, jotka vaativat tarkkaa valvontaa sonikaatioparametreista, kuten solujen häiriöistä, nanodispersiosta, nanohiukkassynteesistä, emulgoinnista ja kasvitieteellisestä uuttamisesta.
Siksi koetintyyppiset sonikaattorit tarjoavat selkeitä etuja ultraäänihauteisiin verrattuna tarkkuuden, ohjauksen, joustavuuden, tehokkuuden ja skaalautuvuuden suhteen, mikä tekee niistä välttämättömiä työkaluja monenlaisiin tieteellisiin ja teollisiin sovelluksiin.
Koetintyyppiset sonikaattorit avoimeen dekantterilasin käsittelyyn
Kun näytteet sonikoidaan ultraäänianturilaitteella, voimakas sonikaatiovyöhyke on suoraan sonotrodin / koettimen alapuolella. Ultraäänisäteilytysetäisyys rajoittuu tiettyyn sonotrode-kärjen alueeseen. (katso kuva 1)
Ultraääniprosesseja avoimissa dekantterilasissa käytetään enimmäkseen toteutettavuustestaukseen ja pienempien määrien näytteen valmistukseen.
Koetintyyppiset sonikaattorit, joissa on virtaussolu inline-käsittelyä varten
Kehittyneimmät sonikaatiotulokset saavutetaan jatkuvalla käsittelyllä suljetussa läpivirtaustilassa. Kaikki materiaali käsitellään samalla ultraääniintensiteetillä kuin virtausreitti ja viipymäaika ultraäänireaktorikammiossa ohjataan.
Ultraäänikierrätyssarja: UIP1000hdT virtauskennolla, säiliöllä ja pumpulla
Ultraääninesteen käsittelyn prosessitulokset tietylle parametrikonfiguraatiolle ovat energian funktio käsiteltyä tilavuutta kohti. Toiminto muuttuu yksittäisten parametrien muutosten myötä. Lisäksi ultraääniyksikön sonotrodin todellinen teho ja intensiteetti pinta-alaa kohti riippuvat parametreista.
Ultraäänikäsittelyn kavitaatiovaikutus riippuu pinnan intensiteetistä, jota kuvataan amplitudilla (A), paineella (p), reaktorin tilavuudella (VR), lämpötilalla (T), viskositeetilla (η) ja muilla. Plus- ja miinusmerkit osoittavat tietyn parametrin positiivisen tai negatiivisen vaikutuksen sonikaatiointensiteettiin.
Ohjaamalla sonikaatioprosessin tärkeintä parametria prosessi on täysin toistettavissa ja saavutetut tulokset voidaan skaalata täysin lineaarisiksi. Erityyppiset sonotrodit ja ultraäänivirtaussolureaktorit mahdollistavat sopeutumisen tiettyihin prosessivaatimuksiin.
Yhteenveto: Koetintyyppinen sonikaattori vs ultraäänikylpy
Vaikka ultraäänikylpy tarjoaa heikon sonikaation, jossa on noin 20 wattia litraa kohti, vain ja hyvin epätasainen jakautuminen, koetintyyppiset sonikaattorit voivat helposti kytkeä noin 20000 wattia litraa kohti käsiteltyyn väliaineeseen. Tämä tarkoittaa, että ultraäänianturityyppinen sonikaattori ylittää ultraäänihauteen kertoimella 1000 (1000x suurempi energian syöttö tilavuutta kohti) keskitetyn ja yhtenäisen ultraäänitehon tulon vuoksi. Tärkeimpien sonikaatioparametrien täydellinen hallinta takaa täysin toistettavat tulokset ja prosessitulosten lineaarisen skaalautuvuuden.
Koetintyyppinen sonikaattori UP200St sonotrode S26d7D: llä näytteiden erätyyppiseen homogenointiin
Kirjallisuus/viitteet
- 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.
Usein kysyttyjä kysymyksiä ultraääniantureista (FAQ)
Mikä on ultraäänianturin sonikaattori?
Ultraäänianturin sonikaattori on laite, joka käyttää korkeataajuisia ääniaaltoja häiritsemään tai sekoittamaan näytteitä. Se koostuu koettimesta, joka nesteeseen upotettuna tuottaa ultraäänivärähtelyjä, mikä johtaa kavitaatioon ja haluttuihin näytteenkäsittelyvaikutuksiin.
Mikä on koettimen sonikoinnin periaate?
Koettimen sonikaatio toimii ultraäänikavitaation periaatteella. Kun anturi värähtelee näytteessä, se luo mikroskooppisia kuplia, jotka laajenevat nopeasti ja romahtavat. Tämä prosessi tuottaa voimakkaita leikkausvoimia ja lämpöä, häiritsee soluja tai sekoittaa komponentteja mikroskooppisella tasolla.
Onko ultraäänipuhdistin sama kuin sonicator?
Ei, ne eivät ole samoja. Ultraäänipuhdistin käyttää hyvin lieviä ultraääniaaltoja kylvyssä esineiden puhdistamiseen, pääasiassa tärinän ja erittäin littly kavitaation kautta. Sonikaattori, erityisesti ultraäänianturin sonikaattori, on suunniteltu näytteiden suoraan ja intensiiviseen ultraäänikäsittelyyn, keskittyen häiriöihin tai homogenisointiin.
Mikä on ultraäänianturin käyttö?
Ultraäänianturia käytetään ensisijaisesti näytteenvalmistustehtäviin, kuten solujen häiriöihin, homogenisointiin, emulgointiin ja hiukkasten leviämiseen erilaisissa tutkimus- ja teollisissa sovelluksissa kemian, biologian ja materiaalitieteen aloilla.
Mitä eroa on koettimen sonicatorin ja cup-hornin välillä?
Koettimen sonikaattori upottaa koettimen suoraan näytteeseen voimakasta sonikaatiota varten. Kuppi-sarven sonikaattori ei toisaalta upota koetinta, vaan käyttää epäsuoraa menetelmää, jossa näyte asetetaan astiaan vesihauteessa, joka lähettää ultraäänienergiaa.
Miksi käyttää koettimen sonikaattoria?
Koettimen sonikaattoria käytetään sen kykyyn toimittaa suoraa, korkean intensiteetin ultraäänienergiaa näytteeseen, jolloin saavutetaan tehokas häiriö, homogenisointi tai emulgointi. Se on erityisen arvokas vaikeasti käsiteltävissä näytteissä tai silloin, kun tarvitaan prosessin tarkkaa hallintaa.
Mitkä ovat koettimen sonikaattorin edut?
Edut sisältävät tehokkaan ja nopean näytteenkäsittelyn, monipuolisuuden sovelluksissa, sonikaatioparametrien tarkan hallinnan ja kyvyn käsitellä monenlaisia näytekokoja ja -tyyppejä pienikokoisista laboratorionäytteistä suurempiin teollisuuseriin tai virtausnopeuksiin.
Kuinka käytät ultraäänianturin sonikaattoria?
Ultraäänianturin sonikaattorin käyttö edellyttää sopivan koettimen koon ja sonikaatioparametrien valitsemista, anturin kärjen upottamista näytteeseen ja sitten sonikaattorin aktivointia halutun ajan ja tehoasetusten saavuttamiseksi tehokkaan näytteenkäsittelyn saavuttamiseksi.
Mitä eroa on sonikaatiolla ja ultraäänellä?
Sonikaatio viittaa ääniaaltojen yleiseen käyttöön materiaalien käsittelyyn, joka voi sisältää erilaisia taajuuksia. Ultrasonication määrittelee ultraäänitaajuuksien käytön (tyypillisesti yli 20 kHz) keskittyen sovelluksiin, jotka vaativat korkean energian ääniaaltoja näytteen käsittelyyn. Useimmat ihmiset viittaavat kuitenkin ultraäänilaitteisiin, kun he käyttävät sanaa sonicator.