Probe-Type Sonication vs. Ultrasonic Bath: Tehokkuuden vertailu

Sonikaatioprosessit voidaan suorittaa käyttämällä anturityyppistä ultraäänihomogenisaattoria tai ultraäänikylpyä. Vaikka molemmat tekniikat soveltavat ultraääntä näytteeseen, tehokkuudessa, tehokkuudessa ja prosessikyvyissä on merkittäviä eroja. Anturityyppiset ultraäänilaitteet loistavat ultraäänikylpyä voimakkaasti ultraääni-intensiteetin, amplitudin, yhtenäisen käsittelyn ja toistettavuuden suhteen.

Halutut vaikutukset nesteiden ultraäänikäsittelystä – mukaan lukien homogenointi, hajotus, deagglomeraatio, jyrsintä, emulgointi, poisto, hajottaminen, hajoaminen ja sonokemialliset vaikutukset - aiheutuvat kavitaatio. Kun suuritehoinen ultraääni syötetään nestemäiseen väliaineeseen, ääniaaltoja lähetetään nesteessä ja muodostetaan vaihtelevat korkeapaine- (puristus-) ja matalapaineiset (harvinainen) syklit, joiden nopeudet riippuvat taajuudesta. Alhaisen paineen syklin aikana suuritehoiset ultraääni-aallot muodostavat pienet tyhjökuplat tai tyhjiöt nesteeseen. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne kutistuvat voimakkaasti korkeapaineisen syklin aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Implosion aikana saavutetaan hyvin korkeita lämpötiloja (n. 5000 K) ja paineita (noin 2 000 m) paikallisesti. Kavitaatiokuplan implosio johtaa myös nestemäisiin suihkukoneisiin, joiden nopeus on jopa 280 m / s. [Suslick 1998]

Moholkar et ai. (2000) havaitsivat, että korkeimman kavitaation intensiteetin alueella olevat kuplat menivät ohimeneviin liikkeisiin, kun taas pienimmän kavitaation intensiteetin alueella olevat kuplat olivat vakaita / värähtelevää liikkeitä. Kuplien tilapäinen romahdus, joka aiheuttaa paikallisen lämpötilan ja paineen maksimiä, on ultrasuurien havaittujen vaikutusten juuressa kemiallisissa järjestelmissä.
Ultraäänienergian voimakkuus on energian sisääntulon ja sonotrode-pinta-alan funktio. Tietyn energiansyötön osalta: mitä suurempi sonotrode-pinta-ala on, sitä pienempi on ultraääniintensiteetti.
Ultrasound-aaltoja voidaan tuottaa erilaisilla ultraäänijärjestelmillä. Seuraavassa verrataan ultraäänikuoreen, ultraäänikytkentälaitteen ja avoimessa astian ultraäänikokeessa käytettävän sonikaation välisiä eroja ja virransyöttökammiota.

Kavitaation hot spot -jakauman vertailu

Ultraäänisovelluksissa käytetään ultraäänimittapäitä (sonotrodeja / sarvia) ja ultraäänikylpyjä. “Näistä kahdesta ultraäänimenetelmästä anturin sonikaatio on tehokkaampi ja tehokkaampi kuin ultraäänikylpy nanohiukkasten dispersion soveltamisessa; ultraäänikylpylaite voi tarjota heikon ultrasonication noin 20-40 W / L ja erittäin epäyhtenäisen jakautumisen, kun taas ultraäänianturilaite voi tarjota 20 000 W / L nesteeseen. Siten se tarkoittaa, että ultraäänianturilaite loistaa ultraäänikylpylaitteessa kertoimella 1000.” (vrt. Asadi et ai., 2019)

Ultraääni kylpyamme

Ultraäänikylvyssä kavitaatio tapahtuu epätasapainoisesti ja hallitsemattomasti jakautuu säiliön läpi. Sonication vaikutus on matala intensiteetti ja epätasaisesti levitä. Prosessin toistettavuus ja skaalautuvuus ovat erittäin huonot.
Alla olevassa kuvassa esitetään ultraäänisäiliön foliotestien tulokset. Siksi ohut alumiini- tai tinikalvo sijoitetaan veden täytetyn ultraäänisäiliön pohjaan. Sonication jälkeen yksittäiset eroosion merkit näkyvät. Nämä yksittäiset rei'itetyt läiskät ja reiät kalvolla osoittavat kaviteettisia kuumia pisteitä. Vuoksi matala energia ja epätasainen ultraäänen jakautuminen säiliöön, eroosiomerkit esiintyvät vain tarkasti. Tällöin ultraäänikylpyjä käytetään enimmäkseen sovellusten puhdistamiseen.

Alla olevat kuviot osoittavat, että onteloisten kuumien pisteiden epätasainen jakautuminen ultraäänikylvyssä. Kuviossa 2 on kylpy, jonka pohjapinta-ala on 20×10 cm on käytetty.

Kuviossa 3 esitetyistä mittauksista on käytetty ultrasuihkua, jonka pohjatila on 12 x 10 cm.

Molemmat mittaukset osoittavat, että ultraääni säteilytyskenttä jakautuu ultraäänisäiliöissä hyvin epätasaisesti.
Ultraäänitutkimuksen tutkimus kylvyssä eri paikoissa osoittaa merkittäviä spatiaalisia vaihteluita kavitaation intensiteetissä ultraäänikylvyssä.

Alla olevassa kuvassa 4 verrataan ultraäänikylvyn ja ultraäänitunnistimen tehokkuutta, mikä on esimerkkinä atso- väriaineen Methyl Violetin värjäytymisestä.

Dhanalakshmi et ai. todettiin tutkimuksessaan, että koetin-tyyppinen ultraääni laitteilla on korkea paikallistunut intensiteetti suhteessa säiliötyyppiin ja siten suuremman lokalisoidun vaikutuksen, kuten kuviossa 4 on esitetty. Tämä tarkoittaa sonikaatioprosessin voimakkuutta ja tehokkuutta.
Kuviossa 4 esitetyn ultronaaliasetuksen avulla voidaan valvoa kaikkein tärkeimpiä parametrejä - amplitudi, paine, lämpötila, viskositeetti, pitoisuus, reaktorin tilavuus.

Ultrasonic Probe Device avoimessa dekantterilasiassa

Kun näytteitä ultrasuodatustyökalulla ultrasuodatinta ultraäänellä, voimakas sonikointivyöhyke on suoraan sonotrode / koettimen alle. Ultraäänivalonsäteilyetäisyys rajoittuu sonotrode-kärjen tietylle alueelle. (katso kuva 1)
Avointen keittimien ultraäänitekniikoita käytetään enimmäkseen toteutettavuustestaukseen ja pienempien tilavuuksien valmistukseen.

Ultrasonic-koetinlaite jatkuvatoimisessa tilassa

Kaikkein hienostuneimmat sonikaatiotulokset saavutetaan jatkuvalla käsittelyllä suljetussa läpivirtaustilassa. Kaikki materiaali käsitellään samalla ultraääniintensiteetillä kuin virtausreitti ja viipymäaika ultraäänireaktorikammiossa on säädetty.

Kuva. 4: 1kW ultraäänijärjestelmä Uip1000hd virtaussolulla ja pumpulla

Prosessitulokset ultrasonic-nestekäsittelystä tietyn parametrijärjestelyn osalta ovat energian funktio prosessoitua tilavuutta kohden. Toiminto muuttuu yksittäisten parametrien muutoksilla. Lisäksi ultraääniyksikön sonotrodin todellinen teho ja teho pinta-alan mukaan riippuvat parametreista.

Ultraäänikäsittelyn kavitaatiovaikutus riippuu pinta-intensiteetistä, jota kuvataan amplitudi (A), paine (p), reaktorin tilavuus (VR), lämpötila (T), viskositeetti (η) ja muut. Plus- ja miinusmerkit ilmaisevat erityisparametrin positiivisen tai negatiivisen vaikutuksen sonisointitehoon.

Ohjaamalla sonikaatioprosessin tärkein parametri prosessi on täysin toistettavissa ja saavutetut tulokset voidaan skaalata täysin lineaarisesti. Erilaiset sonotrodit ja ultraäänivirtasolureaktorit mahdollistavat mukautumisen tiettyihin prosessivaatimuksiin.

Yhteenveto

Vaikka a Ultraääni kylpyamme tarjoaa a heikko Sonication kanssa noin. 20-40 W / L ja hyvin epäyhtenäinen jakelu, ultraäänianturin tyyppi laitteet voivat helposti pari n. 20 000 W / L käsitellylle väliaineelle. Tämä tarkoittaa sitä, että ultraäänitutkityyppinen laite erittelee ultraäänipesua kertoimella 1000 (1000 x suurempi energian syöttö tilavuus) keskittynyt ja yhtenäinen ultraääni tehonsyöttö. Täysi hallinta tärkeimmistä sonikaatioparametreista takaa täysin toistettavissa tulokset ja lineaarinen skaalautuvuus prosessin tuloksista.