Technologie des ultrasons Hielscher

Sonde-type par rapport à sonication bain à ultrasons: une efficacité Comparaison

processus de sonication peut être effectuée par l'utilisation d'un homogénéisateur à ultrasons de type sonde ou un bain à ultrasons. Bien que, les deux techniques appliquent des ultrasons à l'échantillon, il existe des différences importantes dans les capacités d'efficacité, d'efficience et de processus.

Les effets escomptés de la ultrasonication des liquides – comprenant homogénéisation, Dispersion, désagglomération, fraisage, émulsification, Extraction, lyse, Désintégration et effets sonochimiques - sont causés par cavitation. En introduisant des ultrasons de haute puissance dans un milieu liquide, les ondes sonores sont transmises dans le fluide et créent des cycles alternés de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), avec des vitesses dépendant de la fréquence. Pendant le cycle à basse pression, les ondes ultrasoniques à haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume auquel elles ne peuvent plus absorber d'énergie, elles s'effondrent violemment lors d'un cycle à haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Pendant l'implosion, des températures très élevées (environ 5000K) et des pressions (environ 2000atm) sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation se traduit également par des jets de liquide pouvant atteindre une vitesse de 280 m / s. [Suslick 1998]

bulles de cavitation peuvent être différenciées dans des bulles stables et transitoires. (Cliquez pour agrandir!)

Moholkar et al. (2000) ont constaté que les bulles dans la région de l'intensité de cavitation plus haut ont subi un mouvement transitoire, tandis que les bulles dans la région de l'intensité de cavitation plus bas ont subi un mouvement stable / oscillatoire. L'effondrement transitoire de bulles qui donne naissance à des maxima de température locale et la pression est à la base des effets observés des ultrasons sur les systèmes chimiques.
L'intensité des ultrasons est une fonction de l'énergie d'entrée et la zone de surface de la sonotrode. Pour un apport d'énergie donné applique: plus la zone de surface de la sonotrode est faible, plus l'intensité des ultrasons.
Les ultrasons peuvent être générés par différents types de systèmes à ultrasons. Dans ce qui suit, les différences entre la sonication en utilisant un bain à ultrasons, un dispositif de sonde à ultrasons dans un récipient ouvert et un dispositif de sonde à ultrasons avec la chambre de la cellule d'écoulement seront comparés.

Comparaison de la distribution des points chauds cavitationnel

Bain à ultrasons

Dans un bain à ultrasons, la cavitation se produit non conforme et incontrôlable distribué à travers le réservoir. L'effet est sonication de faible intensité et de manière inégale propager. La reproductibilité et l'évolutivité du processus est très pauvre.
L'image ci-dessous montre les résultats d'un test de papier d'aluminium dans une cuve à ultrasons. Par conséquent, une feuille d'aluminium mince ou d'étain est placée au fond d'une cuve à ultrasons rempli d'eau. Après sonication, les marques d'érosion unique sont visibles. Ces points perforés simples et des trous dans la feuille indiquent les points chauds de cavitation. En raison de batterie faible et le inégal la distribution des ultrasons dans la cuve, les notes d'érosion se produit seulement à goutte place. Par conséquent, les bains à ultrasons sont principalement utilisés pour des applications de nettoyage.

In an ultrasonic bath or tank, the ultrasonic "hot spots" se très inégalement. (Cliquez pour agrandir!)
Les chiffres ci-dessous montrent la répartition inégale des points chauds dans cavitationnels un bain à ultrasons. Sur la Fig. 2, une baignoire avec une zone de fond de 20×10 cm a été utilisé.
cavitation dans un bain Accidenté à ultrasons (Cliquez pour agrandir!)

Pour les mesures indiquées dans la Fig. 3, a été utilisé un bain à ultrasons avec un espace de fond de 12x10cm.
La figure montre la répartition spatiale non uniforme des points chauds à ultrasons dans un bain à ultrasons. (Cliquez pour agrandir!)
Les deux mesures révèle que la distribution du champ d'irradiation par ultrasons dans les réservoirs à ultrasons est très inégale.
L'étude de l'irradiation par ultrasons à divers endroits dans le bain présente d'importantes variations spatiales de l'intensité de cavitation dans le bain à ultrasons.

Fig. 4 ci-dessous compare l'efficacité d'un bain à ultrasons et un dispositif de sonde à ultrasons illustré par la décoloration du colorant azoïque violet de méthyle.
Une plus grande efficacité par sonication type de sonde (Cliquez pour agrandir!)
Dhanalakshmi et al. trouvé dans leur étude à ultrasons de type sonde appareils ont une élevé localisé intensité par rapport au réservoir de type et, par conséquent, un effet plus localisée telle que représentée sur la Fig. 4. Cela signifie une plus grande intensité et l'efficacité du processus de sonification.
Une installation à ultrasons comme dans la figure 4, permet un contrôle total sur les paramètres les plus importants - amplitude, la pression, la température, la viscosité, la concentration, le volume du réacteur.

La sonication par sonde est très efficace et efficiente cvs un bain sonique.

sonication type de sonde avec UP200Ht

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Ultrasonic processing: Cavitational "hot spot"

Pic 1: sonotrode à ultrasons émettant des ondes sonores dans un liquide. La formation de buée sous la surface de la sonotrode indique la zone de point chaud cavitationnel.

Avantages Sonde-sonication:

  • véhément
  • concentré
  • entièrement contrôlable
  • même la distribution
  • reproductible
  • échelle linéaire à production
  • batch et en ligne

Dispositif ultrasonique de la sonde dans un bêcher ouvert

Lorsque les échantillons sont soumis à une sonication à l'aide d'un dispositif de sonde à ultrasons, la zone de sonication intense est directement sous la sonotrode / sonde. La distance d'irradiation ultrasonore est limité à une certaine zone de la pointe de la sonotrode. (Voir fig.1)
ultrasons à béchers ouverts sont principalement utilisés pour les tests de faisabilité et préparation d'échantillons de plus petits volumes.

Dispositif de sonde à ultrasons en mode d'écoulement continu

Les résultats de sonication les plus sophistiqués sont atteints par un traitement continu en mode accréditive fermé. Tout le matériel est traité par la même intensité ultrasonore du trajet d'écoulement et le temps de séjour dans la chambre de réacteur à ultrasons est contrôlé.

traitement par ultrasons en ligne avec réacteur à cellule d'écoulement (Cliquez pour agrandir!)

Pic. 4: Système à ultrasons 1kW UIP1000hd avec la cellule d'écoulement et pompe

Les résultats du procédé de traitement de liquide par ultrasons pour une configuration de paramètre donné est une fonction de l'énergie par volume traité. La fonction change avec les modifications des paramètres individuels. En outre, la puissance de sortie réelle et de l'intensité par unité de surface de la sonotrode d'un appareil à ultrasons dépend des paramètres.

Les paramètres les plus importants de traitement à ultrasons comprennent amplitude (A), la pression (p), le volume du réacteur (VR), la température (T), et la viscosité (η).

L'impact de cavitation de traitement par ultrasons dépend de l'intensité de surface qui est decribed par l'amplitude (A), la pression (p), le volume du réacteur (VR), la température (T), la viscosité (η) et d'autres. Les signes plus et moins indiquent une influence positive ou négative du paramètre spécifique sur l'intensité de sonication.

En contrôlant le paramètre le plus important du processus de sonication le processus est entièrement reproductible et les résultats obtenus peuvent être mis à l'échelle complètement linéaire. Différents types de sonotrodes et des réacteurs de cellule d'écoulement à ultrasons permettent l'adaptation aux exigences de processus spécifiques.

Résumé

Alors qu'un Bain à ultrasons fournit un faible sonication avec env. 20-40 W / L et un très non uniforme Distribution, Sonde de type à ultrasons Les appareils peuvent facilement deux environ. 20,000 W / L dans le milieu traité. Ceci signifie qu 'un dispositif de type sonde à ultrasons se distingue d'un bain à ultrasons par un facteur de 1 000 (1000x d'entrée d'énergie plus élevée par volume) en raison d'une concentré et uniforme entrée d'énergie ultrasonique. Les paramètres de contrôle total sur le sonication le plus important assure complètement reproductible les résultats et la évolutivité linéaire Les résultats du processus.

sonication puissante avec un appareil à ultrasons de type sonde.

Fig.3: Le traitement par ultrasons dans un tube à essai ouvert à l'aide d'un dispositif de laboratoire à ultrasons avec sonotrode / sonde

Littérature / Références

 

  • Dhanalakshmi, N. P .; Nagarajan, R. (2011): ultrasons Intensification de la dégradation chimique de méthyle Violet: une étude expérimentale. Dans: Mondes ACSD. Sci. Enginee Tech 2011, Vol.59, 537-542.
  • Kiani, H .; Zhang, Z. Delgado, A .; Soleil, D.-W. (2011): L'échographie nucléation assistée de certains aliments modèles liquides et solides lors de la congélation. Dans: Food Res. Intl. 2011, Vol.44 / No.9, 2915-2921.
  • Moholkar, V. S .; Sable, S. P .; Pandit, A. B. (2000): Cartographie de l'intensité de cavitation dans un bain à ultrasons en utilisant l'émission acoustique. Dans: J. AIChE 2000, Vol.46 / No.4, 684-694.
  • Nascentes, C. C .; Korn, M .; Sousa, C. S .; Arruda, M. A. Z. (2001): L'utilisation de bains à ultrasons pour les applications analytiques: Une nouvelle approche pour les conditions d'optimisation. Dans: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12 / N ° 1, 57-63.
  • Santos, H. M .; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): La puissance des ultrasons. Dans: Ultrasound in Chemistry: Application analytique. (Éd. Par J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4ème Ed. Wiley J. & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.

 

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Qu'il faut savoir

Homogénéisateurs de tissus par ultrasons sont souvent dénommés sonicateur à sonde, lyser ultrasonique, disruptor ultrasons, meuleuse ultrasons, sono-rupteur, sonifier, dismembrator sonic, perturbateur cellulaire, disperseur ultrasonique ou dissolver. Les différents termes proviennent de diverses applications qui peuvent être satisfaites par la sonication.