અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપણ અને કણસમૂહોનું વિઘટન

પ્રવાહીઓમાં ઘન પદાર્થોનું વિક્ષેપણ અને કણસમૂહોનું વિઘટન એ ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ અને પ્રોબ પ્રકારના સોનિકેટરોનો એક મહત્વપૂર્ણ ઉપયોગ છે. અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન અસાધારણ રીતે ઉચ્ચ કર્તન પેદા કરે છે, જે કણસમૂહોને તોડીને અલગ-અલગ વિક્ષેપિત કણોમાં ફેરવે છે. સ્થાનિક રીતે કેન્દ્રિત થતાં તેનાં ઉચ્ચ કર્તન બળોને કારણે, પ્રયોગો, સંશોધન અને વિકાસ માટે તથા અલબત્ત ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન માટે માઇક્રોન અને નૅનો કદનાં વિક્ષેપણો બનાવવા સોનિકેશન આદર્શ છે.

પેઇન્ટ, શાહી, સૌંદર્યપ્રસાધનો, પીણાં, હાઇડ્રોજેલ અથવા પૉલિશિંગ માધ્યમો જેવા વિવિધ ઉત્પાદનોના સંયોજનની તૈયારીમાં પાઉડરને પ્રવાહીઓમાં ભેળવવું એ એક સામાન્ય પગલું છે. વાન ડેર વાલ્સ બળો અને પ્રવાહીના પૃષ્ઠતાણ સહિત વિવિધ ભૌતિક અને રાસાયણિક પ્રકૃતિનાં આકર્ષણ બળો અલગ-અલગ કણોને એકસાથે પકડી રાખે છે. પોલિમર અથવા રેઝિન જેવા વધુ સ્નિગ્ધતાવાળા પ્રવાહીઓમાં આ અસર વધુ પ્રબળ હોય છે. કણસમૂહોનું વિઘટન કરવા અને કણોને પ્રવાહી માધ્યમોમાં વિક્ષેપિત કરવા માટે આ આકર્ષણ બળોને વટાવવાં જરૂરી છે. પ્રયોગશાળા અને ઉદ્યોગમાં સબમાઇક્રોન અને નૅનો કદના કણોના વિક્ષેપણ માટે અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજેનાઇઝરો શા માટે ચડિયાતાં વિક્ષેપણ ઉપકરણો છે તે નીચે વાંચો.

પ્રવાહીઓમાં ઘન પદાર્થોનું અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપણ

અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજેનાઇઝરોનો કાર્યસિદ્ધાંત ધ્વનિક કેવિટેશનની ઘટના પર આધારિત છે. ધ્વનિક કેવિટેશન અત્યંત પ્રબળ કર્તન બળો સહિત તીવ્ર ભૌતિક બળો પેદા કરવા માટે જાણીતું છે. યાંત્રિક પ્રતિબળ લાગુ કરવાથી કણસમૂહો તૂટીને છૂટા પડે છે. ઉપરાંત, પ્રવાહીને દબાણથી કણોની વચ્ચે ધકેલવામાં આવે છે.
પ્રવાહીઓમાં પાઉડરના વિક્ષેપણ માટે ઉચ્ચ દબાણવાળા હોમોજેનાઇઝરો, એજિટેટર બીડ મિલો, પરસ્પર અથડાતા જેટવાળી મિલો અને રોટર-સ્ટેટર મિક્સર જેવી વિવિધ ટેક્નોલોજીઓ વ્યાવસાયિક રીતે ઉપલબ્ધ છે. તેમ છતાં, અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સરોના નોંધપાત્ર ફાયદા છે. અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપણ કેવી રીતે કાર્ય કરે છે અને તેના કયા ફાયદા છે તે નીચે વાંચો.

 

આ વિડિયો S24d 22mm પ્રોબ સાથે UP400St દ્વારા લાલ રંગનું અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપન દર્શાવે છે.

 

અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન અને વિક્ષેપણનો કાર્યસિદ્ધાંત

સોનિકેશન દરમિયાન, ઉચ્ચ આવૃત્તિનાં ધ્વનિ તરંગો પ્રવાહી માધ્યમમાં સંકોચન અને વિરલનના એકાંતરે આવતા વિસ્તારો બનાવે છે. ધ્વનિ તરંગો માધ્યમમાંથી પસાર થાય ત્યારે તેઓ એવા પરપોટા બનાવે છે જે ઝડપથી વિસ્તરે છે અને પછી પ્રચંડ રીતે તૂટી પડે છે. આ પ્રક્રિયાને ધ્વનિક કેવિટેશન કહેવામાં આવે છે. પરપોટા તૂટી પડવાથી ઉચ્ચ દબાણવાળાં આઘાત તરંગો, સૂક્ષ્મ જેટ અને કર્તન બળો પેદા થાય છે, જે મોટા કણો અને કણસમૂહોને નાના કણોમાં તોડી શકે છે. અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપણ પ્રક્રિયાઓમાં, વિક્ષેપણમાં રહેલા કણો પોતે જ પીસવાના માધ્યમ તરીકે કાર્ય કરે છે. અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનનાં કર્તન બળોથી પ્રવેગિત થયેલા કણો એકબીજા સાથે અથડાય છે અને નાના ટુકડાઓમાં તૂટી જાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક રીતે પ્રક્રિયા કરાયેલા વિક્ષેપણમાં કોઈ મણકા કે ગોળીઓ ઉમેરવામાં આવતાં નથી, તેથી પીસવાનાં માધ્યમોને અલગ પાડવાની અને સાફ કરવાની સમય માગતી તથા શ્રમસઘન કામગીરી તેમજ દૂષણને સંપૂર્ણપણે ટાળવામાં આવે છે.
આને કારણે કણોના વિક્ષેપણ અને કણસમૂહોના વિઘટનમાં સોનિકેશન ખૂબ અસરકારક બને છે, અન્ય પદ્ધતિઓથી તોડવા મુશ્કેલ હોય તેવા કણો માટે પણ. આનાથી કણોનું વધુ એકસમાન વિતરણ થાય છે, જેના પરિણામે ઉત્પાદનની ગુણવત્તા અને કાર્યક્ષમતામાં સુધારો થાય છે.
વધુમાં, સોનિકેશન દ્વારા નૅનોગોળાઓ, નૅનોસ્ફટિકો, નૅનોશીટો, નૅનોતંતુઓ, નૅનોતારો, કોર-શેલ કણો અને અન્ય જટિલ સંરચનાઓ જેવી નૅનોસામગ્રીઓને સરળતાથી સંભાળી, વિક્ષેપિત અને સંશ્લેષિત કરી શકાય છે.
વળી, સોનિકેશન પ્રમાણમાં ટૂંકા સમયગાળામાં કરી શકાય છે, જે અન્ય વિક્ષેપણ તકનીકોની તુલનામાં એક મોટો ફાયદો છે.

વૈકલ્પિક મિશ્રણ ટેક્નોલોજીઓની તુલનામાં અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સરોના ફાયદા

અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સરો ઉચ્ચ દબાણવાળા હોમોજેનાઇઝરો, બીડ મિલિંગ અથવા રોટર-સ્ટેટર મિશ્રણ જેવી વૈકલ્પિક મિશ્રણ ટેક્નોલોજીઓની તુલનામાં અનેક ફાયદા આપે છે. સૌથી નોંધપાત્ર ફાયદાઓમાંના કેટલાક આ પ્રમાણે છે:

• કણોનું કદ ઘટાડવામાં સુધારો: અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સર્સ કણોના કદને અસરકારક રીતે નેનોમીટર શ્રેણી સુધી ઘટાડી શકે છે, જે અન્ય ઘણી મિશ્રણ તકનીકો વડે શક્ય નથી. આથી, જ્યાં કણોનું સૂક્ષ્મ કદ અત્યંત જરૂરી હોય તેવા ઉપયોગો માટે તે આદર્શ છે.
• વધુ ઝડપી મિશ્રણ: અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સર્સ અન્ય ઘણી તકનીકો કરતાં સામગ્રીને વધુ ઝડપથી મિશ્રિત અને વિખેરિત કરી શકે છે, જે સમય બચાવે છે અને ઉત્પાદકતા વધારે છે.
• કોઈ દૂષણ નહીં: અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સર્સમાં બીડ્સ અથવા મોતી જેવા પેષણ માધ્યમોનો ઉપયોગ કરવાની જરૂર પડતી નથી, જે ઘર્ષણને કારણે વિખેરણને દૂષિત કરે છે.
• વધુ સારી ઉત્પાદન ગુણવત્તા: અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સર્સ વધુ એકસમાન મિશ્રણો અને નિલંબનો બનાવી શકે છે, જેના પરિણામે ઉત્પાદનની ગુણવત્તા અને સાતત્ય વધુ સારાં બને છે. ખાસ કરીને પ્રવાહ-આરપાર સ્થિતિમાં, વિખેરણ સ્લરી અત્યંત નિયંત્રિત રીતે અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન ક્ષેત્રમાંથી પસાર થાય છે, જે ખૂબ જ એકસમાન પ્રક્રિયા સુનિશ્ચિત કરે છે.
• ઓછી ઊર્જાનો વપરાશ: અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સર્સને સામાન્ય રીતે અન્ય તકનીકો કરતાં ઓછી ઊર્જાની જરૂર પડે છે, જે સંચાલન ખર્ચ ઘટાડે છે.
• બહુવિધ ઉપયોગક્ષમતા: અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સર્સનો ઉપયોગ સમાનાંગીકરણ, પાયસીકરણ, વિખેરણ અને સમૂહિત કણોના વિઘટન સહિત વિવિધ પ્રકારના ઉપયોગો માટે થઈ શકે છે. તે ઘર્ષક સામગ્રી, રેસા, સંક્ષારક પ્રવાહીઓ અને વાયુઓને સુધ્ધાં સંભાળી શકે છે.

પ્રક્રિયાના આ ફાયદાઓ તેમજ વિશ્વસનીયતા અને સરળ સંચાલનને કારણે, અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સર્સ વૈકલ્પિક મિશ્રણ તકનીકો કરતાં ચડિયાતાં સાબિત થાય છે, જેના લીધે તે ઘણા ઔદ્યોગિક ઉપયોગો માટે લોકપ્રિય પસંદગી બન્યાં છે.

કોઈપણ પાયે અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરણ અને સમૂહિત કણોનું વિઘટન

Hielscher બેચ અથવા ઇનલાઇન પ્રક્રિયા માટે કોઈપણ આયતનના વિખેરણ અને સમૂહિત કણોના વિઘટન માટે અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણો પ્રદાન કરે છે. અલ્ટ્રાસોનિક પ્રયોગશાળા ઉપકરણોનો ઉપયોગ 1.5mL થી આશરે 2L સુધીના આયતન માટે થાય છે. ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોનો ઉપયોગ પ્રક્રિયા વિકાસ અને ઉત્પાદનમાં 0.5 થી આશરે 2000L સુધીના બેચ અથવા પ્રતિ કલાક 0.1L થી 20m³ સુધીના પ્રવાહ દર માટે થાય છે.

Hielscher Ultrasonics ના ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સ ખૂબ ઊંચા કંપનવિસ્તારો પ્રદાન કરી શકે છે, જેથી કણોનું વિશ્વસનીય રીતે નેનો પાયે વિખેરણ અને પેષણ થાય છે. 200µm સુધીના કંપનવિસ્તારો સાથે 24/7 સંચાલનમાં સરળતાથી સતત કામ કરી શકાય છે. તેનાથી પણ ઊંચા કંપનવિસ્તારો માટે, જરૂરિયાત મુજબ બનાવેલા અલ્ટ્રાસોનિક સોનોટ્રોડ્સ ઉપલબ્ધ છે.

નીચેનું કોષ્ટક અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સની અંદાજિત પ્રક્રિયા ક્ષમતાનો ખ્યાલ આપે છે:

કાર્બન નેનોટ્યુબનું અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરણ – Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર UP400S (400W) CNTsને ઝડપથી અને કાર્યક્ષમ રીતે વિખેરે છે અને તેમની ગૂંચ ઉકેલીને અલગ નેનોટ્યુબ બનાવે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરણના ફાયદા: પાયો વધારવો સરળ છે

અન્ય વિખેરણ તકનીકોથી અલગ રીતે, અલ્ટ્રાસોનિકેશનનો પાયો પ્રયોગશાળાથી ઉત્પાદનના પાયા સુધી સરળતાથી વધારી શકાય છે. પ્રયોગશાળા પરીક્ષણો જરૂરી ઉપકરણનું કદ ચોકસાઈથી પસંદ કરવામાં મદદ કરશે. અંતિમ પાયે ઉપયોગ કરવામાં આવે ત્યારે, પ્રક્રિયાનાં પરિણામો પ્રયોગશાળાનાં પરિણામો જેવાં જ હોય છે.

અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ: મજબૂત અને સાફ કરવામાં સરળ

સોનોટ્રોડ દ્વારા અલ્ટ્રાસોનિક શક્તિ પ્રવાહીમાં સંચારિત થાય છે. આ સામાન્ય રીતે પરિભ્રમણ અક્ષની આસપાસ સમમિતિવાળો ભાગ હોય છે, જેને વિમાન નિર્માણની ગુણવત્તાવાળા ઘન ટાઇટેનિયમમાંથી મશીનિંગ કરીને બનાવવામાં આવે છે. પ્રવાહીના સંપર્કમાં આવતો આ એકમાત્ર હલનચલન કરતો / કંપન કરતો ભાગ પણ છે. આ એકમાત્ર ભાગ છે જે ઘસારાને આધીન છે અને તેને થોડી મિનિટોમાં સરળતાથી બદલી શકાય છે. કંપનને અલગ પાડતા ફ્લેન્જ સોનોટ્રોડને ખુલ્લાં અથવા બંધ, દબાણ આપી શકાય તેવાં પાત્રોમાં અથવા ફ્લો સેલમાં કોઈપણ દિશામાં સ્થાપિત કરવાની સુવિધા આપે છે. કોઈ બેરિંગની જરૂર પડતી નથી. પ્રવાહીના સંપર્કમાં આવતા અન્ય તમામ ભાગો સામાન્ય રીતે સ્ટેનલેસ સ્ટીલના બનેલા હોય છે. ફ્લો સેલ રિએક્ટરો સરળ ભૌમિતિક આકાર ધરાવે છે અને તેમને સરળતાથી છૂટા પાડીને સાફ કરી શકાય છે, ઉદાહરણ તરીકે પ્રવાહી વહેવડાવીને અને અંદરથી લૂછીને. તેમાં કોઈ નાનાં છિદ્રો કે છુપાયેલા ખૂણાઓ હોતા નથી.

સ્થાપિત સ્થિતિમાં અલ્ટ્રાસોનિક સફાઈ

અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સપાટીઓ અને ભાગોની સફાઈ જેવા તેના સફાઈના ઉપયોગો માટે જાણીતું છે. વિખેરણના ઉપયોગો માટે વપરાતી અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રતા સામાન્ય અલ્ટ્રાસોનિક સફાઈ માટે વપરાતી તીવ્રતા કરતાં ઘણી વધારે હોય છે. અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણના પ્રવાહીના સંપર્કમાં આવતા ભાગોની સફાઈ કરતી વખતે, પ્રવાહી વહેવડાવીને સાફ કરવા અને કોગળા કરવા દરમિયાન સફાઈમાં સહાય માટે અલ્ટ્રાસોનિક શક્તિનો ઉપયોગ કરી શકાય છે, કારણ કે અલ્ટ્રાસોનિક / ધ્વનિક કેવિટેશન સોનોટ્રોડ અને ફ્લો સેલની દિવાલો પરથી કણો અને પ્રવાહીના અવશેષો દૂર કરે છે.

---

---

સાહિત્ય / સંદર્ભો

• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Poinern G.E., Brundavanam R., Thi-Le X., Djordjevic S., Prokic M., Fawcett D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. Int J Nanomedicine. 2011; 6: 2083–2095.
• László Vanyorek, Dávid Kiss, Ádám Prekob, Béla Fiser, Attila Potyka, Géza Németh, László Kuzsela, Dirk Drees, Attila Trohák, Béla Viskolcz (2019): Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants. Journal of Materials Research and Technology, Volume 8, Issue 3, 2019. 3244-3250.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.