પ્રોબ-ટાઈપ સોનિકેશન વિ. અલ્ટ્રાસોનિક બાથ: એક કાર્યક્ષમતા સરખામણી

સોનિકેશન પ્રક્રિયાઓ પ્રોબ-પ્રકાર અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજેનાઇઝર અથવા અલ્ટ્રાસોનિક બાથના ઉપયોગ દ્વારા હાથ ધરવામાં આવી શકે છે. તેમ છતાં, બંને તકનીકો નમૂના પર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ લાગુ કરે છે, અસરકારકતા, કાર્યક્ષમતા અને પ્રક્રિયા ક્ષમતાઓમાં નોંધપાત્ર તફાવત છે.

sonicating પ્રવાહી ઇચ્છિત અસરો – હોમોજનાઇઝેશન, ડિસ્પર્સિંગ, ડિગગ્લોમેરેશન, મિલિંગ, ઇમલ્સિફિકેશન, એક્સટ્રક્શન, લિસિસ, ડિસેન્ટિગ્રેશન, સોનોકેમિસ્ટ્રી સહિત - એકોસ્ટિક પોલાણને કારણે થાય છે. ઉચ્ચ શક્તિના અલ્ટ્રાસાઉન્ડને પ્રવાહી માધ્યમમાં રજૂ કરીને, ધ્વનિ તરંગો પ્રવાહીમાં પ્રસારિત થાય છે અને આવર્તનના આધારે દરો સાથે વૈકલ્પિક ઉચ્ચ-દબાણ (સંકોચન) અને ઓછા-દબાણ (વિરલતા) ચક્ર બનાવે છે. લો-પ્રેશર ચક્ર દરમિયાન, ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો પ્રવાહીમાં નાના શૂન્યાવકાશ પરપોટા અથવા ખાલી જગ્યાઓ બનાવે છે. જ્યારે પરપોટા એવા જથ્થાને પ્રાપ્ત કરે છે કે જેના પર તેઓ લાંબા સમય સુધી ઊર્જાને શોષી શકતા નથી, ત્યારે તેઓ ઉચ્ચ દબાણના ચક્ર દરમિયાન હિંસક રીતે તૂટી પડે છે. આ ઘટનાને પોલાણ કહેવામાં આવે છે. વિસ્ફોટ દરમિયાન ખૂબ ઊંચા તાપમાન (અંદાજે 5,000K) અને દબાણ (અંદાજે 2,000atm) સ્થાનિક સ્તરે પહોંચી જાય છે. પોલાણના બબલના વિસ્ફોટથી 280m/s વેગ સુધીના પ્રવાહી જેટ પણ પરિણમે છે. [સસલીક 1998]

ફિગ. 1: સ્થિર અને ક્ષણિક પોલાણ પરપોટાનું નિર્માણ. (a) વિસ્થાપન, (b) ક્ષણિક પોલાણ, (c) સ્થિર પોલાણ, (d) દબાણ
[સાન્તોસ એટ અલમાંથી અનુકૂલિત. 2009]

મોહોલકર વગેરે. (2000) જાણવા મળ્યું કે સૌથી વધુ પોલાણની તીવ્રતાના ક્ષેત્રમાં પરપોટા ક્ષણિક ગતિથી પસાર થાય છે, જ્યારે સૌથી ઓછી પોલાણ તીવ્રતાના ક્ષેત્રમાં પરપોટા સ્થિર/ઓસીલેટરી ગતિથી પસાર થાય છે. પરપોટાનું ક્ષણિક પતન જે સ્થાનિક તાપમાન અને દબાણ મેક્સિમામાં વધારો કરે છે તે રાસાયણિક સિસ્ટમો પર અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અવલોકન કરાયેલ અસરોના મૂળમાં છે.
અલ્ટ્રાસોનિકેશનની તીવ્રતા એ ઊર્જા ઇનપુટ અને સોનોટ્રોડ સપાટી વિસ્તારનું કાર્ય છે. આપેલ ઉર્જા ઇનપુટ માટે લાગુ પડે છે: સોનોટ્રોડનો સપાટી વિસ્તાર જેટલો મોટો છે, અલ્ટ્રાસાઉન્ડની તીવ્રતા ઓછી છે.
અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગો વિવિધ પ્રકારની અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમ્સ દ્વારા પેદા કરી શકાય છે. નીચેનામાં, અલ્ટ્રાસોનિક બાથનો ઉપયોગ કરીને સોનિકેશન, ખુલ્લા જહાજમાં અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ ડિવાઇસ અને ફ્લો સેલ ચેમ્બર સાથે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ ડિવાઇસ વચ્ચેના તફાવતોની તુલના કરવામાં આવશે.

કેવિટેશનલ હોટ સ્પોટ વિતરણની સરખામણી

અલ્ટ્રાસોનિક એપ્લિકેશન્સ માટે, અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ્સ (સોનોટ્રોડ્સ / શિંગડા) અને અલ્ટ્રાસોનિક બાથનો ઉપયોગ થાય છે. “અલ્ટ્રાસોનિકેશનની આ બે પદ્ધતિઓ પૈકી, નેનોપાર્ટિકલ્સ વિક્ષેપની અરજીમાં અલ્ટ્રાસોનિક બાથ કરતાં પ્રોબ સોનિકેશન વધુ અસરકારક અને શક્તિશાળી છે; અલ્ટ્રાસોનિક બાથ ડિવાઇસ આશરે 20-40 W/L અને ખૂબ જ બિન-સમાન વિતરણ સાથે નબળા અલ્ટ્રાસોનિકેશન પ્રદાન કરી શકે છે જ્યારે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ ડિવાઇસ પ્રવાહીમાં 20,000 W/L પ્રદાન કરી શકે છે. આમ, તેનો અર્થ એ છે કે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ ઉપકરણ 1000 ના પરિબળ દ્વારા અલ્ટ્રાસોનિક બાથ ઉપકરણને શ્રેષ્ઠ બનાવે છે.” (cf. અસદી એટ અલ., 2019)

કેવિટેશનલ હોટ સ્પોટ વિતરણની સરખામણી

અલ્ટ્રાસોનિક એપ્લિકેશનના ક્ષેત્રમાં, બંને અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ્સ (સોનોટ્રોડ્સ/હોર્ન્સ) અને અલ્ટ્રાસોનિક બાથ મુખ્ય ભૂમિકા ભજવે છે. જો કે, જ્યારે નેનોપાર્ટિકલ વિખેરવાની વાત આવે છે, ત્યારે પ્રોબ સોનિકેશન અલ્ટ્રાસોનિક બાથને નોંધપાત્ર રીતે આગળ કરે છે. અસદી એટ અલ મુજબ. (2019), અલ્ટ્રાસોનિક બાથ સામાન્ય રીતે અત્યંત બિન-સમાન વિતરણ સાથે લગભગ 20-40 W/L નું નબળું અલ્ટ્રાસોનિકેશન જનરેટ કરે છે. તેનાથી તદ્દન વિપરીત, અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ ડિવાઈસ પ્રવાહીમાં પ્રતિ લિટર 20,000 વોટ્સ આશ્ચર્યજનક રીતે પહોંચાડી શકે છે, જે 1000 ના પરિબળથી અલ્ટ્રાસોનિક બાથને વટાવી જાય તેવી અસરકારકતા દર્શાવે છે. આ ચિહ્નિત તફાવત પ્રોબ સોનીકેશનની શ્રેષ્ઠ ક્ષમતાને પ્રકાશિત કરે છે અને ડિસએન્ટિફૉર્મ ડિસઓપરેશન હાંસલ કરે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક બાથ

અલ્ટ્રાસોનિક સ્નાનમાં, પોલાણ બિન-સુસંગત અને અનિયંત્રિત રીતે ટાંકી દ્વારા વિતરિત થાય છે. sonication અસર ઓછી તીવ્રતા અને અસમાન રીતે ફેલાય છે. પ્રક્રિયાની પુનરાવર્તિતતા અને માપનીયતા ખૂબ નબળી છે.
નીચેનું ચિત્ર અલ્ટ્રાસોનિક ટાંકીમાં ફોઇલ પરીક્ષણના પરિણામો બતાવે છે. તેથી, પાણી ભરેલી અલ્ટ્રાસોનિક ટાંકીના તળિયે પાતળા એલ્યુમિનિયમ અથવા ટીન ફોઇલ મૂકવામાં આવે છે. સોનિકેશન પછી, એકલ ધોવાણના ચિહ્નો દેખાય છે. તે એકલ છિદ્રિત ફોલ્લીઓ અને વરખમાં છિદ્રો કેવિટેશનલ હોટ સ્પોટ્સ સૂચવે છે. ઓછી ઉર્જા અને ટાંકીની અંદર અલ્ટ્રાસાઉન્ડના અસમાન વિતરણને લીધે, ધોવાણના ગુણ માત્ર સ્પોટ મુજબ જ જોવા મળે છે. તેથી, અલ્ટ્રાસોનિક બાથનો ઉપયોગ મોટાભાગે સફાઈ એપ્લિકેશન માટે થાય છે.
 

અલ્ટ્રાસોનિક બાથ અથવા ટાંકીમાં, એકોસ્ટિક પોલાણની હોટ સ્પોટ ખૂબ અસમાન રીતે થાય છે.

 
નીચે આપેલા આંકડા અલ્ટ્રાસોનિક બાથમાં કેવિટેશનલ હોટ સ્પોટ્સનું અસમાન વિતરણ દર્શાવે છે. ફિગ. 2 માં, 20 ના તળિયે વિસ્તાર સાથે સ્નાન×10 સેમીનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે.
 

ફિગ.2 અલ્ટ્રાસોનિક બાથમાં અલ્ટ્રાસોનિક ક્ષેત્રનું અવકાશી વિતરણ બતાવે છે:
(a) સ્નાનમાં 1 લિટર પાણીનો ઉપયોગ કરવો અને (b) સ્નાનમાં કુલ 2 લિટર પાણીનો ઉપયોગ કરવો.
[નાસેન્ટીસ એટ અલ., 2010]

 
આકૃતિ 3 માં બતાવેલ માપ માટે, 12x10cm ની નીચેની જગ્યા સાથે અલ્ટ્રાસોનિક બાથનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે.

ફિગ. 3 અલ્ટ્રાસોનિક બાથમાં અલ્ટ્રાસોનિક ક્ષેત્રનું અવકાશી વિતરણ બતાવે છે:
(a) સ્નાનમાં 1 L પાણીનો ઉપયોગ કરવો અને (b) સ્નાનમાં કુલ 1.3 L પાણીનો ઉપયોગ કરવો.
[નાસેન્ટીસ એટ અલ., 2001]

 
બંને માપ દર્શાવે છે કે અલ્ટ્રાસોનિક ટાંકીમાં અલ્ટ્રાસોનિક ઇરેડિયેશન ક્ષેત્રનું વિતરણ ખૂબ જ અસમાન છે. સ્નાનમાં વિવિધ સ્થળોએ અલ્ટ્રાસોનિક ઇરેડિયેશનનો અભ્યાસ અલ્ટ્રાસોનિક બાથમાં પોલાણની તીવ્રતામાં નોંધપાત્ર અવકાશી ભિન્નતા દર્શાવે છે.

નીચેની આકૃતિ 4 અલ્ટ્રાસોનિક બાથની કાર્યક્ષમતા અને અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ ડિવાઇસની તુલના કરે છે જેનું ઉદાહરણ એઝો-ડાઇ મિથાઈલ વાયોલેટના ડીકોલરાઇઝેશન દ્વારા આપવામાં આવ્યું છે.

ફિગ. 4: અલ્ટ્રાસોનિક ટાંકીઓ અને બાથની ઓછી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઘનતાની તુલનામાં પ્રોબ-ટાઈપ સોનિકેટર્સ સ્થાનિક ખૂબ જ ઊંચી ઉર્જા તીવ્રતા જમાવે છે.

ધનલક્ષ્મી વગેરે. તેમના અભ્યાસમાં જાણવા મળ્યું છે કે પ્રોબ-ટાઈપ અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોમાં ટાંકી-પ્રકારની તુલનામાં ઉચ્ચ સ્થાનિક તીવ્રતા હોય છે અને તેથી, આકૃતિ 4 માં દર્શાવ્યા મુજબ વધુ સ્થાનિક અસર. આનો અર્થ એ છે કે સોનિકેશન પ્રક્રિયાની ઉચ્ચ તીવ્રતા અને કાર્યક્ષમતા.
ચિત્ર 4 માં બતાવ્યા પ્રમાણે અલ્ટ્રાસોનિક સેટઅપ, કંપનવિસ્તાર, દબાણ, તાપમાન, સ્નિગ્ધતા, સાંદ્રતા, રિએક્ટર વોલ્યુમ જેવા સૌથી મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો પર સંપૂર્ણ નિયંત્રણ માટે પરવાનગી આપે છે.

પ્રોબ-ટાઈપ સોનિકેટર્સના ફાયદા

અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ્સ અથવા સોનોટ્રોડ્સ ખાસ કરીને પ્રોબની ટોચ પર, ધ્યાન કેન્દ્રિત વિસ્તારમાં અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જાને કેન્દ્રિત કરવા માટે રચાયેલ છે. આ કેન્દ્રિત ઊર્જા ટ્રાન્સમિશન નમૂનાઓની ચોક્કસ અને કાર્યક્ષમ સારવાર માટે પરવાનગી આપે છે. જેમ જેમ પ્રોબ ડિઝાઇન ખાતરી કરે છે કે અલ્ટ્રાસોનિક ઉર્જાનો નોંધપાત્ર ભાગ નમૂના તરફ નિર્દેશિત થાય છે, ત્યારે અલ્ટ્રાસોનિક બાથની તુલનામાં ઊર્જા ટ્રાન્સફર નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પાવરનું આ કેન્દ્રિત ટ્રાન્સમિશન ખાસ કરીને સોનિકેશન પરિમાણો, જેમ કે સેલ વિક્ષેપ, નેનો-વિક્ષેપ, નેનોપાર્ટિકલ સિન્થેસિસ, ઇમલ્સિફિકેશન અને વનસ્પતિ નિષ્કર્ષણ પર ચોક્કસ નિયંત્રણની જરૂર હોય તેવા કાર્યક્રમો માટે ફાયદાકારક છે.
તેથી, પ્રોબ-ટાઈપ સોનિકેટર્સ ચોકસાઇ, નિયંત્રણ, લવચીકતા, કાર્યક્ષમતા અને માપનીયતાના સંદર્ભમાં અલ્ટ્રાસોનિક બાથ પર વિશિષ્ટ ફાયદાઓ પ્રદાન કરે છે, જે તેમને વૈજ્ઞાનિક અને ઔદ્યોગિક એપ્લિકેશનોની વિશાળ શ્રેણી માટે અનિવાર્ય સાધનો બનાવે છે.

ઓપન બીકર પ્રોસેસિંગ માટે પ્રોબ-ટાઈપ સોનિકેટર્સ

જ્યારે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ ઉપકરણનો ઉપયોગ કરીને નમૂનાઓને સોનિક કરવામાં આવે છે, ત્યારે તીવ્ર સોનિકેશન ઝોન સીધા સોનોટ્રોડ/પ્રોબની નીચે હોય છે. અલ્ટ્રાસોનિક ઇરેડિયેશન અંતર સોનોટ્રોડ ટીપના ચોક્કસ વિસ્તાર સુધી મર્યાદિત છે. (જુઓ તસવીર. 1)
ઓપન બીકરમાં અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાઓનો ઉપયોગ મોટાભાગે શક્યતા પરીક્ષણ અને નાના વોલ્યુમના નમૂના તૈયાર કરવા માટે થાય છે.

ઇનલાઇન પ્રોસેસિંગ માટે ફ્લો સેલ સાથે પ્રોબ-ટાઇપ સોનિકેટર્સ

બંધ ફ્લો-થ્રુ મોડમાં સતત પ્રોસેસિંગ દ્વારા સૌથી વધુ સુસંસ્કૃત સોનિકેશન પરિણામો પ્રાપ્ત થાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટર ચેમ્બરમાં ફ્લો પાથ અને રહેઠાણનો સમય નિયંત્રિત હોવાથી તમામ સામગ્રી પર સમાન અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તીવ્રતા દ્વારા પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક રિસર્ક્યુલેશન સેટ: ફ્લો સેલ, ટાંકી અને પંપ સાથે UIP1000hdT

આપેલ પરિમાણ રૂપરેખાંકન માટે અલ્ટ્રાસોનિક લિક્વિડ પ્રોસેસિંગના પ્રક્રિયા પરિણામો એ પ્રક્રિયા કરેલ વોલ્યુમ દીઠ ઊર્જાનું કાર્ય છે. વ્યક્તિગત પરિમાણોમાં ફેરફાર સાથે કાર્ય બદલાય છે. વધુમાં, અલ્ટ્રાસોનિક યુનિટના સોનોટ્રોડના સપાટી વિસ્તાર દીઠ વાસ્તવિક પાવર આઉટપુટ અને તીવ્રતા પરિમાણો પર આધાર રાખે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસિંગની કેવિટેશનલ અસર સપાટીની તીવ્રતા પર આધાર રાખે છે જે કંપનવિસ્તાર (A), દબાણ (p), રિએક્ટર વોલ્યુમ (VR), તાપમાન (T), સ્નિગ્ધતા (η) અને અન્ય દ્વારા વર્ણવવામાં આવે છે. વત્તા અને બાદબાકીના ચિહ્નો sonication તીવ્રતા પર ચોક્કસ પરિમાણના હકારાત્મક અથવા નકારાત્મક પ્રભાવને સૂચવે છે.

સોનિકેશન પ્રક્રિયાના સૌથી મહત્વપૂર્ણ પરિમાણને નિયંત્રિત કરીને પ્રક્રિયા સંપૂર્ણપણે પુનરાવર્તિત થઈ શકે છે અને પ્રાપ્ત પરિણામોને સંપૂર્ણપણે રેખીય માપી શકાય છે. સોનોટ્રોડ્સના વિવિધ પ્રકારો અને અલ્ટ્રાસોનિક ફ્લો સેલ રિએક્ટર ચોક્કસ પ્રક્રિયા જરૂરિયાતોને અનુકૂલન માટે પરવાનગી આપે છે.

સારાંશ: પ્રોબ-ટાઈપ સોનિકેટર વિ અલ્ટ્રાસોનિક બાથ

જ્યારે અલ્ટ્રાસોનિક સ્નાન આશરે સાથે નબળા સોનિકેશન પ્રદાન કરે છે. 20 વોટ્સ પ્રતિ લીટર, માત્ર અને ખૂબ જ બિન-સમાન વિતરણ, પ્રોબ-ટાઈપ સોનિકેટર્સ લગભગ સરળતાથી જોડી શકે છે. 20000 વોટ્સ પ્રતિ લિટર પ્રોસેસ્ડ માધ્યમમાં. આનો અર્થ એ છે કે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ-ટાઇપ સોનિકેટર ધ્યાન કેન્દ્રિત અને સમાન અલ્ટ્રાસોનિક પાવર ઇનપુટને કારણે 1000 (વોલ્યુમ દીઠ 1000x ઉચ્ચ ઊર્જા ઇનપુટ) ના પરિબળ દ્વારા અલ્ટ્રાસોનિક બાથને શ્રેષ્ઠ બનાવે છે. સૌથી મહત્વપૂર્ણ sonication પરિમાણો પર સંપૂર્ણ નિયંત્રણ સંપૂર્ણપણે પુનઃઉત્પાદન પરિણામો અને પ્રક્રિયા પરિણામોની રેખીય માપનીયતા સુનિશ્ચિત કરે છે.