પ્રવાહી માં અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણ

ઉચ્ચ તીવ્રતા અલ્ટ્રાસાઉન્ડના અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો પ્રવાહીમાં એકોસ્ટિક પોલાણ પેદા કરે છે. પોલાણ સ્થાનિક રીતે આત્યંતિક અસરોનું કારણ બને છે, જેમ કે 1000km/hr સુધીના પ્રવાહી જેટ, 2000 atm સુધીનું દબાણ અને 5000 કેલ્વિન સુધીનું તાપમાન. આ અલ્ટ્રાસોનિકલી જનરેટેડ ફોર્સનો ઉપયોગ અસંખ્ય લિક્વિડ પ્રોસેસિંગ એપ્લીકેશન્સ માટે થાય છે જેમ કે હોમોજેનાઇઝેશન, ડિસ્પર્સિંગ, ઇમલ્સિફિકેશન, એક્સટ્રક્શન, સેલ ડિસ્ટ્રક્શન, તેમજ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓની તીવ્રતા.

અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણનો કાર્યકારી સિદ્ધાંત

જ્યારે ઉચ્ચ તીવ્રતા પર પ્રવાહીને સોનિક કરે છે, ત્યારે પ્રવાહી માધ્યમોમાં પ્રચાર કરતા ધ્વનિ તરંગો આવર્તન પર આધારીત દર સાથે, ઉચ્ચ-દબાણ (સંકોચન) અને નીચા-દબાણ (વિરલ) ચક્રમાં પરિણમે 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.

એકોસ્ટિક પોલાણ (પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દ્વારા જનરેટ) સ્થાનિક રીતે આત્યંતિક પરિસ્થિતિઓ બનાવે છે, કહેવાતા સોનોમેકેનિકલ અને સોનોકેમિકલ અસરો. આ અસરોને લીધે, સોનિકેશન રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને પ્રોત્સાહન આપે છે જે ઉચ્ચ ઉપજ, ઝડપી પ્રતિક્રિયા ઝડપ, નવા માર્ગો અને એકંદર કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરે છે.

એકોસ્ટિક પોલાણનો ઉપયોગ કરીને અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સની મુખ્ય એપ્લિકેશનો

પ્રોબ-ટાઈપ અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ, જેને અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ્સ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તે પ્રવાહીમાં અસરકારક રીતે તીવ્ર એકોસ્ટિક પોલાણ પેદા કરે છે. તેથી, તેઓ વિવિધ ઉદ્યોગોમાં વિવિધ કાર્યક્રમોમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. પ્રોબ-ટાઈપ અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ દ્વારા જનરેટ કરાયેલા એકોસ્ટિક કેવિટેશનના કેટલાક સૌથી મહત્વપૂર્ણ કાર્યક્રમોમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે:
 

1. એકરૂપીકરણ: અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ્સ તીવ્ર પોલાણ પેદા કરી શકે છે, જે સ્પંદન અને શીયર ફોર્સના ઊર્જા-ગાઢ ક્ષેત્ર તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે. આ દળો ઉત્તમ મિશ્રણ, મિશ્રણ અને કણોના કદમાં ઘટાડો પૂરો પાડે છે. અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજેનાઇઝેશન સમાન રીતે મિશ્રિત સસ્પેન્શન ઉત્પન્ન કરે છે. તેથી, સોનિકેશનનો ઉપયોગ સાંકડી વિતરણ વણાંકો સાથે સજાતીય કોલોઇડલ સસ્પેન્શન ઉત્પન્ન કરવા માટે થાય છે.
2. નેનોપાર્ટિકલ ડિસ્પરશન: અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ નેનોપાર્ટિકલ્સના વિક્ષેપ, ડિગગ્લોમેરેશન અને વેટ-મિલીંગ માટે કાર્યરત છે. ઓછી-આવર્તન અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગો પ્રભાવશાળી પોલાણ પેદા કરી શકે છે, જે સમૂહને તોડે છે અને કણોનું કદ ઘટાડે છે. ખાસ કરીને લિક્વિડ જેટ્સનું ઊંચું શીયર પ્રવાહીમાં રહેલા કણોને વેગ આપે છે, જે એકબીજા સાથે અથડાય છે (આંતરપાર્ટિક્યુલેટ અથડામણ) જેથી કણો પરિણામે તૂટી જાય છે અને ક્ષીણ થઈ જાય છે. આના પરિણામે કણોનું એકસમાન અને સ્થિર વિતરણ થાય છે જે કાંપને અટકાવે છે. નેનો ટેકનોલોજી, સામગ્રી વિજ્ઞાન અને ફાર્માસ્યુટિકલ્સ સહિત વિવિધ ક્ષેત્રોમાં આ નિર્ણાયક છે.
3. પ્રવાહી મિશ્રણ અને મિશ્રણ: પ્રોબ-પ્રકાર અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સનો ઉપયોગ પ્રવાહી મિશ્રણ બનાવવા અને મિશ્રણ કરવા માટે થાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક ઉર્જા પોલાણનું કારણ બને છે, માઇક્રોસ્કોપિક પરપોટાનું નિર્માણ અને પતન થાય છે, જે તીવ્ર સ્થાનિક શીયર ફોર્સ પેદા કરે છે. આ પ્રક્રિયા અવ્યવસ્થિત પ્રવાહીનું મિશ્રણ કરવામાં મદદ કરે છે, સ્થિર અને બારીક વિખરાયેલા પ્રવાહીનું ઉત્પાદન કરે છે.
4. નિષ્કર્ષણ: કેવિટેશનલ શીયર ફોર્સિસને લીધે, અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ સેલ્યુલર સ્ટ્રક્ચરને વિક્ષેપિત કરવામાં અને ઘન અને પ્રવાહી વચ્ચે સામૂહિક ટ્રાન્સફરને સુધારવામાં અત્યંત કાર્યક્ષમ છે. તેથી, ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા વનસ્પતિ અર્કના ઉત્પાદન માટે બાયોએક્ટિવ સંયોજનો જેવી આંતરકોશીય સામગ્રીને મુક્ત કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક નિષ્કર્ષણનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે.
5. ડિગાસિંગ અને ડીએરેશન: પ્રોબ-ટાઈપ અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સનો ઉપયોગ પ્રવાહીમાંથી ગેસના પરપોટા અથવા ઓગળેલા વાયુઓને દૂર કરવા માટે કરવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણનો ઉપયોગ ગેસના પરપોટાના સંકલનને પ્રોત્સાહન આપે છે જેથી તે પ્રવાહીની ટોચ પર વધે અને તરતા રહે. અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણ ડિગેસિફિકેશનને ઝડપી અને કાર્યક્ષમ પ્રક્રિયા બનાવે છે. આ વિવિધ ઉદ્યોગોમાં મૂલ્યવાન છે, જેમ કે પેઇન્ટ, હાઇડ્રોલિક પ્રવાહી અથવા ખોરાક અને પીણાની પ્રક્રિયામાં, જ્યાં વાયુઓની હાજરી ઉત્પાદનની ગુણવત્તા અને સ્થિરતાને નકારાત્મક અસર કરી શકે છે.
6. Sonocatalysis: અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ્સનો ઉપયોગ સોનોકેટાલિસિસ માટે થઈ શકે છે, એક પ્રક્રિયા જે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને વધારવા માટે ઉત્પ્રેરક સાથે એકોસ્ટિક પોલાણને જોડે છે. અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ પોલાણ સામૂહિક સ્થાનાંતરણને સુધારે છે, પ્રતિક્રિયા દરમાં વધારો કરે છે અને મુક્ત રેડિકલના ઉત્પાદનને પ્રોત્સાહન આપે છે, જે વધુ કાર્યક્ષમ અને પસંદગીયુક્ત રાસાયણિક પરિવર્તન તરફ દોરી જાય છે.
7. નમૂનાની તૈયારી: પ્રોબ-પ્રકાર અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે પ્રયોગશાળાઓમાં નમૂનાની તૈયારી માટે થાય છે. તેઓ કોષો, પેશીઓ અને વાયરસ જેવા જૈવિક નમૂનાઓને એકરૂપ બનાવવા, અલગ કરવા અને કાઢવા માટે વપરાય છે. ચકાસણી દ્વારા ઉત્પન્ન થતી અલ્ટ્રાસોનિક ઉર્જા કોષ પટલને વિક્ષેપિત કરે છે, સેલ્યુલર સામગ્રીઓને મુક્ત કરે છે અને વધુ વિશ્લેષણની સુવિધા આપે છે.
8. વિઘટન અને કોષ વિક્ષેપ: પ્રોબ-ટાઈપ અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સનો ઉપયોગ વિવિધ હેતુઓ માટે કોષો અને પેશીઓને વિઘટન કરવા અને વિક્ષેપિત કરવા માટે થાય છે, જેમ કે અંતઃકોશિક ઘટકોનું નિષ્કર્ષણ, માઇક્રોબાયલ નિષ્ક્રિયકરણ અથવા વિશ્લેષણ માટે નમૂનાની તૈયારી. ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો અને તેના દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ પોલાણ યાંત્રિક તાણ અને શીયર ફોર્સનું કારણ બને છે, પરિણામે કોષની રચનાઓનું વિઘટન થાય છે. જૈવિક સંશોધન અને તબીબી ડાયગ્નોસ્ટિક્સમાં, પ્રોબ-પ્રકાર અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સનો ઉપયોગ સેલ લિસિસ માટે થાય છે, જે તેમના અંતઃકોશિક ઘટકોને મુક્ત કરવા માટે ખુલ્લા કોષોને તોડવાની પ્રક્રિયા છે. અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જા કોષની દિવાલો, પટલ અને ઓર્ગેનેલ્સને વિક્ષેપિત કરે છે, પ્રોટીન, ડીએનએ, આરએનએ અને અન્ય સેલ્યુલર ઘટકોના નિષ્કર્ષણને સક્ષમ કરે છે.

 
પ્રોબ-ટાઈપ અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સની આ કેટલીક ચાવીરૂપ એપ્લિકેશનો છે, પરંતુ ટેક્નોલોજીમાં સોનોકેમિસ્ટ્રી, પાર્ટિકલ સાઈઝ રિડક્શન (વેટ-મિલિંગ), બોટમ-અપ પાર્ટિકલ સિન્થેસિસ અને રાસાયણિક પદાર્થોના સોનો-સિન્થેસિસ સહિત અન્ય ઉપયોગોની પણ વ્યાપક શ્રેણી છે. અને ફાર્માસ્યુટિકલ્સ, ફૂડ પ્રોસેસિંગ, બાયોટેકનોલોજી અને પર્યાવરણીય વિજ્ઞાન જેવા વિવિધ ઉદ્યોગોમાં સામગ્રી.

પાણીમાં ગ્રેફાઇટ ફ્લેકના સોનો-મિકેનિકલ એક્સ્ફોલિયેશનને દર્શાવતી ફ્રેમનો હાઇ-સ્પીડ સિક્વન્સ (a થી f) UP200S નો ઉપયોગ કરીને, 3-mm સોનોટ્રોડ સાથે 200W અલ્ટ્રાસોનિકેટર. તીરો વિભાજનમાં પ્રવેશતા પોલાણ પરપોટા સાથે વિભાજીત કણોનું સ્થાન દર્શાવે છે.
© Tyurnina et al. 2020

પ્રવાહીમાં એકોસ્ટિક પોલાણનો વિડિઓ

નીચેનો વિડિયો પાણીથી ભરેલા કાચના સ્તંભમાં અલ્ટ્રાસોનિકેટર UIP1000hdT ના કેસ્કેટ્રોડ પર એકોસ્ટિક પોલાણ દર્શાવે છે. પોલાણ પરપોટાના વિઝ્યુલાઇઝેશનને સુધારવા માટે કાચના સ્તંભને લાલ પ્રકાશ દ્વારા નીચેથી પ્રકાશિત કરવામાં આવે છે.

નીચે આપેલ કોષ્ટક તમને અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સની અંદાજિત પ્રોસેસિંગ ક્ષમતાનો સંકેત આપે છે: