अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण और कणसमूहों का विघटन
द्रवों में ठोस पदार्थों का परिक्षेपण और कणसमूहों का विघटन, उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड और प्रोब-प्रकार के सोनिकेटरों का एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग है। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन असाधारण रूप से उच्च अपरूपण उत्पन्न करता है, जो कणसमूहों को तोड़कर अलग-अलग परिक्षेपित कणों में बदल देता है। स्थानीय रूप से केंद्रित उच्च अपरूपण बलों के कारण, सोनिकेशन प्रयोगों, अनुसंधान और विकास तथा निश्चित रूप से औद्योगिक उत्पादन के लिए माइक्रोन और नैनो आकार के परिक्षेपण तैयार करने के लिए आदर्श है।
पेंट, स्याही, सौंदर्य प्रसाधन, पेय पदार्थ, हाइड्रोजेल या पॉलिशिंग माध्यम जैसे विभिन्न उत्पादों के सूत्रण में पाउडर को द्रवों में मिलाना एक सामान्य चरण है। अलग-अलग कण विभिन्न भौतिक और रासायनिक प्रकृति के आकर्षण बलों से एक साथ जुड़े रहते हैं, जिनमें वान डर वाल्स बल और द्रव का पृष्ठ तनाव शामिल हैं। पॉलिमर या रेज़िन जैसे अधिक श्यानता वाले द्रवों में यह प्रभाव अधिक प्रबल होता है। कणसमूहों को विघटित करने और कणों को द्रव माध्यमों में परिक्षेपित करने के लिए इन आकर्षण बलों पर काबू पाना आवश्यक है। नीचे पढ़ें कि प्रयोगशाला और उद्योग में सबमाइक्रोन और नैनो आकार के कणों के परिक्षेपण के लिए अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र श्रेष्ठ परिक्षेपण उपकरण क्यों हैं।
अल्ट्रासोनिकेटर UP400St से बैचों में नैनोकणों के परिक्षेपण तैयार किए जाते हैं।
द्रवों में ठोस पदार्थों का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण
अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र का कार्य सिद्धांत ध्वनिक कैविटेशन की घटना पर आधारित है। ध्वनिक कैविटेशन अत्यंत प्रबल अपरूपण बलों सहित तीव्र भौतिक बल उत्पन्न करने के लिए जाना जाता है। यांत्रिक प्रतिबल लगाने से कणसमूह टूट जाते हैं। साथ ही, द्रव दबाव के कारण कणों के बीच प्रवेश करता है।
द्रवों में पाउडर के परिक्षेपण के लिए उच्च-दाब होमोजेनाइज़र, एजिटेटर बीड मिल, इम्पिंजिंग जेट मिल और रोटर-स्टेटर मिक्सर जैसी विभिन्न प्रौद्योगिकियाँ व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं। हालाँकि, अल्ट्रासोनिक परिक्षेपकों के महत्वपूर्ण लाभ हैं। नीचे पढ़ें कि अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण कैसे काम करता है और इसके क्या लाभ हैं।
अल्ट्रासोनिक कैविटेशन और परिक्षेपण का कार्य सिद्धांत
सोनिकेशन के दौरान, उच्च-आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगें द्रव माध्यम में बारी-बारी से संपीड़न और विरलन के क्षेत्र बनाती हैं। माध्यम से गुजरते समय ध्वनि तरंगें ऐसे बुलबुले बनाती हैं जो तेज़ी से फैलते हैं और फिर प्रचंड रूप से ध्वस्त हो जाते हैं। इस प्रक्रिया को ध्वनिक कैविटेशन कहा जाता है। बुलबुलों के ध्वस्त होने से उच्च-दाब वाली आघात तरंगें, सूक्ष्म जेट और अपरूपण बल उत्पन्न होते हैं, जो बड़े कणों और कणसमूहों को तोड़कर छोटे कणों में बदल सकते हैं। अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण प्रक्रियाओं में, परिक्षेपण में मौजूद कण स्वयं पिसाई माध्यम के रूप में कार्य करते हैं। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन के अपरूपण बलों से त्वरित होकर कण आपस में टकराते हैं और टूटकर अत्यंत छोटे टुकड़ों में बदल जाते हैं। चूँकि अल्ट्रासोनिक रूप से उपचारित परिक्षेपण में कोई बीड या मोती नहीं मिलाए जाते, इसलिए पिसाई माध्यमों को अलग करने और साफ़ करने की समय-साध्य तथा श्रम-साध्य प्रक्रियाओं के साथ-साथ संदूषण से भी पूरी तरह बचा जाता है।
इसी कारण सोनिकेशन कणों को परिक्षेपित करने और कणसमूहों को विघटित करने में इतना प्रभावी है, यहाँ तक कि उन कणों के लिए भी जिन्हें अन्य विधियों से तोड़ना कठिन होता है। इससे कणों का अधिक एकसमान वितरण होता है, जिससे उत्पाद की गुणवत्ता और कार्य-प्रदर्शन बेहतर होते हैं।
इसके अतिरिक्त, सोनिकेशन नैनोस्फीयर, नैनोक्रिस्टल, नैनोशीट, नैनोफाइबर, नैनोवायर, कोर-शेल कणों और अन्य जटिल संरचनाओं जैसे नैनोपदार्थों को आसानी से संभाल सकता है, परिक्षेपित कर सकता है और उनका संश्लेषण कर सकता है।
इसके अलावा, सोनिकेशन अपेक्षाकृत कम समय में किया जा सकता है, जो अन्य परिक्षेपण तकनीकों की तुलना में एक प्रमुख लाभ है।
वैकल्पिक मिश्रण प्रौद्योगिकियों की तुलना में अल्ट्रासोनिक परिक्षेपकों के लाभ
अल्ट्रासोनिक परिक्षेपक उच्च-दाब होमोजेनाइज़र, बीड मिलिंग या रोटर-स्टेटर मिश्रण जैसी वैकल्पिक मिश्रण प्रौद्योगिकियों की तुलना में कई लाभ प्रदान करते हैं। कुछ सबसे प्रमुख लाभों में शामिल हैं:
- कणों का आकार घटाने की बेहतर क्षमता: अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सर कणों का आकार प्रभावी ढंग से घटाकर नैनोमीटर सीमा तक ला सकते हैं, जो कई अन्य मिश्रण तकनीकों से संभव नहीं है। इससे वे उन अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनते हैं जहाँ कणों का महीन आकार अत्यंत आवश्यक है।
- अधिक तेज़ मिश्रण: अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सर कई अन्य तकनीकों की तुलना में सामग्रियों को अधिक तेज़ी से मिला और परिक्षेपित कर सकते हैं, जिससे समय बचता है और उत्पादकता बढ़ती है।
- कोई संदूषण नहीं: अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सर में बीड्स या मोतियों जैसे पिसाई माध्यमों के उपयोग की आवश्यकता नहीं होती, जो घर्षण के कारण परिक्षेपण को संदूषित करते हैं।
- बेहतर उत्पाद गुणवत्ता: अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सर अधिक एकसमान मिश्रण और निलंबन बना सकते हैं, जिससे उत्पाद की गुणवत्ता और एकरूपता बेहतर होती है। विशेष रूप से प्रवाहशील मोड में, परिक्षेपण स्लरी अत्यंत नियंत्रित ढंग से अल्ट्रासोनिक कैविटेशन क्षेत्र से गुज़रती है, जिससे बहुत एकसमान उपचार सुनिश्चित होता है।
- कम ऊर्जा खपत: अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सर को आम तौर पर अन्य तकनीकों की तुलना में कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिससे परिचालन लागत घटती है।
- बहुमुखी उपयोग: अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सर का उपयोग होमोजेनाइज़ेशन, पायसीकरण, परिक्षेपण और कण-समुच्चय विघटन सहित अनेक अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है। वे अपघर्षक सामग्रियों, रेशों, संक्षारक तरल पदार्थों और यहाँ तक कि गैसों सहित विभिन्न प्रकार की सामग्रियों का प्रसंस्करण भी कर सकते हैं।
प्रक्रिया के इन लाभों के साथ-साथ विश्वसनीयता और सरल संचालन के कारण, अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सर वैकल्पिक मिश्रण तकनीकों से बेहतर प्रदर्शन करते हैं, जिससे वे कई औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए एक लोकप्रिय विकल्प बनते हैं।
UIP1000hdT (1000 वाट) अल्ट्रासोनिकेटर वार्निशों में नैनोफिलर परिक्षेपित करते हुए
पानी में फ्यूम्ड सिलिका का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण: अल्ट्रासोनिकेशन से पहले समुच्चयित सिलिका कणों का आकार 200 माइक्रोन (D50) से अधिक होता है। फ्यूम्ड सिलिका के अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण के बाद अधिकांश कणों का आकार घटकर 200 नैनोमीटर से कम हो गया।
किसी भी पैमाने पर अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण और कण-समुच्चय विघटन
Hielscher बैच या इनलाइन प्रसंस्करण में किसी भी आयतन के परिक्षेपण और कण-समुच्चय विघटन के लिए अल्ट्रासोनिक उपकरण प्रदान करता है। प्रयोगशाला के अल्ट्रासोनिक उपकरणों का उपयोग 1.5mL से लगभग 2L तक के आयतन के लिए किया जाता है। औद्योगिक अल्ट्रासोनिक उपकरणों का उपयोग प्रक्रिया विकास और उत्पादन में 0.5 से लगभग 2000L तक के बैचों या 0.1L से 20m³ प्रति घंटे तक की प्रवाह दरों के लिए किया जाता है।
Hielscher Ultrasonics के औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर बहुत उच्च आयाम प्रदान कर सकते हैं, जिससे कणों को विश्वसनीय ढंग से परिक्षेपित किया जाता है और पीसकर नैनो-पैमाने तक लाया जाता है। 200µm तक के आयामों पर 24/7 संचालन में आसानी से लगातार काम किया जा सकता है। इससे भी अधिक आयामों के लिए, आवश्यकतानुसार अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं।
औद्योगिक इनलाइन परिक्षेपण के लिए औद्योगिक पावर अल्ट्रासाउंड प्रणाली MultiSonoReactor: उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिकेटर नैनोपरिक्षेपणों के उत्पादन के लिए विश्वसनीय और अत्यधिक कुशल इनलाइन मिश्रण प्रणालियाँ हैं।
| बैच आयतन | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 0.5 से 1.5mL | n.a. | VialTweeter | 1 से 500mL | 10 से 200mL/min | UP100H |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 से 100L | 2 से 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 से 150L | 3 से 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 से 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | इससे अधिक | समूह में संयोजित UIP16000 |
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UIP1000hdT (1000 वाट) अल्ट्रासोनिकेटर वार्निशों में नैनोफिलर परिक्षेपित करते हुए
अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण के लाभ: पैमाना बढ़ाना आसान
अन्य परिक्षेपण तकनीकों से भिन्न, अल्ट्रासोनिकेशन का पैमाना प्रयोगशाला से उत्पादन स्तर तक आसानी से बढ़ाया जा सकता है। प्रयोगशाला परीक्षणों से आवश्यक उपकरण का आकार सटीक रूप से चुना जा सकता है। अंतिम पैमाने पर उपयोग किए जाने पर, प्रक्रिया के परिणाम प्रयोगशाला के परिणामों के समान होते हैं।
अल्ट्रासोनिकेटर: मज़बूत और साफ़ करने में आसान
अल्ट्रासोनिक शक्ति सोनोट्रोड के माध्यम से द्रव में संचारित होती है। यह आम तौर पर घूर्णन सममिति वाला एक पुर्जा होता है, जिसे विमान निर्माण की गुणवत्ता वाले ठोस टाइटेनियम की मशीनिंग करके बनाया जाता है। द्रव के संपर्क में आने वाला यही एकमात्र गतिशील / कंपन करने वाला पुर्जा भी है। यही एकमात्र पुर्जा है जो घिसता है, और इसे कुछ ही मिनटों में आसानी से बदला जा सकता है। कंपन को अलग करने वाले फ्लैंज सोनोट्रोड को खुले या बंद, दाबित किए जा सकने वाले पात्रों या प्रवाह सेलों में किसी भी अभिविन्यास में लगाने की सुविधा देते हैं। किसी बेयरिंग की आवश्यकता नहीं होती। द्रव के संपर्क में आने वाले अन्य सभी पुर्जे आम तौर पर स्टेनलेस स्टील के बने होते हैं। प्रवाह सेल रिएक्टरों की ज्यामिति सरल होती है और उन्हें आसानी से खोलकर साफ़ किया जा सकता है, जैसे द्रव बहाकर और अंदर से पोंछकर। इनमें कोई छोटे छिद्र या छिपे हुए कोने नहीं होते।
अल्ट्रासोनिक क्लीन-इन-प्लेस सफ़ाई
अल्ट्रासाउंड सफ़ाई के अपने अनुप्रयोगों, जैसे सतहों और पुर्जों की सफ़ाई, के लिए प्रसिद्ध है। परिक्षेपण अनुप्रयोगों में इस्तेमाल की जाने वाली अल्ट्रासोनिक तीव्रता सामान्य अल्ट्रासोनिक सफ़ाई की तुलना में बहुत अधिक होती है। अल्ट्रासोनिक उपकरण के द्रव के संपर्क में आने वाले पुर्जों की सफ़ाई के दौरान, द्रव बहाते और खंगालते समय सफ़ाई में सहायता के लिए अल्ट्रासोनिक शक्ति का उपयोग किया जा सकता है, क्योंकि अल्ट्रासोनिक / ध्वनिक कैविटेशन सोनोट्रोड और प्रवाह सेल की दीवारों से कणों और द्रव के अवशेषों को हटा देता है।
साहित्य / संदर्भ
- 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.
अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र UIP6000hdT बड़ी प्रसंस्करण क्षमताओं पर औद्योगिक इनलाइन प्रसंस्करण के लिए।
Hielscher Ultrasonics उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र बनाती है, जिनके आकार प्रयोगशाला स्तर से लेकर औद्योगिक स्तर तक होते हैं।