जांच-प्रकार सोनिकेशन बनाम अल्ट्रासोनिक स्नान: एक दक्षता तुलना
सोनिकेशन प्रक्रियाओं को एक जांच-प्रकार अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र या अल्ट्रासोनिक स्नान के उपयोग से किया जा सकता है। हालांकि, दोनों तकनीकें नमूने पर अल्ट्रासाउंड लागू करती हैं, प्रभावशीलता, दक्षता और प्रक्रिया क्षमताओं में महत्वपूर्ण अंतर हैं।
सोनिकेटिंग तरल पदार्थ के वांछित प्रभाव – समरूपीकरण, फैलाव, deagglomeration, मिलिंग, पायसीकरण, निष्कर्षण, lysis, विघटन, sonochemistry सहित - ध्वनिक cavitation के कारण होते हैं। एक तरल माध्यम में उच्च शक्ति अल्ट्रासाउंड शुरू करके, ध्वनि तरंगों को तरल पदार्थ में प्रेषित किया जाता है और आवृत्ति के आधार पर दरों के साथ बारी-बारी से उच्च दबाव (संपीड़न) और कम दबाव (दुर्लभ) चक्र बनाते हैं। कम दबाव चक्र के दौरान, उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें तरल में छोटे वैक्यूम बुलबुले या voids बनाती हैं। जब बुलबुले एक मात्रा प्राप्त करते हैं जिस पर वे अब ऊर्जा को अवशोषित नहीं कर सकते हैं, तो वे उच्च दबाव चक्र के दौरान हिंसक रूप से ढह जाते हैं। इस घटना को गुहिकायन कहा जाता है। विस्फोट के दौरान बहुत अधिक तापमान (लगभग 5,000K) और दबाव (लगभग 2,000atm) स्थानीय रूप से पहुंच जाते हैं। गुहिकायन बुलबुले के विस्फोट के परिणामस्वरूप 280m/s वेग तक के तरल जेट भी होते हैं। [सुस्लिक 1998]
जांच-प्रकार sonicator बनाम अल्ट्रासोनिक स्नान – अन्वेषण करें कि जांच-प्रकार के सोनिकेटर दक्षता और विश्वसनीयता में उत्कृष्टता क्यों प्राप्त करते हैं
चित्र 1: स्थिर और क्षणिक गुहिकायन बुलबुले का निर्माण। (a) विस्थापन, (b) क्षणिक गुहिकायन, (c) स्थिर गुहिकायन, (d) दबाव
[सैंटोस एट अल 2009 से अनुकूलित]
मोहोल्कर एवं अन्य (2000) ने पाया कि उच्चतम गुहिकायन तीव्रता वाले क्षेत्र में बुलबुले क्षणिक गति से गुजरते हैं, जबकि सबसे कम गुहिकायन तीव्रता वाले क्षेत्र में बुलबुले स्थिर/दोलन गति से गुजरते हैं। बुलबुले का क्षणिक पतन जो स्थानीय तापमान और दबाव मैक्सिमा को जन्म देता है, रासायनिक प्रणालियों पर अल्ट्रासाउंड के देखे गए प्रभावों की जड़ में है।
अल्ट्रासोनिकेशन की तीव्रता ऊर्जा इनपुट और सोनोट्रोड सतह क्षेत्र का एक कार्य है। किसी दिए गए ऊर्जा इनपुट के लिए लागू होता है: सोनोट्रोड का सतह क्षेत्र जितना बड़ा होगा, अल्ट्रासाउंड की तीव्रता उतनी ही कम होगी।
अल्ट्रासाउंड तरंगों को विभिन्न प्रकार के अल्ट्रासोनिक सिस्टम द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है। निम्नलिखित में, अल्ट्रासोनिक स्नान का उपयोग करके सोनीशन, एक खुले पोत में अल्ट्रासोनिक जांच डिवाइस और प्रवाह सेल कक्ष के साथ अल्ट्रासोनिक जांच डिवाइस के बीच अंतर की तुलना की जाएगी।
कैविटेशनल हॉट स्पॉट वितरण की तुलना
अल्ट्रासोनिक अनुप्रयोगों के लिए, अल्ट्रासोनिक जांच (सोनोट्रोड्स / सींग) और अल्ट्रासोनिक स्नान का उपयोग किया जाता है। “अल्ट्रासोनिकेशन के इन दो तरीकों में, नैनोकणों के फैलाव के आवेदन में अल्ट्रासोनिक स्नान की तुलना में जांच सोनिकेशन अधिक प्रभावी और शक्तिशाली है; अल्ट्रासोनिक स्नान उपकरण लगभग 20-40 W/L और एक बहुत ही गैर-समान वितरण के साथ एक कमजोर अल्ट्रासोनिकेशन प्रदान कर सकता है जबकि अल्ट्रासोनिक जांच उपकरण द्रव में 20,000 W/L प्रदान कर सकता है। इस प्रकार, इसका मतलब है कि एक अल्ट्रासोनिक जांच डिवाइस 1000 के कारक द्वारा अल्ट्रासोनिक स्नान डिवाइस को उत्कृष्ट बनाता है।” (सीएफ. असदी एट अल., 2019)
कैविटेशनल हॉट स्पॉट वितरण की तुलना
अल्ट्रासोनिक अनुप्रयोगों के दायरे में, अल्ट्रासोनिक जांच (सोनोट्रोड्स/सींग) और अल्ट्रासोनिक स्नान दोनों महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। हालांकि, जब नैनोपार्टिकल फैलाव की बात आती है, तो जांच सोनिकेशन अल्ट्रासोनिक स्नान से काफी बेहतर प्रदर्शन करता है। Asadi et al. (2019) नुसार, अल्ट्रासोनिक स्नान सामान्यतया अत्यधिक असमान वितरणासह सुमारे 20-40 W/L चे दुर्बल अल्ट्रासोनिकेशन उत्परूत्ते. इसके विपरीत, अल्ट्रासोनिक जांच उपकरण तरल पदार्थ में आश्चर्यजनक रूप से 20,000 वाट प्रति लीटर वितरित कर सकते हैं, जो एक प्रभावशीलता प्रदर्शित करता है जो 1000 के कारक से अल्ट्रासोनिक स्नान को पार करता है। यह चिह्नित अंतर कुशल और समान नैनोपार्टिकल फैलाव को प्राप्त करने में जांच सोनिकेशन की बेहतर क्षमता पर प्रकाश डालता है।
अल्ट्रासोनिक स्नान
एक अल्ट्रासोनिक स्नान में, गुहिकायन गैर-अनुरूप और अनियंत्रित रूप से टैंक के माध्यम से वितरित होता है। सोनिकेशन प्रभाव कम तीव्रता और असमान रूप से फैला हुआ है। प्रक्रिया की पुनरावृत्ति और मापनीयता बहुत खराब है।
नीचे दी गई तस्वीर एक अल्ट्रासोनिक टैंक में पन्नी परीक्षण के परिणाम दिखाती है। इसलिए, एक पतली एल्यूमीनियम या टिन पन्नी एक पानी से भरे अल्ट्रासोनिक टैंक के तल पर रखा गया है। सोनिकेशन के बाद, एकल क्षरण के निशान दिखाई देते हैं। पन्नी में उन एकल छिद्रित धब्बे और छेद कैविटेशनल हॉट स्पॉट को इंगित करते हैं। कम ऊर्जा और टैंक के भीतर अल्ट्रासाउंड के असमान वितरण के कारण, कटाव के निशान केवल स्पॉट-वार होते हैं। इसलिए, अल्ट्रासोनिक स्नान ज्यादातर सफाई अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है।
एक अल्ट्रासोनिक स्नान या टैंक में, ध्वनिक कैविटेशन का गर्म स्थान बहुत असमान रूप से होता है।
नीचे दिए गए आंकड़े अल्ट्रासोनिक स्नान में कैविटेशनल हॉट स्पॉट के असमान वितरण को दर्शाते हैं। चित्र 2 में, 20 के निचले क्षेत्र के साथ एक स्नान×10 सेमी का उपयोग किया गया है।
Fig.2 अल्ट्रासोनिक स्नान में अल्ट्रासोनिक क्षेत्र के स्थानिक वितरण से पता चलता है:
(ए) स्नान में 1 एल पानी का उपयोग करना और (बी) स्नान में 2 एल पानी की कुल मात्रा का उपयोग करना।
[नैसेंट एट अल।
चित्र 3 में दिखाए गए मापों के लिए, 12x10cm के निचले स्थान के साथ एक अल्ट्रासोनिक स्नान का उपयोग किया गया है।
चित्र 3 एक अल्ट्रासोनिक स्नान में अल्ट्रासोनिक क्षेत्र के स्थानिक वितरण को दर्शाता है:
(ए) स्नान में 1 एल पानी का उपयोग करना और (बी) स्नान में 1.3 एल पानी की कुल मात्रा का उपयोग करना।
[नासेंटेस एट अल।
दोनों मापों से पता चलता है कि अल्ट्रासोनिक टैंकों में अल्ट्रासोनिक विकिरण क्षेत्र का वितरण बहुत असमान है। स्नान में विभिन्न स्थानों पर अल्ट्रासोनिक विकिरण का अध्ययन अल्ट्रासोनिक स्नान में गुहिकायन तीव्रता में महत्वपूर्ण स्थानिक बदलाव दिखाता है।
नीचे दिया गया चित्रा 4 एक अल्ट्रासोनिक स्नान की दक्षता और एक अल्ट्रासोनिक जांच डिवाइस की तुलना करता है जो एज़ो-डाई मिथाइल वायलेट के विघटन द्वारा अनुकरणीय है।
चित्र 4: प्रोब-प्रकार के सोनिकेटर अल्ट्रासोनिक टैंक और स्नान के कम अल्ट्रासाउंड घनत्व की तुलना में स्थानीयकृत बहुत उच्च ऊर्जा तीव्रता को तैनात करते हैं।
धनलक्ष्मी एट अल ने अपने अध्ययन में पाया कि जांच-प्रकार अल्ट्रासोनिक उपकरणों में टैंक-प्रकार की तुलना में उच्च स्थानीयकृत तीव्रता होती है और इसलिए, चित्रा 4 में दर्शाया गया अधिक स्थानीयकृत प्रभाव होता है। इसका मतलब है कि सोनीशन प्रक्रिया की उच्च तीव्रता और दक्षता।
चित्र 4 में दिखाए गए अनुसार एक अल्ट्रासोनिक सेटअप, आयाम, दबाव, तापमान, चिपचिपाहट, एकाग्रता, रिएक्टर मात्रा जैसे सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों पर पूर्ण नियंत्रण की अनुमति देता है।
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Pic 1: Sonotrode तरल में शक्ति अल्ट्रासाउंड संचारण. सोनोट्रोड सतह के नीचे फॉगिंग कैविटेशनल हॉट स्पॉट क्षेत्र को इंगित करता है।
- तीव्र
- केंद्रित
- पूरी तरह से नियंत्रणीय
- यहां तक कि वितरण
- पुनुरुत्पादनीय
- रैखिक स्केल-अप
- बैच और इन-लाइन
जांच-प्रकार के सोनिकेटर के फायदे
अल्ट्रासोनिक जांच या सोनोट्रोड्स को अल्ट्रासोनिक ऊर्जा को एक केंद्रित क्षेत्र में केंद्रित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, आमतौर पर जांच की नोक पर। यह केंद्रित ऊर्जा संचरण नमूनों के सटीक और कुशल उपचार की अनुमति देता है। चूंकि जांच डिजाइन यह सुनिश्चित करता है कि अल्ट्रासोनिक ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा नमूने की ओर निर्देशित है, अल्ट्रासोनिक स्नान की तुलना में ऊर्जा हस्तांतरण में काफी वृद्धि हुई है। अल्ट्रासाउंड शक्ति का यह केंद्रित संचरण विशेष रूप से उन अनुप्रयोगों के लिए फायदेमंद है जिन्हें सोनिकेशन मापदंडों पर सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है, जैसे सेल व्यवधान, नैनो-फैलाव, नैनोपार्टिकल संश्लेषण, पायसीकरण और वनस्पति निष्कर्षण।
इसलिए, जांच-प्रकार के सोनिकेटर सटीक, नियंत्रण, लचीलापन, दक्षता और मापनीयता के मामले में अल्ट्रासोनिक स्नान पर अलग-अलग लाभ प्रदान करते हैं, जिससे उन्हें वैज्ञानिक और औद्योगिक अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए अपरिहार्य उपकरण बना दिया जाता है।
ओपन बीकर प्रसंस्करण के लिए जांच-प्रकार Sonicators
जब नमूनों को अल्ट्रासोनिक जांच उपकरण का उपयोग करके सोनिकेट किया जाता है, तो तीव्र सोनीशन ज़ोन सीधे सोनोट्रोड/जांच के नीचे होता है। अल्ट्रासोनिक विकिरण दूरी सोनोट्रोड टिप के एक निश्चित क्षेत्र तक सीमित है। (चित्र 1 देखें)
खुले बीकर में अल्ट्रासोनिक प्रक्रियाओं का उपयोग ज्यादातर व्यवहार्यता परीक्षण के लिए और छोटी मात्रा में नमूना तैयार करने के लिए किया जाता है।
इनलाइन प्रसंस्करण के लिए फ्लो सेल के साथ जांच-प्रकार Sonicators
सबसे परिष्कृत sonication परिणाम एक बंद प्रवाह के माध्यम से मोड में एक सतत प्रसंस्करण द्वारा प्राप्त कर रहे हैं. सभी सामग्री को एक ही अल्ट्रासाउंड तीव्रता द्वारा संसाधित किया जाता है क्योंकि अल्ट्रासोनिक रिएक्टर कक्ष में प्रवाह पथ और निवास समय नियंत्रित होता है।
अल्ट्रासोनिक recirculation सेट: प्रवाह सेल, टैंक और पंप के साथ UIP1000hdT
किसी दिए गए पैरामीटर कॉन्फ़िगरेशन के लिए अल्ट्रासोनिक तरल प्रसंस्करण के प्रक्रिया परिणाम प्रति संसाधित मात्रा में ऊर्जा का एक कार्य हैं। व्यक्तिगत मापदंडों में परिवर्तन के साथ फ़ंक्शन बदलता है। इसके अलावा, एक अल्ट्रासोनिक इकाई के सोनोट्रोड के प्रति सतह क्षेत्र में वास्तविक बिजली उत्पादन और तीव्रता मापदंडों पर निर्भर करती है।
अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण का कैविटेशनल प्रभाव सतह की तीव्रता पर निर्भर करता है जिसे आयाम (ए), दबाव (पी), रिएक्टर वॉल्यूम (वीआर), तापमान (टी), चिपचिपाहट (η) और अन्य द्वारा वर्णित किया गया है। प्लस और माइनस संकेत सोनिकेशन तीव्रता पर विशिष्ट पैरामीटर के सकारात्मक या नकारात्मक प्रभाव का संकेत देते हैं।
सोनीशन प्रक्रिया के सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर को नियंत्रित करके, प्रक्रिया पूरी तरह से दोहराने योग्य है और प्राप्त परिणामों को पूरी तरह से रैखिक किया जा सकता है। विभिन्न प्रकार के सोनोट्रोड्स और अल्ट्रासोनिक फ्लो सेल रिएक्टर विशिष्ट प्रक्रिया आवश्यकताओं के अनुकूलन की अनुमति देते हैं।
सारांश: जांच-प्रकार Sonicator बनाम अल्ट्रासोनिक स्नान
जबकि एक अल्ट्रासोनिक स्नान लगभग 20 वाट प्रति लीटर के साथ एक कमजोर सोनिकेशन प्रदान करता है, केवल और एक बहुत ही गैर-समान वितरण, जांच-प्रकार के सोनिकेटर आसानी से संसाधित माध्यम में लगभग 20000 वाट प्रति लीटर जोड़ सकते हैं। इसका मतलब यह है कि एक अल्ट्रासोनिक जांच-प्रकार सोनिकेटर एक केंद्रित और समान अल्ट्रासोनिक पावर इनपुट के कारण 1000 (प्रति वॉल्यूम 1000x उच्च ऊर्जा इनपुट) के कारक द्वारा अल्ट्रासोनिक स्नान को उत्कृष्ट बनाता है। सबसे महत्वपूर्ण सोनीशन मापदंडों पर पूर्ण नियंत्रण पूरी तरह से प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य परिणाम और प्रक्रिया परिणामों की रैखिक मापनीयता सुनिश्चित करता है।
साहित्य/संदर्भ
- Asadi, Amin; Pourfattah, Farzad; Miklós Szilágyi, Imre; Afrand, Masoud; Zyla, Gawel; Seon Ahn, Ho; Wongwises, Somchai; Minh Nguyen, Hoang; Arabkoohsar, Ahmad; Mahian, Omid (2019): Effect of sonication characteristics on stability, thermophysical properties, and heat transfer of nanofluids: A comprehensive review. Ultrasonics Sonochemistry 2019.
- Moholkar, V. S.; Sable, S. P.; Pandit, A. B. (2000): Mapping the cavitation intensity in an ultrasonic bath using the acoustic emission. In: AIChE J. 2000, Vol.46/ No.4, 684-694.
- Nascentes, C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Use of Ultrasonic Baths for Analytical Applications: A New Approach for Optimisation Conditions. In: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12/ No.1, 57-63.
- Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: Ultrasound in Chemistry: Analytical Application. (ed. by J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
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अल्ट्रासोनिक प्रोब्स (FAQs) को बारेमा अक्सर सोधिने प्रश्नहरू
एक अल्ट्रासोनिक जांच सोनिकेटर क्या है?
एक अल्ट्रासोनिक जांच सोनिकेटर एक उपकरण है जो नमूनों को बाधित करने या मिश्रण करने के लिए उच्च आवृत्ति ध्वनि तरंगों का उपयोग करता है। इसमें एक जांच होती है, जो एक तरल में डूबे होने पर, अल्ट्रासोनिक कंपन उत्पन्न करती है, जिससे गुहिकायन और वांछित नमूना प्रसंस्करण प्रभाव होता है।
जांच सोनिकेशन का सिद्धांत क्या है?
जांच sonication अल्ट्रासोनिक cavitation के सिद्धांत पर काम करता है। जब जांच नमूने में कंपन करती है, तो यह सूक्ष्म बुलबुले बनाता है जो तेजी से विस्तार और पतन होता है। यह प्रक्रिया तीव्र कतरनी बलों और गर्मी उत्पन्न करती है, कोशिकाओं को बाधित करती है या सूक्ष्म स्तर पर घटकों को मिलाती है।
क्या एक अल्ट्रासोनिक क्लीनर एक सोनिकेटर के समान है?
नहीं, वे समान नहीं हैं। एक अल्ट्रासोनिक क्लीनर वस्तुओं को साफ करने के लिए स्नान में बहुत हल्के अल्ट्रासोनिक तरंगों का उपयोग करता है, मुख्य रूप से कंपन और बहुत हल्के ढंग से गुहिकायन के माध्यम से। एक सोनिकेटर, विशेष रूप से एक अल्ट्रासोनिक जांच सोनीकेटर, नमूनों के प्रत्यक्ष, गहन अल्ट्रासोनिक उपचार के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो व्यवधान या समरूपता पर ध्यान केंद्रित करता है।
अल्ट्रासोनिक जांच का उपयोग क्या है?
एक अल्ट्रासोनिक जांच मुख्य रूप से नमूना तैयार करने के कार्यों जैसे सेल व्यवधान, समरूपीकरण, पायसीकरण, और रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान और सामग्री विज्ञान में विभिन्न प्रकार के अनुसंधान और औद्योगिक अनुप्रयोगों में कणों के फैलाव के लिए उपयोग की जाती है।
जांच सोनिकेटर और कप-हॉर्न के बीच अंतर क्या है?
एक जांच सोनिकेटर सीधे तीव्र सोनिकेशन के लिए नमूने में जांच को डुबो देता है। दूसरी ओर, एक कप-हॉर्न सोनिकेटर जांच को विसर्जित नहीं करता है, लेकिन एक अप्रत्यक्ष विधि का उपयोग करता है जहां नमूना पानी के स्नान के भीतर एक कंटेनर में रखा जाता है जो अल्ट्रासोनिक ऊर्जा को प्रसारित करता है।
क्यों एक जांच sonicator का उपयोग करें?
एक जांच सोनिकेटर का उपयोग एक नमूने को प्रत्यक्ष, उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक ऊर्जा देने की क्षमता के लिए किया जाता है, जो कुशल व्यवधान, समरूपीकरण या पायसीकरण को प्राप्त करता है। यह कठिन-से-प्रक्रिया नमूनों के लिए विशेष रूप से मूल्यवान है या जब प्रक्रिया पर सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है।
एक जांच sonicator के फायदे क्या हैं?
लाभ कुशल और तेजी से नमूना प्रसंस्करण, अनुप्रयोगों में बहुमुखी प्रतिभा, sonication मापदंडों पर सटीक नियंत्रण, और नमूना आकार और प्रकार की एक विस्तृत श्रृंखला को संसाधित करने की क्षमता, छोटी मात्रा प्रयोगशाला के नमूनों से बड़े औद्योगिक बैचों या प्रवाह दर के लिए शामिल हैं।
आप अल्ट्रासोनिक जांच सोनिकेटर का उपयोग कैसे करते हैं?
अल्ट्रासोनिक जांच सोनिकेटर का उपयोग करने में उपयुक्त जांच आकार और सोनीशन मापदंडों का चयन करना, नमूने में जांच टिप को विसर्जित करना और फिर प्रभावी नमूना प्रसंस्करण प्राप्त करने के लिए वांछित समय और शक्ति सेटिंग्स के लिए सोनिकेटर को सक्रिय करना शामिल है।
सोनिकेशन और अल्ट्रासोनिकेशन के बीच अंतर क्या है?
सोनिकेशन प्रसंस्करण सामग्री के लिए ध्वनि तरंगों के सामान्य उपयोग को संदर्भित करता है, जिसमें आवृत्तियों की एक श्रृंखला शामिल हो सकती है। अल्ट्रासोनिकेशन अल्ट्रासोनिक आवृत्तियों (आमतौर पर 20 kHz से ऊपर) के उपयोग को निर्दिष्ट करता है, जो उन अनुप्रयोगों पर ध्यान केंद्रित करता है जिन्हें नमूना प्रसंस्करण के लिए उच्च-ऊर्जा ध्वनि तरंगों की आवश्यकता होती है। हालांकि, ज्यादातर लोग वास्तव में अल्ट्रासोनिकेटर का उल्लेख करते हैं, जब वे सोनिकेटर शब्द का उपयोग करते हैं।