द्रवों में अल्ट्रासोनिक कैविटेशन

अल्ट्रासोनिक कैविटेशन उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासोनिक द्रव प्रसंस्करण की प्रेरक शक्ति है। जब शक्तिशाली अल्ट्रासाउंड ऊर्जा किसी द्रव में संचारित की जाती है, तो वाष्प के सूक्ष्म बुलबुले बनते हैं, बढ़ते हैं और प्रचंड रूप से ढह जाते हैं। यह ध्वनिक कैविटेशन तीव्र स्थानीय अपरूपण बल, सूक्ष्म जेट, आघात तरंगें, दाब परिवर्तन और सूक्ष्म-मिश्रण प्रभाव उत्पन्न करता है, जो समांगीकरण, परिक्षेपण, पायसीकरण, निष्कर्षण, गैस निष्कासन, कोशिका विघटन और सोनोकेमिकल अभिक्रियाओं को तेज कर सकते हैं।

Hielscher के प्रोब-प्रकार के सोनिकेटर अल्ट्रासोनिक ऊर्जा को सीधे द्रवों, निलंबनों और स्लरियों में स्थानांतरित करने के लिए नियंत्रित ध्वनिक कैविटेशन का उपयोग करते हैं। प्रयोगशाला के छोटे नमूनों से लेकर निरंतर औद्योगिक प्रवाह-आधारित उत्पादन तक, Hielscher प्रणालियाँ आपको पुनरुत्पादनीय कैविटेशन परिणामों के लिए आयाम, सोनोट्रोड की ज्यामिति, दाब, तापमान, प्रवाह दर और निवास समय समायोजित करने की सुविधा देती हैं।

• प्रयोगशालाओं के लिए: छोटे आयतनों में सोनिकेशन के मापदंड विकसित और अनुकूलित करें।
• पायलट संयंत्रों के लिए: वास्तविक प्रसंस्करण परिस्थितियों में कैविटेशन द्वारा संचालित प्रक्रियाओं का सत्यापन करें।
• उत्पादन के लिए: अल्ट्रासोनिक कैविटेशन का पैमाना बढ़ाकर इसे बैच, पुनःपरिसंचरण या निरंतर इनलाइन प्रक्रियाओं में लागू करें।

अल्ट्रासोनिक कैविटेशन का कार्य सिद्धांत

उच्च तीव्रता पर द्रवों का सोनिकेशन करते समय, द्रव माध्यमों में प्रसारित होने वाली ध्वनि तरंगें बारी-बारी से उच्च-दाब (संपीड़न) और निम्न-दाब (विरलन) चक्र उत्पन्न करती हैं, जिनकी दरें आवृत्ति पर निर्भर करती हैं। निम्न-दाब चक्र के दौरान, उच्च-तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें द्रव में छोटे निर्वात बुलबुले या रिक्तियाँ बनाती हैं। जब बुलबुले ऐसे आयतन तक पहुँच जाते हैं जहाँ वे और ऊर्जा अवशोषित नहीं कर सकते, तो वे उच्च-दाब चक्र के दौरान प्रचंड रूप से ढह जाते हैं। इस परिघटना को कैविटेशन कहा जाता है। अंतःस्फोट के दौरान स्थानीय रूप से अत्यधिक उच्च तापमान (लगभग 5,000K) और दाब (लगभग 2,000atm) उत्पन्न होते हैं। कैविटेशन बुलबुले के अंतःस्फोट से 280m/s तक के वेग वाले द्रव जेट भी उत्पन्न होते हैं।

ध्वनिक कैविटेशन (उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड द्वारा उत्पन्न) स्थानीय रूप से चरम परिस्थितियाँ उत्पन्न करता है, जिन्हें सोनोमैकेनिकल और सोनोकेमिकल प्रभाव कहा जाता है। इन प्रभावों के कारण, सोनिकेशन रासायनिक अभिक्रियाओं को बढ़ावा देता है, जिससे अधिक उपज, तेज अभिक्रिया गति, नए अभिक्रिया मार्ग और बेहतर समग्र दक्षता प्राप्त होती है।

सोनिकेटरों और ध्वनिक कैविटेशन के प्रमुख अनुप्रयोग

प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर, जिन्हें अल्ट्रासोनिक प्रोब भी कहा जाता है, तरल पदार्थों में कुशलतापूर्वक तीव्र ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न करते हैं। इसलिए, विभिन्न उद्योगों में अनेक अनुप्रयोगों के लिए इनका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटरों द्वारा उत्पन्न ध्वनिक कैविटेशन के कुछ सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में शामिल हैं:
 

1. समांगीकरण: अल्ट्रासोनिक प्रोब तीव्र कैविटेशन उत्पन्न कर सकते हैं, जिसकी विशेषता कंपन और अपरूपण बलों का ऊर्जा-सघन क्षेत्र है। ये बल उत्कृष्ट मिश्रण, सम्मिश्रण और कणों के आकार में कमी प्रदान करते हैं। अल्ट्रासोनिक समांगीकरण से समान रूप से मिश्रित निलंबन बनते हैं। इसलिए, संकीर्ण वितरण वक्रों वाले समांगी कोलॉइडी निलंबन बनाने के लिए सोनिकेशन का उपयोग किया जाता है।
2. नैनोकणों का परिक्षेपण: अल्ट्रासोनिकेटरों का उपयोग नैनोकणों के परिक्षेपण, कण समुच्चयों के विघटन और गीली पिसाई के लिए किया जाता है। कम आवृत्ति वाली अल्ट्रासाउंड तरंगें प्रभावशाली कैविटेशन उत्पन्न कर सकती हैं, जो कण समुच्चयों को तोड़ता है और कणों का आकार कम करता है। विशेष रूप से, तरल जेटों का उच्च अपरूपण तरल में मौजूद कणों को त्वरित करता है, जो एक-दूसरे से टकराते हैं (अंतरकणीय टक्कर), जिसके परिणामस्वरूप कण टूटते और क्षरित होते हैं। इससे कणों का एकसमान और स्थिर वितरण होता है, जो अवसादन को रोकता है। नैनोप्रौद्योगिकी, पदार्थ विज्ञान और औषधि निर्माण सहित विभिन्न क्षेत्रों में यह अत्यंत महत्वपूर्ण है।
3. पायसीकरण और मिश्रण: प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटरों का उपयोग पायस बनाने और तरल पदार्थों को मिलाने के लिए किया जाता है। अल्ट्रासोनिक ऊर्जा कैविटेशन उत्पन्न करती है, अर्थात सूक्ष्म बुलबुलों का बनना और ढहना, जिससे तीव्र स्थानीय अपरूपण बल उत्पन्न होते हैं। यह प्रक्रिया एक-दूसरे में न घुलने वाले तरल पदार्थों के पायसीकरण में सहायता करती है, जिससे स्थिर और सूक्ष्म रूप से परिक्षेपित पायस बनते हैं।
4. निष्कर्षण: कैविटेशन से उत्पन्न अपरूपण बलों के कारण, अल्ट्रासोनिकेटर कोशिकीय संरचनाओं को विघटित करने और ठोस तथा तरल के बीच द्रव्यमान अंतरण को बेहतर बनाने में अत्यधिक कुशल होते हैं। इसलिए, उच्च गुणवत्ता वाले वानस्पतिक अर्कों के उत्पादन के लिए जैवसक्रिय यौगिकों जैसी अंतःकोशिकीय सामग्री को मुक्त करने हेतु अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
5. गैस निष्कासन और वायु निष्कासन: प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटरों का उपयोग तरल पदार्थों से गैस के बुलबुले या घुली हुई गैसें निकालने के लिए किया जाता है। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन का उपयोग गैस के बुलबुलों के आपस में मिलकर बड़े होने को बढ़ावा देता है, जिससे वे बढ़ते हैं और तैरकर तरल की ऊपरी सतह पर पहुँच जाते हैं। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन गैस निष्कासन को एक त्वरित और कुशल प्रक्रिया बनाता है। पेंट, हाइड्रॉलिक तरल पदार्थों या खाद्य एवं पेय प्रसंस्करण जैसे विभिन्न उद्योगों में यह उपयोगी है, जहाँ गैसों की उपस्थिति उत्पाद की गुणवत्ता और स्थिरता पर नकारात्मक प्रभाव डाल सकती है।
6. सोनोकैटेलिसिस: अल्ट्रासोनिक प्रोब का उपयोग सोनोकैटालिसिस के लिए किया जा सकता है। यह एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें रासायनिक अभिक्रियाओं को बढ़ावा देने के लिए ध्वनिक कैविटेशन को उत्प्रेरकों के साथ संयोजित किया जाता है। अल्ट्रासोनिक तरंगों से उत्पन्न कैविटेशन द्रव्यमान स्थानांतरण में सुधार करता है, अभिक्रिया दरों को बढ़ाता है और मुक्त मूलकों के उत्पादन को बढ़ावा देता है, जिससे रासायनिक रूपांतरण अधिक कुशल और चयनात्मक होते हैं।
7. नमूना तैयारी: प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर आमतौर पर प्रयोगशालाओं में नमूना तैयार करने के लिए उपयोग किए जाते हैं। इनका उपयोग कोशिकाओं, ऊतकों और वायरस जैसे जैविक नमूनों के समांगीकरण, समुच्चय विघटन और निष्कर्षण के लिए किया जाता है। प्रोब से उत्पन्न अल्ट्रासोनिक ऊर्जा कोशिका झिल्लियों को विघटित करती है, जिससे कोशिका की अंतर्वस्तु बाहर निकलती है और आगे का विश्लेषण सुगम होता है।
8. विखंडन और कोशिका विघटन: प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग विभिन्न उद्देश्यों से कोशिकाओं और ऊतकों के विखंडन और विघटन के लिए किया जाता है, जैसे अंतःकोशिकीय घटकों का निष्कर्षण, सूक्ष्मजीवों का निष्क्रियकरण या विश्लेषण के लिए नमूना तैयार करना। उच्च-तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें और उनसे उत्पन्न कैविटेशन यांत्रिक तनाव और अपरूपण बल पैदा करते हैं, जिससे कोशिका संरचनाओं का विखंडन होता है। जैविक अनुसंधान और चिकित्सा निदान में प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग कोशिका लयन के लिए किया जाता है। इस प्रक्रिया में कोशिकाओं को तोड़कर उनके अंतःकोशिकीय घटक बाहर निकाले जाते हैं। अल्ट्रासोनिक ऊर्जा कोशिका भित्तियों, झिल्लियों और कोशिकांगों को विघटित करती है, जिससे प्रोटीन, DNA, RNA और अन्य कोशिकीय घटकों का निष्कर्षण संभव होता है।

 
ये प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर के कुछ प्रमुख अनुप्रयोग हैं, लेकिन इस तकनीक के अन्य उपयोगों की सीमा और भी व्यापक है। इनमें औषधि निर्माण, खाद्य प्रसंस्करण, जैव प्रौद्योगिकी और पर्यावरण विज्ञान जैसे विभिन्न उद्योगों में सोनोकेमिस्ट्री, कण आकार में कमी (गीली पिसाई), बॉटम-अप कण संश्लेषण तथा रासायनिक पदार्थों और सामग्रियों का सोनो-संश्लेषण शामिल हैं।

जल में ग्रेफाइट के एक शल्क के सोनो-यांत्रिक अपस्तरण को दर्शाने वाला फ़्रेमों का एक उच्च-गति अनुक्रम (a से f तक), जिसमें 3-mm सोनोट्रोड वाले 200W अल्ट्रासोनिकेटर UP200S का उपयोग किया गया है। तीर कणों के विभाजन का स्थान दिखाते हैं, जहाँ कैविटेशन बुलबुले दरार में प्रवेश कर रहे हैं।
© Tyurnina et al. 2020

नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटर की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:

द्रव में ध्वनिक कैविटेशन का वीडियो

निम्नलिखित वीडियो पानी से भरे एक काँच के स्तंभ में अल्ट्रासोनिकेटर UIP1000hdT के cascatrode पर ध्वनिक कैविटेशन प्रदर्शित करता है। कैविटेशन बुलबुलों को बेहतर ढंग से दिखाने के लिए काँच के स्तंभ को नीचे से लाल प्रकाश से प्रकाशित किया गया है।