तरल पदार्थ में अल्ट्रासोनिक Cavitation
उच्च तीव्रता अल्ट्रासाउंड की अल्ट्रासोनिक तरंगें तरल पदार्थ में ध्वनिक गुहिकायन उत्पन्न करती हैं। कैविटेशन स्थानीय रूप से अत्यधिक प्रभाव का कारण बनता है, जैसे कि 1000 किमी/घंटा तक के तरल जेट, 2000 एटीएम तक का दबाव और 5000 केल्विन तक का तापमान। इन अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न बलों का उपयोग कई तरल प्रसंस्करण अनुप्रयोगों जैसे कि समरूपीकरण, फैलाव, पायसीकरण, निष्कर्षण, सेल व्यवधान, साथ ही रासायनिक प्रतिक्रियाओं की तीव्रता के लिए किया जाता है।
अल्ट्रासोनिक Cavitation के कार्य सिद्धांत
उच्च तीव्रता पर तरल पदार्थ को सोनिकेट करते समय, ध्वनि तरंगें जो तरल मीडिया में फैलती हैं, आवृत्ति के आधार पर दरों के साथ उच्च दबाव (संपीड़न) और कम दबाव (दुर्लभ) चक्रों को बारी-बारी से करती 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।
जांच-प्रकार अल्ट्रासोनिकेटर जैसे UP400St ध्वनिक गुहिकायन के कार्य सिद्धांत का उपयोग करें।
ध्वनिक कैविटेशन (पावर अल्ट्रासाउंड द्वारा उत्पन्न) स्थानीय रूप से चरम स्थितियां, तथाकथित सोनोमैकेनिकल और सोनोकेमिकल प्रभाव पैदा करता है। इन प्रभावों के कारण, सोनिकेशन रासायनिक प्रतिक्रियाओं को बढ़ावा देता है जिससे उच्च पैदावार, तेज प्रतिक्रिया गति, नए रास्ते और समग्र दक्षता में सुधार होता है।
ध्वनिक Cavitation का उपयोग कर Ultrasonicators के प्रमुख अनुप्रयोग
प्रोब-प्रकार अल्ट्रासोनिकेटर, जिसे अल्ट्रासोनिक जांच के रूप में भी जाना जाता है, कुशलतापूर्वक तरल पदार्थों में तीव्र ध्वनिक गुहिकायन उत्पन्न करता है। इसलिए, वे विभिन्न उद्योगों में विभिन्न अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। जांच-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर द्वारा उत्पन्न ध्वनिक गुहिकायन के कुछ सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में शामिल हैं:
Hielscher अल्ट्रासोनिक Cascatrode पर शक्तिशाली अल्ट्रासोनिक Cavitation
- समरूपीकरण: अल्ट्रासोनिक जांच तीव्र गुहिकायन उत्पन्न कर सकती है, जिसे कंपन और कतरनी बलों के ऊर्जा-घने क्षेत्र के रूप में जाना जाता है। ये बल उत्कृष्ट मिश्रण, सम्मिश्रण और कण आकार में कमी प्रदान करते हैं। अल्ट्रासोनिक homogenization समान रूप से मिश्रित निलंबन पैदा करता है। इसलिए, सोनिकेशन का उपयोग संकीर्ण वितरण घटता के साथ सजातीय कोलाइडल निलंबन का उत्पादन करने के लिए किया जाता है।
- नैनोपार्टिकल फैलाव: अल्ट्रासोनिकेटर नैनोकणों के फैलाव, deagglomeration और गीले-मिलिंग के लिए कार्यरत हैं। कम आवृत्ति वाली अल्ट्रासाउंड तरंगें प्रभावशाली गुहिकायन उत्पन्न कर सकती हैं, जो एग्लोमेरेट्स को तोड़ती हैं और कण आकार को कम करती हैं। विशेष रूप से तरल जेट की उच्च कतरनी तरल में कणों को तेज करती है, जो एक दूसरे से टकराते हैं (इंटरपार्टिकुलेट टक्कर) ताकि कण परिणामस्वरूप टूट जाएं और नष्ट हो जाएं। इसके परिणामस्वरूप अवसादन को रोकने वाले कणों का एक समान और स्थिर वितरण होता है। यह नैनो प्रौद्योगिकी, सामग्री विज्ञान और फार्मास्यूटिकल्स सहित विभिन्न क्षेत्रों में महत्वपूर्ण है।
- पायसीकरण और मिश्रण: प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग इमल्शन बनाने और तरल पदार्थ मिश्रण करने के लिए किया जाता है। अल्ट्रासोनिक ऊर्जा गुहिकायन का कारण बनती है, सूक्ष्म बुलबुले का गठन और पतन, जो तीव्र स्थानीय कतरनी बलों को उत्पन्न करता है। यह प्रक्रिया अमिश्रणीय तरल पदार्थों को पायसीकारी करने में सहायता करती है, स्थिर और बारीक बिखरे हुए पायस का उत्पादन करती है।
- कुल: कैविटेशनल कतरनी बलों के कारण, अल्ट्रासोनिकेटर सेलुलर संरचनाओं को बाधित करने और ठोस और तरल के बीच बड़े पैमाने पर हस्तांतरण में सुधार करने में अत्यधिक कुशल हैं। इसलिए, अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण का व्यापक रूप से उच्च गुणवत्ता वाले वनस्पति अर्क के उत्पादन के लिए बायोएक्टिव यौगिकों जैसे इंट्रासेल्युलर सामग्री को जारी करने के लिए उपयोग किया जाता है।
- Degassing और Deaeration: तरल पदार्थ से गैस के बुलबुले या भंग गैसों को हटाने के लिए जांच-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर कार्यरत हैं। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन का अनुप्रयोग गैस बुलबुले के सहवास को बढ़ावा देता है ताकि वे तरल के शीर्ष पर बढ़ें और तैरें। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन degasification को एक त्वरित और कुशल प्रक्रिया बनाता है। यह विभिन्न उद्योगों में मूल्यवान है, जैसे पेंट, हाइड्रोलिक तरल पदार्थ, या खाद्य और पेय प्रसंस्करण में, जहां गैसों की उपस्थिति उत्पाद की गुणवत्ता और स्थिरता को नकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकती है।
- सोनोकैटलिसिस: अल्ट्रासोनिक जांच का उपयोग सोनोकैटलिसिस के लिए किया जा सकता है, एक प्रक्रिया जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को बढ़ाने के लिए उत्प्रेरक के साथ ध्वनिक गुहिकायन को जोड़ती है। अल्ट्रासोनिक तरंगों द्वारा उत्पन्न गुहिकायन बड़े पैमाने पर हस्तांतरण में सुधार करता है, प्रतिक्रिया दर बढ़ाता है, और मुक्त कणों के उत्पादन को बढ़ावा देता है, जिससे अधिक कुशल और चयनात्मक रासायनिक परिवर्तन होते हैं।
- नमूना तैयार करना: जांच-प्रकार अल्ट्रासोनिकेटर आमतौर पर नमूना तैयार करने के लिए प्रयोगशालाओं में उपयोग किए जाते हैं। उनका उपयोग कोशिकाओं, ऊतकों और वायरस जैसे जैविक नमूनों को समरूप बनाने, अलग करने और निकालने के लिए किया जाता है। जांच द्वारा उत्पन्न अल्ट्रासोनिक ऊर्जा कोशिका झिल्ली को बाधित करती है, सेलुलर सामग्री जारी करती है और आगे के विश्लेषण की सुविधा प्रदान करती है।
- विघटन और सेल व्यवधान: जांच-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग विभिन्न उद्देश्यों के लिए कोशिकाओं और ऊतकों को विघटित और बाधित करने के लिए किया जाता है, जैसे कि इंट्रासेल्युलर घटकों का निष्कर्षण, माइक्रोबियल निष्क्रियता, या विश्लेषण के लिए नमूना तैयार करना। उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें और इस तरह उत्पन्न गुहिकायन यांत्रिक तनाव और कतरनी बलों का कारण बनती हैं, जिसके परिणामस्वरूप सेल संरचनाओं का विघटन होता है। जैविक अनुसंधान और चिकित्सा निदान में, प्रोब-प्रकार अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग सेल लसीका के लिए किया जाता है, जो उनके इंट्रासेल्युलर घटकों को छोड़ने के लिए खुली कोशिकाओं को तोड़ने की प्रक्रिया है। अल्ट्रासोनिक ऊर्जा सेल की दीवारों, झिल्ली और जीवों को बाधित करती है, जिससे प्रोटीन, डीएनए, आरएनए और अन्य सेलुलर घटकों के निष्कर्षण को सक्षम किया जा सकता है।
ये जांच-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर के कुछ प्रमुख अनुप्रयोग हैं, लेकिन प्रौद्योगिकी में सोनोकेमिस्ट्री, कण आकार में कमी (गीले-मिलिंग), नीचे-अप कण संश्लेषण, और रासायनिक पदार्थों और सामग्रियों के सोनो-संश्लेषण सहित अन्य उपयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला भी शामिल है।
पानी में ग्रेफाइट परत के सोनो-मैकेनिकल एक्सफोलिएशन को दर्शाने वाले फ्रेम का एक उच्च गति अनुक्रम (ए से एफ तक) UP200S का उपयोग करते हुए, 3-mm सोनोट्रोड के साथ 200W अल्ट्रासोनिकेटर है। तीर विभाजन को भेदने वाले गुहिकायन बुलबुले के साथ कणों को विभाजित करने की जगह दिखाते हैं।
एक ग्लास रिएक्टर में अल्ट्रासोनिकेटर UIP1000hdT (1000 वाट, 20kHz) की कैस्काट्रोड जांच में अल्ट्रासोनिक कैविटेशन।
तरल में ध्वनिक Cavitation का वीडियो
निम्नलिखित वीडियो पानी से भरे ग्लास कॉलम में अल्ट्रासोनिकेटर UIP1000hdT के कैस्काट्रोड पर ध्वनिक कैविटेशन प्रदर्शित करता है। गुहिकायन बुलबुले के दृश्य को बेहतर बनाने के लिए कांच के स्तंभ को लाल बत्ती से नीचे से रोशन किया जाता है।
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नीचे दी गई तालिका आपको हमारे अल्ट्रासोनिकेटर की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:
| बैच वॉल्यूम | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 1 से 500mL | 10 से 200mL/मिनट | यूपी100एच |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/मिनट | यूपी200एचटी, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/मिनट | यूआईपी2000एचडीटी |
| 10 से 100L | 2 से 10 लीटर/मिनट | यूआईपी4000एचडीटी |
| एन.ए. | 10 से 100 लीटर/मिनट | UIP16000 |
| एन.ए. | बड़ा | का क्लस्टर UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics प्रयोगशाला, पायलट और औद्योगिक पैमाने पर अनुप्रयोगों, फैलाव, पायसीकरण और निष्कर्षण के मिश्रण के लिए उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक homogenizers बनाती है।
साहित्य/सन्दर्भ
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- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics से उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक homogenizers बनाती है प्रयोगशाला तक औद्योगिक आकार।