तरल पदार्थ में अल्ट्रासोनिक Cavitation
Ultrasonic cavitation is the driving force behind high-intensity ultrasonic liquid processing. When powerful ultrasound is coupled into a liquid, microscopic vapor bubbles form, grow and collapse violently. This acoustic cavitation creates intense local shear forces, microjets, shock waves, pressure changes and micro-mixing effects that can accelerate homogenization, dispersing, emulsification, extraction, degassing, cell disruption and sonochemical reactions.
Hielscher प्रोब-टाइप सोनिकेटर्स नियंत्रित ध्वनिक कैविटेशन का उपयोग करके अल्ट्रासोनिक ऊर्जा को सीधे तरल पदार्थों, निलंबनों और स्लरी में स्थानांतरित करते हैं। छोटे प्रयोगशाला नमूनों से लेकर सतत औद्योगिक फ्लो-थ्रू उत्पादकता तक, Hielscher सिस्टम आपको पुनरुत्पादक कैविटेशन परिणामों के लिए आवृत्ति, सोनोट्रोड ज्यामिति, दबाव, तापमान, प्रवाह दर और आवास समय समायोजित करने की अनुमति देते हैं।
- प्रयोगशालाओं के लिए: छोटे वॉल्यूम में सोनिकेशन पैरामीटर विकसित और अनुकूलित करें।
- पायलट संयंत्रों के लिए: वास्तविक प्रसंस्करण स्थितियों के तहत कैविटेशन-संचालित प्रक्रियाओं को मान्य करें।
- उत्पादन के लिए: बैच, पुनःसंचलन या सतत इनलाइन प्रक्रियाओं में अल्ट्रासोनिक कैविटेशन का पैमाना बढ़ाएं।
हमें अपना तरल, बैच वॉल्यूम या प्रवाह दर, चिपचिपाहट, ठोस सामग्री, तापमान सीमा और लक्ष्य प्रक्रिया परिणाम बताएं। हम आपके गुहिकायन आवेदन के लिए इष्टतम सोनिकेटर, सोनोट्रोड और फ्लो-सेल कॉन्फ़िगरेशन की सिफारिश करेंगे।
जांच-प्रकार के सोनिकेटर जैसे UP400St ध्वनिक गुहिकायन के कार्य सिद्धांत का उपयोग करें।
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।
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।
जांच सोनिकेटर या अल्ट्रासोनिक स्नान: कौन सी गुहिकायन विधि सही है?
Probe sonicators and ultrasonic baths both generate acoustic cavitation, but they differ significantly in intensity, control and process reliability. While ultrasonic baths are useful for cleaning, probe-type sonicators couple ultrasonic energy directly into the liquid and create a much stronger, focused cavitation zone. This makes probe sonicators the preferred choice for reproducible liquid processing applications such as homogenization, emulsification, extraction, cell disruption, nanoparticle dispersion and sonochemical reactions.
| Comparison Criteria | जांच सोनिकेटर | अल्ट्रासोनिक स्नान |
|---|---|---|
| गुहिकायन तीव्रता | Produces high-intensity acoustic cavitation directly at the sonotrode tip. | Produces weaker cavitation distributed across the bath volume. |
| ऊर्जा हस्तांतरण | Transfers ultrasonic energy directly into the liquid, suspension or slurry. | Transfers energy indirectly through the bath liquid and vessel wall. |
| प्रक्रिया नियंत्रण | Allows precise adjustment of amplitude, power input, pulse mode, temperature and processing time. | Offers limited control over the actual ultrasonic energy reaching the sample. |
| प्रजनन क्षमता | Provides reproducible sonication results when process parameters are defined and monitored. | Results can vary due to uneven cavitation distribution, vessel position, vessel material, fill level, and bath loading. |
| Processing efficiency | Highly efficient for homogenizing, dispersing, emulsifying, extraction, cell disruption and sonochemistry. | Suitable mainly for cleaning. |
| नमूना मात्रा | Available for small laboratory samples as well as pilot and industrial volumes. | Typically used for small vessels or multiple containers placed inside the bath. |
| स्केल-अप | प्रयोगशाला परीक्षणों से पायलट परीक्षणों और सतत औद्योगिक इनलाइन प्रसंस्करण तक स्केल किया जा सकता है। | भरोसेमंद तरीके से स्केल करना मुश्किल है क्योंकि ऊर्जा वितरण और कैविटेशन तीव्रता आसानी से स्थानांतरित नहीं की जा सकती। |
| उपयुक्त माध्यम | तरल पदार्थों, इमल्शन, सस्पेंशन, स्लरी और उच्च-सॉलिड्स फ़ॉर्मूलेशन के लिए प्रभावी। | कम-सांद्रता वाले तरल पदार्थों और सरल सफाई या डिगैसिंग कार्यों के लिए सबसे उपयुक्त। |
| विशिष्ट आवेदन पत्र | नैनोकण का प्रसार, नैनोइमल्शन, निष्कर्षण, कोशिका का विघटन, समरूपन, डिअग्लोमेरशन, वेट मिलिंग और सोनोकैमिकल प्रतिक्रियाएँ। | ग्लासवेयर की सफाई, तरल पदार्थों का डिगैसिंग, पाउडर का घुलाना और हल्की नमूना हलचल। |
| सबसे अच्छा विकल्प | नियंत्रित, शक्तिशाली और पुनरुत्पादनीय अल्ट्रासोनिक तरल प्रसंस्करण। | सरल सफाई या कम-तीव्रता अल्ट्रासोनिक उपचार। |
सोनिकेटर्स और ध्वनिक कैविटेशन 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:
- 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।
© Tyurnina एट अल 2020
अल्ट्रासोनिक कैविटेशन का लाभ उठाएँ!
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 |
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।
Hielscher Ultrasonics प्रयोगशाला, पायलट और औद्योगिक पैमाने पर अनुप्रयोगों, फैलाव, पायसीकरण और निष्कर्षण के मिश्रण के लिए उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक homogenizers बनाती है।
अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
अल्ट्रासोनिक कैविटेशन क्या है?
अल्ट्रासोनिक कैविटेशन उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड के संपर्क में आने वाले तरल में सूक्ष्म बबल्स का निर्माण, विकास और हिंसक पतन होता है। इन बबल्स के पतन से तीव्र स्थानीय कतरन, तरल माइक्रोजेट्स, झटका तरंगें, उच्च दबाव ग्रेडिएंट और मजबूत माइक्रो-मिश्रण प्रभाव उत्पन्न होते हैं।
अल्ट्रासोनिक कैविटेशन और ध्वनिक कैविटेशन में क्या अंतर है?
ध्वनिक गुह्यकरण वह सामान्य शब्द है जो ध्वनि तरंगों के कारण होने वाले गुह्यकरण के लिए इस्तेमाल किया जाता है। अल्ट्रासोनिक गुह्यकरण वह ध्वनिक गुह्यकरण है जो अल्ट्रासोनिक आवृत्तियों द्वारा उत्पन्न होता है, सामान्यतः श्रव्य सीमा से ऊपर। औद्योगिक द्रव प्रसंस्करण में, उच्च-शक्ति वाले अल्ट्रासोनिकेटरों द्वारा उत्पन्न गुह्यकरण के लिए इन दोनों शब्दों का अक्सर उपयोग किया जाता है।
अल्ट्रासोनिक गुह्यकरण द्रव प्रसंस्करण को कैसे सुधारता है?
अल्ट्रासोनिक गुह्यकरण द्रव के अंदर तीव्र यांत्रिक और रासायनिक प्रभाव उत्पन्न करके द्रव प्रसंस्करण में सुधार करता है। यांत्रिक प्रभाव मिश्रण, समरूपता, इमल्सीकरण, कणों के समूह को तोड़ना, गीली पीसाई, निष्कर्षण और कोशिका विघटन का समर्थन करते हैं। प्रतिक्रियाशील प्रणालियों में, गुह्यकरण सोनोकेमिकल प्रभावों को बढ़ावा दे सकता है और द्रव का द्रव्य स्थानांतरण सुधार सकता है।
कौन से अनुप्रयोग अल्ट्रासोनिक गुह्यकरण का उपयोग करते हैं?
अल्ट्रासॉनिक कैविटेशन का उपयोग समरूपण, प्रसार, इमल्सीफिकेशन, नैनोइमल्सीफिकेशन, निष्कर्षण, डिगैसिंग, डीयाग्लोमेरेशन, कण आकार में कमी, कोशिका टूटन, सूक्ष्मजीव विघटन, सोनोकैमिस्ट्री, सोनोकैटालिसिस और उन्नत द्रव-चरण प्रतिक्रियाओं के लिए किया जाता है।
प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर्स कैविटेशन के लिए प्रभावी क्यों हैं?
प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर्स अल्ट्रासॉनिक ऊर्जा को सीधे सॉनोट्रोड के माध्यम से द्रव में प्रेषित करते हैं। यह प्रत्यक्ष ऊर्जा संयोजन प्रोब सतह के पास एक तीव्र कैविटेशन क्षेत्र बनाता है और महत्वपूर्ण प्रक्रिया पैरामीटर जैसे ऐम्प्लिट्यूड, पावर इनपुट, तापमान, दबाव और प्रसंस्करण समय को सही ढंग से समायोजित करने की अनुमति देता है।
क्या मजबूत कैविटेशन के लिए अल्ट्रासोनिक बाथ उपयुक्त है?
अल्ट्रासोनिक स्नान केविटेशन उत्पन्न करते हैं, लेकिन ऊर्जा घनत्व आम तौर पर बहुत कम और प्रॉब प्रकार के सोनिकेटर की तुलना में कम केंद्रित होता है। स्नान सफाई और हल्के उपचार के लिए उपयोगी होते हैं, जबकि प्रॉब प्रकार के अल्ट्रासोनिकर्स पुनरुत्पादनयोग्य होमोजेनाइजेशन, निष्कर्षण, इमल्सिफिकेशन, डिस्पर्शन, सेल विघटन और औद्योगिक तरल प्रसंस्करण के लिए पसंद किए जाते हैं।
पढ़ें और देखें कि प्रॉब प्रकार के सोनिकेटर्स और अल्ट्रासोनिक स्नान कैसे भिन्न होते हैं!
कौन से मापदंड अल्ट्रासोनिक केविटेशन की तीव्रता को प्रभावित करते हैं?
महत्वपूर्ण मापदंडों में एम्प्लीट्यूड, अल्ट्रासोनिक पॉवर, सोनोट्रॉड सतह क्षेत्र, तरल आयतन, चिपचिपाहट, ठोस सामग्री की मात्रा, दबाव, तापमान, कंटेनर की ज्यामिति, फ्लो-सेल ज्यामिति, प्रवाह दर और आवास समय शामिल हैं। इन मापदंडों को समायोजित करने से केविटेशन की तीव्रता को प्रक्रिया के लक्ष्य के अनुसार अनुकूलित किया जा सकता है।
क्या अल्ट्रासोनिक काविटेशन को लैब से उत्पादन तक बढ़ाया जा सकता है?
हाँ। अल्ट्रासोनिक काविटेशन प्रक्रियाओं को लैबोरेटरी वॉल्यूम में विकसित किया जा सकता है और एम्प्लिट्यूड, ऊर्जा इनपुट, सोनोट्रोड ज्यामिति, प्रवाह दर और निवास समय को नियंत्रित करके पायलट या औद्योगिक पैमाने पर स्थानांतरित किया जा सकता है। हिल्सचर लैब परीक्षण, पायलट परीक्षण और निरंतर औद्योगिक उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक और रिएक्टर प्रदान करता है।
साहित्य/सन्दर्भ
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- 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।