Sonikatori tipa sonde u odnosu na ultrazvučne kupke
Za zadatke kao što su emulgiranje, disperzija, ekstrakcija ili smanjenje veličine čestica, sonikatori generiraju jednolike sile smicanja i kavitaciju visokog intenziteta. Ovaj izravan pristup rješava zahtjevne aplikacije i lako se skalira od malih laboratorijskih testova do pune proizvodnje. U međuvremenu, ultrazvučne kupke mogu biti dovoljne za blago čišćenje ili tretmane niskog intenziteta, ali često se bore sa zahtjevnijim poslovima koji zahtijevaju preciznu kontrolu amplitude i temperature. Kada trebate pouzdanost, fleksibilnost i robusnu izvedbu, Hielscher sonikatori tipa sonde nude jasnu prednost u odnosu na osnovne ultrazvučne kupke.
Sonikator nasuprot ultrazvučnoj kupki – Istražite zašto sonikatori tipa sonde ističu učinkovitost i pouzdanost
Intenzitet kavitacije sonikatora
Sonikatori tipa sonde uvode ultrazvuk velike snage izravno u tekući medij, gdje zvučni valovi stvaraju izmjenične cikluse visokog i niskog tlaka u tekućini. Tijekom ciklusa niskog tlaka, ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dostignu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, nasilno se kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ova pojava se naziva kavitacija. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature i pritisci. Implozija kavitacijskog mjehurića također rezultira iznimno brzim mlazovima tekućine.
Pozadina: ultrazvučna kavitacija
Moholkar (2000) je otkrio da su mjehurići u području najvećeg intenziteta kavitacije prolazili prolazno kretanje, dok su mjehurići u području najnižeg intenziteta kavitacije prolazili stabilno, oscilatorno gibanje. Prolazno kolapsiranje mjehurića koje dovodi do lokalnih maksimuma temperature i tlaka u korijenu je opaženih učinaka ultrazvuka na kemijske sustave.
Intenzitet ultrazvuka je funkcija unosa energije i površine sonotrode. Za određeni unos energije vrijedi: što je veća površina sonotrode, niži je intenzitet ultrazvuka.
Ultrazvučne valove mogu generirati različite vrste ultrazvučnih sustava. U nastavku će se uspoređivati razlike između sonikacije pomoću ultrazvučne kupke, uređaja ultrazvučne sonde u otvorenoj posudi i uređaja ultrazvučne sonde s komorom protočne ćelije.
Slika 1: Stvaranje stabilnih i prolaznih kavitacijskih mjehurića. (a) pomak, (b) prolazna kavitacija, (c) stabilna kavitacija, (d) tlak
[prilagođeno iz Santos et al. 2009]
Usporedba distribucije kavitacije
Za ultrazvučne primjene možete koristiti ultrazvučne sonde (sonicatore tipa sondi) ili ultrazvučne kupke. “Među ove dvije metode ultrazvučne obrade, ultrazvučna obrada je učinkovitija i snažnija od ultrazvučne kupke u primjeni disperzije nanočestica; uređaj za ultrazvučnu kupku može pružiti slabu ultrazvučnu obradu s približno 20-40 W/L i vrlo nejednoliku distribuciju, dok uređaj za ultrazvučnu sondu može pružiti 20 000 W/L u tekućinu. Dakle, to znači da uređaj ultrazvučne sonde nadmašuje uređaj ultrazvučne kupke za faktor 1000.” (usp. Asadi i sur., 2019.)
Sonikatori tipa sonde u odnosu na ultrazvučne kupke: Usporedba distribucije kavitacije
U području ultrazvučnih primjena, i sonikatori i ultrazvučne kupke igraju važnu ulogu. Međutim, kada se radi o disperziji nanočestica, sonikatori znatno nadmašuju ultrazvučne kupke. Prema Asadi (2019), ultrazvučne kupke obično generiraju slabiju ultrazvuk od oko 20-40 W po litri s vrlo neujednačenom distribucijom. U potpunom kontrastu, uređaji s ultrazvučnom sondom mogu isporučiti nevjerojatnih 20000 Watta po litri u tekućinu, pokazujući učinkovitost koja nadmašuje ultrazvučne kupke za faktor 1000. Ova značajna razlika naglašava vrhunsku sposobnost sonikatora tipa sonikatora u postizanju učinkovite i jednolike disperzije nanočestica.
Ultrazvučne kupke
U ultrazvučnoj kupelji, kavitacija se javlja neprilagođeno i nekontrolirano se distribuira kroz spremnik. Učinak sonikacije je niskog intenziteta i neravnomjerno raspoređen. Ponovljivost i skalabilnost procesa je vrlo loša.
Slika ispod prikazuje rezultate ispitivanja folijom u ultrazvučnom spremniku. Za to se tanka aluminijska ili kositrena folija stavlja na dno ultrazvučnog spremnika napunjenog vodom. Nakon sonikacije vidljivi su pojedinačni tragovi erozije. Te pojedinačne perforirane točke i rupe u foliji ukazuju na kavitacijska vruća mjesta. Zbog niske energije i neravnomjerne raspodjele ultrazvuka unutar spremnika, tragovi erozije pojavljuju se samo na mjestima. Stoga se ultrazvučne kupke uglavnom koriste za čišćenje.
U ultrazvučnoj kupelji ili spremniku, vruća točka akustične kavitacije javlja se vrlo neravnomjerno.
Donje slike pokazuju neravnomjernu raspodjelu kavitacijskih vrućih točaka u ultrazvučnoj kupki. Na sl. 2, kupka s površinom dna od 20×Iskorišteno je 10 cm.
Slika 2 prikazuje prostornu distribuciju ultrazvučnog polja u ultrazvučnoj kupki:
(a) koristeći 1 L vode u kadi i (b) koristeći ukupni volumen od 2 L vode u kadi.
[Nascentes i sur., 2010.]
Za mjerenja prikazana na slici 3 korištena je ultrazvučna kupka s prostorom na dnu od 12x10 cm.
Slika 3 prikazuje prostornu distribuciju ultrazvučnog polja u ultrazvučnoj kupki:
(a) koristeći 1 L vode u kadi i (b) koristeći ukupni volumen od 1,3 L vode u kadi.
[Nascentes et al., 2001.]
Oba mjerenja otkrivaju da je distribucija polja ultrazvučnog zračenja u ultrazvučnim spremnicima vrlo neravnomjerna. Proučavanje ultrazvučnog zračenja na različitim mjestima u kadi pokazuje značajne prostorne varijacije u intenzitetu kavitacije u ultrazvučnoj kadi.
Slika 4 u nastavku uspoređuje učinkovitost ultrazvučne kupke i uređaja ultrazvučne sonde na primjer obezbojenosti azo-boje metil ljubičaste.
Slika 4: Sonikatori tipa sonde koriste lokalizirani vrlo visok intenzitet energije u usporedbi s niskom gustoćom ultrazvuka ultrazvučnih spremnika i kupki.
Dhanalakshmi i sur. otkrili su u svojoj studiji da ultrazvučni uređaji tipa sonde imaju visok lokalizirani intenzitet u usporedbi s tipom spremnika, a time i veći lokalizirani učinak kao što je prikazano na slici 4. To znači veći intenzitet i učinkovitost procesa sonikacije.
Ultrazvučna postavka kao što je prikazano na slici 4, omogućuje potpunu kontrolu nad najvažnijim parametrima, kao što su amplituda, tlak, temperatura, viskoznost, koncentracija, volumen reaktora.
Slika 1: Sonotroda koja prenosi snagu ultrazvuka u tekućinu. Zamagljivanje ispod površine sonotrode ukazuje na područje kavitacijske vruće točke.
- intenzivno
- usredotočen
- u potpunosti kontrolirati
- ravnomjerna raspodjela
- ponovljiv
- Linearno povećanje
- Serijski i in-line
Prednosti sonikatora
Ultrazvučne sonde ili sonotrode dizajnirane su za koncentriranje ultrazvučne energije u fokusirano područje, obično na vrhu sonde. Ovaj fokusirani prijenos energije omogućuje preciznu i učinkovitu obradu uzoraka. Kako dizajn sonde osigurava da je značajan dio ultrazvučne energije usmjeren prema uzorku, prijenos energije je značajno poboljšan u usporedbi s ultrazvučnim kupkama. Ovaj fokusirani prijenos ultrazvučne snage posebno je koristan za primjene koje zahtijevaju preciznu kontrolu nad parametrima sonikacije, kao što je razbijanje stanica, nano-disperzija, sinteza nanočestica, emulgiranje i botanička ekstrakcija.
Stoga sonikatori nude jasne prednosti u odnosu na ultrazvučne kupke u smislu preciznosti, kontrole, fleksibilnosti, učinkovitosti i skalabilnosti, što ih čini nezamjenjivim alatima za širok raspon znanstvenih i industrijskih primjena.
Sonikatori tipa sonde za obradu otvorenih čaša
Kada se uzorci ultrazvučno obrađuju ultrazvučnom sondom, zona intenzivne sonikacije nalazi se neposredno ispod sonotrode/sonde. Udaljenost ultrazvučnog zračenja ograničena je na određeno područje vrha sonotrode. (vidi sliku 1)
Ultrazvučni procesi u otvorenim čašama uglavnom se koriste za ispitivanje izvedivosti i za pripremu uzoraka manjih volumena.
Sonikatori tipa sonde s protočnom ćelijom za inline obradu
Najsofisticiraniji rezultati ultrazvuka postižu se kontinuiranom obradom u zatvorenom protočnom načinu rada. Sav materijal se obrađuje istim intenzitetom ultrazvuka dok se kontrolira put protoka i vrijeme zadržavanja u komori ultrazvučnog reaktora.
Ultrazvučni set za recirkulaciju: UIP1000hdT s protočnom ćelijom, spremnikom i pumpom
Rezultati procesa ultrazvučne obrade tekućine za danu konfiguraciju parametara funkcija su energije po obrađenom volumenu. Funkcija se mijenja s promjenama pojedinih parametara. Nadalje, stvarna izlazna snaga i intenzitet po površini sonotrode ultrazvučne jedinice ovisi o parametrima.
Kavitacijski učinak ultrazvučne obrade ovisi o površinskom intenzitetu koji se opisuje amplitudom (A), tlakom (p), volumenom reaktora (VR), temperaturom (T), viskoznošću (η) i drugima. Znakovi plus i minus označavaju pozitivan ili negativan utjecaj određenog parametra na intenzitet sonikacije.
Kontroliranjem najvažnijeg parametra procesa ultrazvuka proces je u potpunosti ponovljiv, a postignuti rezultati mogu se skalirati potpuno linearno. Različite vrste sonotroda i ultrazvučnih reaktora protočne ćelije omogućuju prilagodbu specifičnim zahtjevima procesa.
Sažetak: sonikator u odnosu na ultrazvučnu kupku
Dok ultrazvučna kupka pruža slabu sonikaciju s cca. Samo 20 W po litri i vrlo neujednačene raspodjele, sonikatori tipa sonde mogu lako spojiti cca. 20000 W po litri u obrađeni medij. To znači da sonikator tipa ultrazvučne sonde nadmašuje ultrazvučnu kupelj faktorom 1000 (1000x veći unos energije po volumenu) zbog fokusiranog i ravnomjernog unosa ultrazvučne snage. Potpuna kontrola nad najvažnijim parametrima ultrazvuka osigurava potpuno ponovljive rezultate i linearnu skalabilnost rezultata procesa.
Sonda tip sonicator UP200St sa sonotrode S26d7D za šaržnu homogenizaciju uzoraka
Literatura/Reference
- 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.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.
Često postavljana pitanja o ultrazvučnim sondama (FAQ)
Što je sonikator s ultrazvučnom sondom?
Sonikator s ultrazvučnom sondom je uređaj koji koristi visokofrekventne zvučne valove za ometanje ili miješanje uzoraka. Sastoji se od sonde koja, kada je uronjena u tekućinu, stvara ultrazvučne vibracije, dovodeći do kavitacije i željenih učinaka obrade uzorka.
Koji je princip ultrazvuka sonde?
Sonikacija radi na principu ultrazvučne kavitacije. Kada sonda vibrira u uzorku, stvara mikroskopske mjehuriće koji se brzo šire i skupljaju. Ovaj proces stvara intenzivne sile smicanja i toplinu, ometajući stanice ili miješajući komponente na mikroskopskoj razini.
Je li ultrazvučni čistač isto što i sonikator?
Ne, nisu isti. Ultrazvučni čistač koristi vrlo blage ultrazvučne valove u kadi za čišćenje predmeta, uglavnom putem vibracija i vrlo malo kavitacije. Sonikator, točnije sonikator s ultrazvučnom sondom, dizajniran je za izravnu, intenzivnu ultrazvučnu obradu uzoraka, fokusirajući se na prekid ili homogenizaciju.
Čemu služi ultrazvučna sonda?
Ultrazvučna sonda prvenstveno se koristi za zadatke pripreme uzorka kao što su razbijanje stanica, homogenizacija, emulgiranje i disperzija čestica u raznim istraživačkim i industrijskim primjenama u kemiji, biologiji i znanosti o materijalima.
Koja je razlika između sonikatora i sonikatora?
Sonikator sonde izravno uranja sondu u uzorak za intenzivnu sonikaciju. S druge strane, sonikator s kupom i rogom ne uranja sondu, već koristi neizravnu metodu gdje se uzorak stavlja u posudu unutar vodene kupelji koja prenosi ultrazvučnu energiju.
Zašto koristiti sondu sonikator?
Sonda sonikator se koristi zbog svoje sposobnosti da isporuči izravnu ultrazvučnu energiju visokog intenziteta uzorku, postižući učinkovito ometanje, homogenizaciju ili emulzifikaciju. Posebno je vrijedan za uzorke koje je teško obraditi ili kada je potrebna precizna kontrola procesa.
Koje su prednosti sonikatora?
Prednosti obuhvaćaju učinkovitu i brzu obradu uzoraka, svestranost u primjenama, preciznu kontrolu nad parametrima ultrazvuka i sposobnost obrade širokog raspona veličina i tipova uzoraka, od malih laboratorijskih uzoraka do većih industrijskih serija ili protoka.
Kako se koristi sonikator s ultrazvučnom sondom?
Korištenje sonikatora s ultrazvučnom sondom uključuje odabir odgovarajuće veličine sonde i parametara sonikacije, uranjanje vrha sonde u uzorak, a zatim aktiviranje sonikatora na željeno vrijeme i postavke snage kako bi se postigla učinkovita obrada uzorka.
Koja je razlika između sonikacije i ultrazvuka?
Sonikacija se odnosi na opću upotrebu zvučnih valova za obradu materijala, što može uključivati niz frekvencija. Ultrasonication specificira korištenje ultrazvučnih frekvencija (obično iznad 20 kHz), fokusirajući se na aplikacije koje zahtijevaju visokoenergetske zvučne valove za obradu uzorka. Međutim, većina ljudi zapravo govori o ultrazvučnim uređajima kada koriste riječ sonikator.