A szonikálási folyamatokat szonda típusú ultrahangos homogenizátor vagy ultrahangos fürdő használatával lehet elvégezni. Bár mindkét technika ultrahangot alkalmaz a mintára, jelentős különbségek vannak a hatékonyság, a hatékonyság és a folyamatképességek között. A szonda típusú ultrasonicators drasztikusan kiemelkedik az ultrahangos fürdőben, amikor az ultrahang intenzitásáról, amplitúdóról, egységes feldolgozásról és reprodukálhatóságról van szó.

A folyadék ultrahangosodásának kívánt hatásai – beleértve homogenizálás, diszpergáló, deagglomeration, marás, emulgeáló, kitermelése, lízis, Szétesés és sonokémiai hatások - okozta kavitációs. A nagy teljesítményű ultrahangot folyékony közegbe juttatva a hanghullámokat a folyadékban továbbítják, és váltakozóan nagynyomású (tömörítési) és alacsony nyomású (ritkítási) ciklusokat hoznak létre, frekvenciától függően. Az alacsony nyomású ciklus alatt a nagy intenzitású ultrahangos hullámok kis vákuum buborékokat vagy üregeket hoznak létre a folyadékban. Amikor a buborékok olyan térfogatot érnek el, amelyen már nem képesek elnyelni az energiát, akkor hevesen összeomlik a nagynyomású ciklus alatt. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik. Az implózis során lokálisan magas hőmérsékleteket (kb. 5000K) és nyomást (kb. 2000m) érnek el. A kavitációs buborék implozíciója akár 280 m / s sebességű folyékony fúvókákat eredményez. [Suslick 1998]

Moholkar et al. (2000) azt találták, hogy a legmagasabb kavitációs intenzitás tartományában lévő buborékok átmeneti mozgást mutattak, míg a legkisebb kavitációs intenzitású tartományban lévő buborékok stabil / oszcilláló mozgást végeztek. A buborékok átmeneti összeomlása, amely helyi hőmérsékleti és nyomásértékeket eredményez, az ultrahang kémiai rendszerekben megfigyelt hatásainak gyökere.
Az ultrahangozás intenzitása az energiabevitel és a sonotrode felületének függvénye. Egy adott energia bemenet esetén: minél nagyobb a sonotrode felülete, annál alacsonyabb az ultrahang intenzitása.
Ultrahanghullámokat különféle ultrahangos rendszerek generálhatnak. Az alábbiakban összehasonlítjuk az ultrahangos fürdõvel, az ultrahangos érzékelõ eszközzel egy nyitott edényben végzett ultrahangos érzékelõvel és az áramlási cella kamrával felszerelt ultrahangos vizsgálóberendezés közötti különbségeket.

A kavitációs hot spot eloszlás összehasonlítása

Ultrahangos alkalmazásokhoz ultrahangos szondákat (sonotrodes / szarvak) és ultrahangos fürdőket használnak. “Az ultrahangos kezelés e két módszere közül a szonda szonikálása hatékonyabb és erősebb, mint az ultrahangos fürdő a nanorészecskék diszperziójának alkalmazásában; az ultrahangos fürdőberendezés gyenge ultrahangos kezeléssel, körülbelül 20-40 W / l-vel és nagyon nem egyenletes eloszlással, míg az ultrahangos szonda eszköz 20 000 W / L-t biztosít a folyadékba. Így ez azt jelenti, hogy egy ultrahangos szonda eszköz 1000-es tényezővel kiemelkedik az ultrahangos fürdőberendezésben.” (vö. Asadi et al., 2019)

Ultrahangos fürdő

Ultrahangos fürdőben a kavitáció nem tartható és ellenőrizhetetlenül eloszlik a tartályon. Az ultrahangos hatás alacsony intenzitású és egyenetlenül terjedését. A folyamat ismételhetősége és skálázhatósága nagyon gyenge.
Az alábbi képen egy ultrahangos tartályban végzett fóliavizsgálat eredményei láthatók. Ezért vékony alumínium vagy ónfóliát helyeznek a vízzel töltött ultrahangtartály aljára. Az ultrahangozás után egyetlen eróziós jel látható. Ezek az egyetlen perforált foltok és lyukak a fóliában a kavitációs forró pontokat jelzik. Miatt a alacsony energia és a egyenetlen az ultrahang eloszlása ​​a tartályon belül, az eróziós jelek csak foltszerűen fordulnak elő. Ezért az ultrahangos fürdőket többnyire az alkalmazások tisztítására használják.

Az alábbi ábrák a kavitációs forró pontok egyenetlen eloszlását mutatják ultrahangos fürdőben. A 2. ábrán egy fürdő, amelynek alsó területe 20×10 cm-t használtunk.

A 3. ábrán feltüntetett mérésekhez 12x10 cm alsó térfogatú ultrahangos fürdőt használtunk.

Mindkét mérés azt mutatja, hogy az ultrahangos besugárzási mező eloszlása ​​az ultrahangos tartályokban nagyon egyenetlen.
Az ultrahangos besugárzás vizsgálata a fürdő különböző helyszínein jelentős térbeli változásokat mutat az ultrahangos fürdő kavitációs intenzitásában.

Az alábbi 4. ábrán összehasonlítjuk az ultrahangos kád és az ultrahangos érzékelő hatékonyságát, melyet az azo-festék Metil-Violet dekolorizációja szemléltet.

Dhanalakshmi et al. a tanulmányukban azt találták szonda típusú ultrahangos eszközök rendelkeznek a magasan lokalizált intenzitással összehasonlítva a tartálytípussal, és ezáltal a 4. ábrán látható nagyobb lokális hatást. Ez az ultrahangos eljárás nagyobb intenzitását és hatékonyságát jelenti.
A 4. képen látható ultrahangos beállítás lehetővé teszi a legfontosabb paraméterek - amplitúdó, nyomás, hőmérséklet, viszkozitás, koncentráció, reaktor térfogat - ellenőrzését.

Ultrahangos mérőberendezés nyitott főzőpohárban

Ha a mintákat ultrahangos érzékelővel ultrahanggal ultrahanggal kezeljük, az intenzív ultrahangos zóna közvetlenül a sonotrode / szonda alatt található. Az ultrahangos besugárzási távolság a sonotrode csúcsának egy bizonyos területére korlátozódik. (lásd a 1. ábrát)
Az ultrahangos eljárásokat nyitott üveggyöngyökben többnyire a megvalósíthatósági teszteléshez és kisebb mennyiségű minta előkészítéséhez használják.

Ultrahangos mérőberendezés folyamatos üzemű üzemmódban

A legfejlettebb szonikációs eredményeket folyamatos feldolgozással, zárt áramlású üzemmódban érik el. Az összes anyagot ugyanolyan ultrahang intenzitással dolgozzák fel, mint az áramlási útvonalat és a tartózkodási időt az ultrahang reaktorkamrában.

Pic. 4: 1 kW ultrahangos rendszer UIP1000hd áramlási cella és szivattyú

Az ultrahangos folyadék feldolgozás folyamatának eredményei egy adott paraméterkonfigurációhoz a feldolgozott térfogat / energia mennyisége függvénye. A funkció változik az egyes paraméterek módosításaival. Ezenkívül az ultrahangos egység szonotródjainak tényleges teljesítménye és intenzitása felülmúlja a paramétereket.

Az ultrahangos feldolgozás kavitációs hatása az amplitúdó (A), a nyomás (p), a reaktor térfogata (VR), a hőmérséklet (T), a viszkozitás (η) és mások által leírt felületintenzitás függvénye. A plusz és mínusz jelek az adott paraméter pozitív vagy negatív hatását jelzik az ultrahangos intenzitásra.

Az ultrahangkezelés legfontosabb paraméterének szabályozásával a folyamat teljesen megismételhető, és az elért eredmények teljesen lineárisan skálázhatók. Különböző típusú sonotrodák és ultrahangos áramlási cella reaktorok lehetővé teszik az alkalmazkodást a speciális folyamat követelményeihez.

összefoglalás

Míg a Ultrahangos fürdő a gyenge szonikáció kb. 20-40 W / L és nagyon nem egyenletes terjesztés, ultrahangos szonda típus az eszközök kb. 20.000 W / L a feldolgozott közegbe. Ez azt jelenti, hogy egy ultrahangos szondás típusú készülék egy ultrahangos fürdő 1000-es tényezővel (1000x nagyobb energiabevitel egy térfogat) összpontosított és egyenruha ultrahangos teljesítménybemenet. A legfontosabb szonikációs paraméterek teljes ellenőrzése biztosítja teljesen reprodukálható eredmények és a lineáris skálázhatóság a folyamat eredményeit.