Sonicator Tipe Probe vs. Pemandian Ultrasonik
Untuk tugas-tugas seperti emulsifikasi, dispersi, ekstraksi, atau pengurangan ukuran partikel, sonicator tipe probe menghasilkan gaya geser yang seragam dan kavitasi intensitas tinggi. Pendekatan langsung ini menangani aplikasi yang sulit dan menskalakan dengan mudah mulai dari pengujian laboratorium kecil hingga produksi penuh. Sementara itu, pemandian ultrasonik mungkin cukup untuk pembersihan ringan atau perawatan intensitas rendah, tetapi mereka sering berjuang dengan pekerjaan yang lebih menuntut yang membutuhkan kontrol yang tepat atas amplitudo dan suhu. Ketika Anda membutuhkan keandalan, fleksibilitas, dan kinerja yang kuat, sonicator tipe probe Hielscher menawarkan keunggulan yang jelas atas bak ultrasonik dasar.
Sonikator tipe probe vs mandi ultrasonik – Jelajahi mengapa sonicator tipe probe unggul dalam efisiensi dan keandalan
Intensitas Kavitasi Sonicator
Sonikator tipe probe memperkenalkan ultrasound daya tinggi langsung ke dalam media cair, di mana gelombang suara menciptakan siklus tekanan tinggi dan tekanan rendah bergantian dalam cairan. Selama siklus tekanan rendah, gelombang ultrasonik intensitas tinggi menciptakan gelembung vakum kecil atau rongga dalam cairan. Ketika gelembung mencapai volume di mana mereka tidak dapat lagi menyerap energi, mereka runtuh dengan keras selama siklus tekanan tinggi. Fenomena ini disebut kavitasi. Selama ledakan, suhu dan tekanan yang sangat tinggi dicapai secara lokal. Ledakan gelembung kavitasi juga menghasilkan jet cair yang sangat cepat.
Latar Belakang: Kavitasi Ultrasonik
Moholkar (2000) menemukan bahwa gelembung di wilayah dengan intensitas kavitasi tertinggi mengalami gerakan sementara, sedangkan gelembung di wilayah dengan intensitas kavitasi terendah mengalami gerakan osilasi yang stabil. Keruntuhan sementara gelembung yang menimbulkan suhu dan tekanan maksimum lokal adalah akar dari efek ultrasound yang diamati pada sistem kimia.
Intensitas dari ultrasonikasi merupakan fungsi dari energi yang masuk dan permukaan sonotrode. Untuk energi yang masuk, berlaku: semakin besar luas permukaan sonotrode, maka semakin rendah intensitas yang terjadi.
Gelombang ultrasound dapat dihasilkan oleh berbagai jenis sistem ultrasonik. Berikut ini, perbedaan antara sonikasi menggunakan ultrasonik bath, ultrasonik untuk perangkat uji coba dalam wadah yang terbuka dan ultrasonik perangkat uji coba dengan aliran sel ruangan akan dibandingkan.
Gambar 1: Penciptaan gelembung kavitasi yang stabil dan sementara. (a) perpindahan, (b) kavitasi sementara, (c) kavitasi stabil, (d) tekanan
[diadaptasi dari Santos et al. 2009]
Perbandingan Distribusi Kavitasi
Untuk aplikasi ultrasonik, Anda dapat menggunakan probe ultrasonik (sonicator tipe probe) atau mandi ultrasonik. “Di antara dua metode ultrasonikasi ini, sonikasi probe lebih efektif dan kuat daripada mandi ultrasonik dalam penerapan dispersi nanopartikel; perangkat mandi ultrasonik dapat memberikan ultrasonikasi yang lemah dengan sekitar 20-40 W / L dan distribusi yang sangat tidak seragam sementara perangkat probe ultrasonik dapat memberikan 20.000 W / L ke dalam cairan. Dengan demikian, ini berarti bahwa perangkat probe ultrasonik mengungguli perangkat mandi ultrasonik dengan faktor 1000.” (lih. Asadi et al., 2019)
Sonitator Tipe Probe vs Pemandian Ultrasonik: Perbandingan Distribusi Kavitasi
Dalam bidang aplikasi ultrasonik, baik sonicator tipe probe dan pemandian ultrasonik memainkan peran penting. Namun, dalam hal dispersi nanopartikel, sonicator probe secara signifikan mengungguli mandi ultrasonik. Menurut Asadi (2019), mandi ultrasonik biasanya menghasilkan ultrasonikasi yang lebih lemah sekitar 20-40 Watt per liter dengan distribusi yang sangat tidak seragam. Sebaliknya, perangkat probe ultrasonik dapat memberikan 20000 Watt per liter yang menakjubkan ke dalam cairan, menunjukkan efektivitas yang melampaui pemandian ultrasonik dengan faktor 1000. Perbedaan yang mencolok ini menyoroti kemampuan unggul sonicator tipe probe dalam mencapai dispersi nanopartikel yang efisien dan seragam.
Pemandian Ultrasonik
Dalam mandi ultrasonik, kavitasi terjadi tidak sesuai dan didistribusikan secara tak terkendali melalui tangki. Efek sonikasi memiliki intensitas rendah dan menyebar tidak merata. Pengulangan dan skalabilitas prosesnya sangat buruk.
Gambar di bawah ini menunjukkan hasil pengujian foil dalam tangki ultrasonik. Untuk ini, aluminium tipis atau timah foil ditempatkan di bagian bawah tangki ultrasonik berisi air. Setelah sonikasi, tanda erosi tunggal terlihat. Bintik-bintik dan lubang berlubang tunggal di foil menunjukkan titik panas kavitasi. Karena energi yang rendah dan distribusi ultrasound yang tidak merata di dalam tangki, tanda erosi hanya terjadi secara spot. Oleh karena itu, bak ultrasonik sebagian besar digunakan untuk aplikasi pembersihan.
Dalam bak atau tangki ultrasonik, titik panas kavitasi akustik terjadi sangat tidak merata.
Angka-angka di bawah ini menunjukkan distribusi yang tidak merata cavitational hot spot dalam bath ultrasonik. Dalam Fig. 2, bath dengan area bawah 20×10 cm telah digunakan.
Gbr.2 menunjukkan distribusi spasial medan ultrasonik dalam bak ultrasonik:
(a) menggunakan 1 L air di dalam bak mandi dan (b) menggunakan volume total 2 L air di dalam bak mandi.
[Nascentes dkk., 2010]
Untuk pengukuran yang ditunjukkan pada gambar 3, bak ultrasonik dengan ruang bawah 12x10cm telah digunakan.
Gambar 3 menunjukkan distribusi spasial medan ultrasonik dalam bak ultrasonik:
(a) menggunakan 1 L air di dalam bak mandi dan (b) menggunakan volume total 1.3 L air di dalam bak mandi.
[Nascentes et al., 2001]
Kedua pengukuran mengungkapkan bahwa distribusi medan iradiasi ultrasonik di tangki ultrasonik sangat tidak merata. Studi iradiasi ultrasonik di berbagai lokasi di bak menunjukkan variasi spasial yang signifikan dalam intensitas kavitasi dalam bak ultrasonik.
Gambar 4 di bawah ini membandingkan efisiensi bak ultrasonik dan perangkat probe ultrasonik yang dicontohkan oleh dekolorisasi pewarna azo Methyl Violet.
Gambar 4: Sonikator tipe probe menyebarkan intensitas energi yang sangat tinggi secara lokal dibandingkan dengan kepadatan ultrasound rendah dari tangki dan bak ultrasonik.
Dhanalakshmi et al. menemukan dalam penelitian mereka bahwa perangkat ultrasonik tipe probe memiliki intensitas lokal yang tinggi dibandingkan dengan tipe tangki dan karenanya, efek lokal yang lebih besar seperti yang digambarkan pada gambar 4. Ini berarti intensitas dan efisiensi proses sonikasi yang lebih tinggi.
Pengaturan ultrasonik seperti yang ditunjukkan pada gambar 4, memungkinkan kontrol penuh atas parameter yang paling penting, seperti amplitudo, tekanan, suhu, viskositas, konsentrasi, volume reaktor.
Gambar 1: Sonotrode mentransmisikan daya ultrasound ke dalam cairan. Kabut di bawah permukaan sonotrode menunjukkan area hot spot kavitasi.
- intens
- terfokus
- sepenuhnya dapat dikontrol
- bahkan distribusi
- direproduksi
- skala-up linear
- batch dan di-line
Keuntungan dari Sonic Tipe Probe
Probe ultrasonik atau sonotrode dirancang untuk memusatkan energi ultrasonik ke area yang terfokus, biasanya di ujung probe. Transmisi energi yang terfokus ini memungkinkan perawatan sampel yang tepat dan efisien. Karena desain probe memastikan bahwa sebagian besar energi ultrasonik diarahkan ke sampel, transfer energi ditingkatkan secara signifikan jika dibandingkan dengan bak ultrasonik. Transmisi daya ultrasound yang terfokus ini sangat menguntungkan untuk aplikasi yang membutuhkan kontrol yang tepat atas parameter sonikasi, seperti gangguan sel, dispersi nano, sintesis nanopartikel, emulsifikasi, dan ekstraksi botani.
Oleh karena itu, sonicator tipe probe menawarkan keunggulan yang berbeda dibandingkan mandi ultrasonik dalam hal presisi, kontrol, fleksibilitas, efisiensi, dan skalabilitas, menjadikannya alat yang sangat diperlukan untuk berbagai aplikasi ilmiah dan industri.
Sonicator tipe probe untuk pemrosesan gelas kimia terbuka
Ketika sampel disonikasi menggunakan perangkat probe ultrasonik, zona sonikasi yang intens berada tepat di bawah sonotrode / probe. Jarak iradiasi ultrasonik terbatas pada area tertentu dari ujung sonotrode. (lihat gambar 1)
Ultrasonik proses dalam gelas terbuka sebagian besar digunakan untuk menguji kelayakan dan untuk preparasi sample volume yang lebih kecil.
Sonicator tipe probe dengan Flow Cell untuk Pemrosesan Inline
Hasil sonication yang paling canggih yang dicapai oleh proses terus-menerus dalam modus aliran-melalui tertutup. Semua bahan diproses oleh intensitas ultrasound yang sama, sebagaimana jalur aliran dan waktu tinggal di ruang reaktor ultrasonik dikendalikan.
Set resirkulasi ultrasonik: UIP1000hdT dengan sel aliran, tangki dan pompa
Hasil proses ultrasonik pengolahan cairan untuk konfigurasi parameter yang diberikan adalah fungsi dari energi per volume diproses. Perubahan fungsi dengan perubahan dalam parameter individu. Selain itu, output daya aktual dan intensitas per luas permukaan sonotrode unit ultrasonik tergantung pada parameter.
Dampak cavitational ultrasonik pemrosesan tergantung pada intensitas permukaan yang dijelaskan oleh amplitudo (A), tekanan (p), volume reaktor (VR), temperatur (T), viskositas (η) dan lainnya. Tanda plus dan minus menunjukkan pengaruh yang positif atau negatif dari spesifik parameter pada intensitas sonikasi.
Dengan mengendalikan parameter yang paling penting dari proses sonikasi, proses ini dapat sepenuhnya diulang dan hasil yang dicapai dapat sepenuhnya diskalakan secara linier. Berbagai jenis sonotrodes dan flow cell reaktor memungkinkan untuk penyesuaian terhadap persyaratan proses tertentu.
Ringkasan: Sonicator Tipe Probe vs Mandi Ultrasonik
Sementara mandi ultrasonik memberikan sonikasi yang lemah dengan sekitar 20 Watt per liter, hanya dan distribusi yang sangat tidak seragam, sonicator tipe probe dapat dengan mudah memasangkan sekitar 20000 Watt per liter ke dalam media yang diproses. Ini berarti bahwa sonicator tipe probe ultrasonik unggul dalam mandi ultrasonik dengan faktor 1000 (input energi 1000x lebih tinggi per volume) karena input daya ultrasonik yang terfokus dan seragam. Kontrol penuh atas parameter sonikasi yang paling penting memastikan hasil yang sepenuhnya dapat direproduksi dan skalabilitas linier dari hasil proses.
Sonicator tipe probe UP200St dengan sonotrode S26d7D untuk homogenisasi sampel tipe batch
Literatur / Referensi
- 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.
Pertanyaan yang Sering Diajukan Tentang Probe Ultrasonik (FAQ)
Apa itu sonicator probe ultrasonik?
Sonikator probe ultrasonik adalah perangkat yang menggunakan gelombang suara frekuensi tinggi untuk mengganggu atau mencampur sampel. Ini terdiri dari probe yang, ketika direndam ke dalam cairan, menghasilkan getaran ultrasonik, yang mengarah ke kavitasi dan efek pemrosesan sampel yang diinginkan.
Apa prinsip sonikasi probe?
Sonikasi probe bekerja berdasarkan prinsip kavitasi ultrasonik. Ketika probe bergetar dalam sampel, ia menciptakan gelembung mikroskopis yang dengan cepat mengembang dan runtuh. Proses ini menghasilkan gaya geser dan panas yang intens, mengganggu sel atau mencampur komponen pada tingkat mikroskopis.
Apakah pembersih ultrasonik sama dengan sonikator?
Tidak, mereka tidak sama. Pembersih ultrasonik menggunakan gelombang ultrasonik yang sangat ringan di bak mandi untuk membersihkan barang, terutama melalui getaran dan kavitasi yang sangat sedikit. Sonikator, khususnya sonicator probe ultrasonik, dirancang untuk perawatan ultrasonik sampel yang langsung dan intensif, dengan fokus pada gangguan atau homogenisasi.
Apa gunanya probe ultrasonik?
Probe ultrasonik terutama digunakan untuk tugas persiapan sampel seperti gangguan sel, homogenisasi, emulsifikasi, dan dispersi partikel dalam berbagai penelitian dan aplikasi industri di seluruh kimia, biologi, dan ilmu material.
Apa perbedaan antara sonicator probe dan klakson cangkir?
Sonikator probe langsung merendam probe ke dalam sampel untuk sonikasi yang intens. Sonicator klakson cangkir, di sisi lain, tidak merendam probe tetapi menggunakan metode tidak langsung di mana sampel ditempatkan dalam wadah di dalam penangas air yang mentransmisikan energi ultrasonik.
Mengapa menggunakan sonicator probe?
Sonikator probe digunakan untuk kemampuannya untuk mengirimkan energi ultrasonik intensitas tinggi langsung ke sampel, mencapai gangguan, homogenisasi, atau emulsifikasi yang efisien. Ini sangat berharga untuk sampel yang sulit diproses atau ketika kontrol yang tepat atas proses diperlukan.
Apa keuntungan dari sonicator probe?
Keuntungan meliputi pemrosesan sampel yang efisien dan cepat, keserbagunaan dalam aplikasi, kontrol yang tepat atas parameter sonikasi, dan kemampuan untuk memproses berbagai ukuran dan jenis sampel, dari sampel laboratorium volume kecil hingga batch industri yang lebih besar atau laju aliran.
Bagaimana Anda menggunakan sonicator probe ultrasonik?
Menggunakan sonicator probe ultrasonik melibatkan pemilihan ukuran probe dan parameter sonikasi yang sesuai, merendam ujung probe ke dalam sampel, dan kemudian mengaktifkan sonicator untuk pengaturan waktu dan daya yang diinginkan untuk mencapai pemrosesan sampel yang efektif.
Apa perbedaan antara sonikasi dan ultrasonikasi?
Sonikasi mengacu pada penggunaan umum gelombang suara untuk memproses bahan, yang dapat mencakup berbagai frekuensi. Ultrasonikasi menentukan penggunaan frekuensi ultrasonik (biasanya di atas 20 kHz), dengan fokus pada aplikasi yang membutuhkan gelombang suara berenergi tinggi untuk pemrosesan sampel. Namun, kebanyakan orang sebenarnya mengacu pada ultrasonikator, ketika mereka menggunakan kata sonikator.