超音波処理プロセスは、プローブ型超音波ホモジナイザーまたは超音波浴の使用によって行うことができます。しかし、両方の技術は、サンプルに超音波を適用しますが、有効性、効率およびプロセス能力に有意な違いがあります。プローブ式超音波装置は超音波強度、振幅、均一加工、再現性に関しては超音波浴を大幅に得意としています。

液体の超音波から所望の効果 – 含めて 均一化、 分散、 解凝集、 製粉、 乳化、 抽出、 溶解、 崩壊 そして 音響化学効果 - によって引き起こされます キャビテーション。高出力超音波を液体媒体に導入することにより、音波は流体中を伝播し、周波数に応じて交互の高圧（圧縮）および低圧（希薄）サイクルを生成する。低圧サイクルの間、高強度超音波は、液体中に小さな真空気泡または空隙を生成する。気泡がもはやエネルギーを吸収できない容積に達すると、高圧サイクル中に激しく崩壊する。この現象をキャビテーションといいます。爆縮の間、非常に高い温度（約5,000K）および圧力（約2,000atm）が局部的に達成される。キャビテーション気泡の内破はまた、最大280m / sの速度の液体ジェットをもたらす。 [Suslick 1998]

Moholkarら。 （2000）は最低のキャビテーション強度の領域における気泡の安定/振動運動を受けつつ、最高キャビテーション強度の領域における気泡は、過渡運動を受けたことを見出しました。局所的な温度と圧力の最大値を生じる気泡の一過性崩壊は、化学システムでの超音波の観察された効果の根底にあります。
超音波の強度は、エネルギー入力及びソノトロード表面積の関数です。所与のエネルギー入力に適用されます。ソノトロードのより大きな表面積が、超音波の強度が低いです。
超音波は、超音波システムの異なる種類によって生成することができます。以下では、フローセルチャンバーと開放容器と超音波プローブ装置において、超音波浴、超音波プローブ装置を用いて超音波処理の間の差を比較します。

キャビテーションホットスポット分布の比較

超音波用途には、超音波プローブ(ソノトロード/ホーン)および超音波浴が使用されます。 “超音波のこれらの2つの方法の中で、プローブ超音波処理は、ナノ粒子分散のアプリケーションで超音波浴よりも効果的かつ強力です。超音波浴装置は、超音波プローブ装置が流体に20,000 W / Lを提供することができる間、約20〜40 W /Lと非常に不均一な分布と弱い超音波を提供することができます。このように、超音波プローブ装置が1000の係数で超音波浴装置に優れているということを意味する。” (cf. Asadiら, 2019)

超音波浴

超音波浴中で、キャビテーションは、非適合と制御不能タンクを介して配布起こります。超音波処理の効果があります 低強度の そして 不均一 スプレッド。プロセスの再現性と拡張性が非常に悪いです。
下の写真は、超音波タンク内箔試験の結果を示します。したがって、薄いアルミニウム又はスズ箔を水満たした超音波タンクの底部に配置されています。超音波処理後、単一侵食マークが表示されています。ホイルのもの単一穿孔スポットと正孔がキャビテーションホットスポットを示します。による 低エネルギー そしてその ムラ タンク内の超音波の分布は、侵食マークはスポットのみワイズ起こります。したがって、超音波浴は、主に洗浄用途のために使用されています。

以下の図は、超音波浴中でキャビテーションのホットスポットの不均一な分布を示します。図2において、20の底面積とバス×10センチメートルが使用されてきました。

図3に示した測定のため、12x10cmの底部空間を有する超音波浴が使用されています。

両方の測定は、超音波槽で超音波照射野の分布が非常に不均一であることがわかります。
浴中の様々な場所における超音波照射の研究では、超音波浴中でキャビテーション強度の有意な空間的変化を示しています。

図4は、以下の超音波浴の効率及びアゾ染料メチルバイオレットの脱色によって例示超音波プローブ装置とを比較します。

Dhanalakshmiら。彼らの研究に見られるもの プローブ型超音波 デバイスは持っています 高いローカライズ したがって、タンク型と、図1に示すように大きな局所的な効果に比べて強度が4.これは超音波処理プロセスのより高い強度および効率を意味します。
振幅、圧力、温度、粘度、濃度、反応器の容積 - 画像4に示すように、超音波セットアップは、最も重要なパラメータを完全に制御することを可能にします。

開いたビーカーに超音波プローブ装置

サンプルを超音波プローブ装置を用いて超音波処理された場合、激しい超音波処理ゾーンは、ソノトロード/プローブの直下にあります。超音波照射距離がソノトロードの先端の特定の領域に制限されます。 （pic.1を参照してください）
開放ビーカー中で超音波処理は、主に実現可能性試験のために、より小さい体積の試料調製のために使用されます。

連続フローモードの超音波プローブ装置

最も洗練された超音波処理結果は、閉じたフロースルーモードでの連続処理によって達成されます。超音波反応器チャンバ内の流路及び滞留時間を制御するように、すべての材料は、同じ超音波強度によって処理されます。

ピック。 4：1kWの超音波システム UIP1000hd フローセルとポンプで

所与のパラメータ設定のための超音波液体処理の処理結果は、処理体積当たりのエネルギーの関数です。関数は、個々のパラメータの変化に伴って変化します。また、超音波装置のソノトロードの表面積あたりの実際の電力出力及び強度パラメータに依存します。

超音波処理のキャビテーションの影響は、振幅（A）、圧力（P）、リアクターボリューム（VR）、温度（T）、粘度（η）などによってdecribedされた表面の強度に依存します。プラスとマイナス記号は、超音波処理の強度上の特定のパラメータの正または負の影響を示しています。

超音波処理プロセスの最も重要なパラメータを制御することにより、プロセスは完全に再現性があると達成された結果は、完全にリニアスケーリングすることができます。ソノトロード超音波フローセル反応器の異なるタイプは、特定のプロセス要件に適合することを可能にします。

概要

一方で 超音波浴 提供 弱い 約で超音波処理。 20-40 W / L そして、非常に 非一様 分布、 超音波プローブ型 デバイスは簡単にカップル約をすることができます。 処理中に20.000 W / L。これは、超音波プローブタイプのデバイスが原因1000倍（体積あたりの1000倍より高いエネルギー入力）によって、超音波浴に優れていることを意味します 集中 そして 制服 超音波パワー入力。最も重要な超音波処理パラメータ性を保証を完全に制御 完全に再現可能 結果と リニアなスケーラビリティ 処理結果の。