Probe-Type Sonicators წინააღმდეგ ულტრაბგერითი აბაზანები
ისეთი ამოცანებისთვის, როგორიცაა ემულსიფიკაცია, დისპერსია, ექსტრაქცია ან ნაწილაკების ზომის შემცირება, ზონდის ტიპის სონიკატორები წარმოქმნიან ერთიან ათვლის ძალებს და მაღალი ინტენსივობის კავიტაციას. ეს პირდაპირი მიდგომა ებრძვის მკაცრ აპლიკაციებს და ადვილად მასშტაბებს მცირე ლაბორატორიული ტესტებიდან სრულ წარმოებამდე. იმავდროულად, ულტრაბგერითი აბაზანები შეიძლება საკმარისი იყოს რბილი გაწმენდისთვის ან დაბალი ინტენსივობის სამკურნალოდ, მაგრამ ისინი ხშირად ებრძვიან უფრო მოთხოვნად სამუშაოებს, რომლებიც საჭიროებენ ამპლიტუდისა და ტემპერატურის ზუსტ კონტროლს. როდესაც გჭირდებათ საიმედოობა, მოქნილობა და ძლიერი შესრულება, Hielscher ზონდის ტიპის სონიკატორები გვთავაზობენ მკაფიო უპირატესობას ძირითადი ულტრაბგერითი აბაზანების მიმართ.
ზონდის ტიპის sonicator vs ულტრაბგერითი აბაზანა – გამოიკვლიეთ, რატომ გამოირჩევიან ზონდის ტიპის sonicators ეფექტურობითა და საიმედოობით
სონიკატორის კავიტაციის ინტენსივობა
ზონდის ტიპის sonicators შემოაქვს მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერას პირდაპირ თხევად გარემოში, სადაც ხმის ტალღები ქმნიან მონაცვლეობით მაღალი წნევის და დაბალი წნევის ციკლებს სითხეში. დაბალი წნევის ციკლის დროს, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები ქმნიან პატარა ვაკუუმურ ბუშტებს ან სიცარიელეს სითხეში. როდესაც ბუშტები მიაღწევენ მოცულობას, რომლითაც ისინი ვეღარ შთანთქავენ ენერგიას, ისინი ძლიერად იშლება მაღალი წნევის ციკლის დროს. ამ ფენომენს კავიტაცია ეწოდება. აფეთქების დროს ადგილობრივად მიიღწევა ძალიან მაღალი ტემპერატურა და წნევა. კავიტაციის ბუშტის აფეთქება ასევე იწვევს უკიდურესად სწრაფ თხევადი ჭავლებს.
ფონი: ულტრაბგერითი კავიტაცია
მოჰოლკარმა (2000) აღმოაჩინა, რომ ბუშტები ყველაზე მაღალი კავიტაციის ინტენსივობის რეგიონში განიცდიან გარდამავალ მოძრაობას, ხოლო ბუშტები ყველაზე დაბალი კავიტაციის ინტენსივობის რეგიონში განიცდიან სტაბილურ, რხევად მოძრაობას. ბუშტების გარდამავალი კოლაფსი, რომელიც იწვევს ადგილობრივ ტემპერატურასა და წნევის მაქსიმუმებს, არის ქიმიურ სისტემებზე ულტრაბგერის დაკვირვებული ზემოქმედების საფუძველი.
ინტენსივობა ultrasonication არის ფუნქცია ენერგიის შეყვანის და sonotrode ზედაპირზე ფართობი. მოცემული ენერგიის შეყვანისთვის გამოიყენება: რაც უფრო დიდია სონოტროდის ზედაპირის ფართობი, მით უფრო დაბალია ულტრაბგერის ინტენსივობა.
ულტრაბგერითი ტალღები შეიძლება წარმოიქმნას სხვადასხვა ტიპის ულტრაბგერითი სისტემებით. შემდგომში, შედარებულია განსხვავებები ულტრაბგერითი აბაზანის გამოყენებით გაჟღენთვას, ულტრაბგერითი ზონდის მოწყობილობას ღია ჭურჭელში და ულტრაბგერითი ზონდის მოწყობილობას შორის ნაკადის უჯრედის კამერით.
სურ. 1: სტაბილური და გარდამავალი კავიტაციის ბუშტების შექმნა. (ა) გადაადგილება, (ბ) გარდამავალი კავიტაცია, (გ) სტაბილური კავიტაცია, (დ) წნევა
[ადაპტირებულია Santos et al. 2009]
კავიტაციის განაწილების შედარება
ულტრაბგერითი გამოყენებისთვის შეგიძლიათ გამოიყენოთ ულტრაბგერითი ზონდები (ზონდის ტიპის სონიკატორები) ან ულტრაბგერითი აბაზანები. “ულტრაბგერითი დამუშავების ამ ორ მეთოდს შორის, ზონდი უფრო ეფექტური და ძლიერია, ვიდრე ულტრაბგერითი აბაზანა ნანონაწილაკების დისპერსიის გამოყენებისას; ულტრაბგერითი აბაზანის მოწყობილობას შეუძლია უზრუნველყოს სუსტი ულტრაბგერითი გამოსხივება დაახლოებით 20-40 W/L და ძალიან არაერთგვაროვანი განაწილებით, ხოლო ულტრაბგერითი ზონდის მოწყობილობას შეუძლია უზრუნველყოს 20,000 W/L სითხეში. ამრიგად, ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი ზონდი აღემატება ულტრაბგერითი აბაზანის მოწყობილობას 1000-ით.” (შდრ. Asadi et al., 2019)
ზონდის ტიპის სონიკატორები vs ულტრაბგერითი აბანოები: კავიტაციის განაწილების შედარება
ულტრაბგერითი აპლიკაციების სფეროში, როგორც ზონდის ტიპის სონიკატორები, ასევე ულტრაბგერითი აბაზანები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ. თუმცა, როდესაც საქმე ეხება ნანონაწილაკების დისპერსიას, ზონდის სონიკატორები მნიშვნელოვნად აღემატება ულტრაბგერით აბაზანებს. Asadi-ს (2019) მიხედვით, ულტრაბგერითი აბაზანები, როგორც წესი, წარმოქმნიან სუსტ ულტრაბგერითი გამოსხივებას დაახლოებით 20-40 ვატი ლიტრზე, უაღრესად არაერთგვაროვანი განაწილებით. მკვეთრი განსხვავებით, ულტრაბგერითი ზონდის მოწყობილობებს შეუძლიათ სითხეში გასაოცარი 20000 ვატი ლიტრზე მიტანა, რაც აჩვენებს ეფექტურობას, რომელიც აჭარბებს ულტრაბგერით აბაზანებს 1000-ით.
ულტრაბგერითი აბაზანები
ულტრაბგერითი აბანოში კავიტაცია ხდება შეუსაბამოდ და უკონტროლოდ ნაწილდება ავზში. ბგერითი ეფექტი არის დაბალი ინტენსივობის და არათანაბრად გავრცელებული. პროცესის განმეორებადობა და მასშტაბურობა ძალიან ცუდია.
ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს ფოლგის ტესტირების შედეგებს ულტრაბგერითი ავზში. ამისათვის თხელი ალუმინის ან თუნუქის ფოლგა მოთავსებულია წყლით სავსე ულტრაბგერითი ავზის ძირში. გაჟონვის შემდეგ ჩანს ეროზიის ერთი კვალი. ეს ერთი პერფორირებული ლაქები და ხვრელები ფოლგაში მიუთითებს კავიტაციის ცხელ წერტილებზე. დაბალი ენერგიისა და ულტრაბგერის არათანაბარი განაწილების გამო ავზში, ეროზიის ნიშნები ჩნდება მხოლოდ ადგილზე. აქედან გამომდინარე, ულტრაბგერითი აბაზანები ძირითადად გამოიყენება დასუფთავებისთვის.
ულტრაბგერითი აბაზანაში ან ავზში, აკუსტიკური კავიტაციის ცხელი წერტილი ძალიან არათანაბრად ხდება.
ქვემოთ მოყვანილი ფიგურები გვიჩვენებს ულტრაბგერითი აბანოში კავიტაციის ცხელი წერტილების არათანაბარი განაწილებას. 2-ში აბანო ქვედა ფართობით 20×გამოყენებულია 10 სმ.
ნახ.2 გვიჩვენებს ულტრაბგერითი ველის სივრცით განაწილებას ულტრაბგერითი აბანოში:
(ა) აბაზანაში 1 ლ წყლის გამოყენება და (ბ) აბაზანაში 2 ლ წყლის საერთო მოცულობის გამოყენება.
[Nascentes et al., 2010]
მე-3 სურათზე ნაჩვენები გაზომვებისთვის გამოყენებულია ულტრაბგერითი აბაზანა ქვედა სივრცით 12x10 სმ.
ნახ. 3 გვიჩვენებს ულტრაბგერითი ველის სივრცით განაწილებას ულტრაბგერითი აბანოში:
(ა) აბაზანაში 1 ლ წყლის გამოყენება და (ბ) აბანოში 1,3 ლ წყლის საერთო მოცულობის გამოყენება.
[Nascentes et al., 2001]
ორივე გაზომვა ცხადყოფს, რომ ულტრაბგერითი დასხივების ველის განაწილება ულტრაბგერითი ტანკებში ძალიან არათანაბარია. აბაზანის სხვადასხვა ადგილას ულტრაბგერითი დასხივების შესწავლა გვიჩვენებს ულტრაბგერითი აბანოში კავიტაციის ინტენსივობის მნიშვნელოვან სივრცულ ცვალებადობას.
ქვემოთ მოყვანილი სურათი 4 ადარებს ულტრაბგერითი აბაზანისა და ულტრაბგერითი ზონდის მოწყობილობის ეფექტურობას, რომელიც ასახულია აზო-საღებავ მეთილის იისფერის გაუფერულებით.
სურ. 4: ზონდის ტიპის სონიკატორები ახორციელებენ ლოკალიზებულ ძალიან მაღალ ენერგეტიკულ ინტენსივობას ულტრაბგერითი ავზებისა და აბანოების დაბალი ულტრაბგერითი სიმკვრივის შედარებით.
დანალაკშმი და სხვ. მათ კვლევაში დაადგინეს, რომ ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი მოწყობილობებს აქვთ მაღალი ლოკალიზებული ინტენსივობა სატანკო ტიპთან შედარებით და, შესაბამისად, უფრო დიდი ლოკალიზებული ეფექტი, როგორც ეს გამოსახულია 4-ზე. ეს ნიშნავს ხმოვანი პროცესის უფრო მაღალ ინტენსივობას და ეფექტურობას.
ულტრაბგერითი დაყენება, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 4, იძლევა სრულ კონტროლს ყველაზე მნიშვნელოვან პარამეტრებზე, როგორიცაა ამპლიტუდა, წნევა, ტემპერატურა, სიბლანტე, კონცენტრაცია, რეაქტორის მოცულობა.
სურათი 1: Sonotrode გადასცემს დენის ულტრაბგერას სითხეში. სონოტროდის ზედაპირის ქვეშ დაბურვა მიუთითებს კავიტაციის ცხელ წერტილზე.
- ინტენსიური
- ორიენტირებული
- სრულად კონტროლირებადი
- თანაბარი განაწილება
- გამრავლებადი
- ხაზოვანი მასშტაბირება
- სურათების და ხაზში
Probe-Type Sonicators-ის უპირატესობები
ულტრაბგერითი ზონდები ან სონოტროდები შექმნილია ულტრაბგერითი ენერგიის კონცენტრირებისთვის ფოკუსირებულ ზონაში, როგორც წესი, ზონდის წვერზე. ეს ორიენტირებული ენერგიის გადაცემა იძლევა ნიმუშების ზუსტი და ეფექტური დამუშავების საშუალებას. ვინაიდან ზონდის დიზაინი უზრუნველყოფს, რომ ულტრაბგერითი ენერგიის მნიშვნელოვანი ნაწილი მიმართულია ნიმუშისკენ, ენერგიის გადაცემა მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია ულტრაბგერითი აბაზანებთან შედარებით. ულტრაბგერითი ენერგიის ეს ორიენტირებული გადაცემა განსაკუთრებით ხელსაყრელია იმ აპლიკაციებისთვის, რომლებიც საჭიროებენ ზუსტ კონტროლს ხმოვან პარამეტრებზე, როგორიცაა უჯრედების დარღვევა, ნანოდისპერსია, ნანონაწილაკების სინთეზი, ემულსიფიკაცია და ბოტანიკური ექსტრაქცია.
მაშასადამე, ზონდის ტიპის sonicators გვთავაზობენ მკაფიო უპირატესობებს ულტრაბგერითი აბაზანების მიმართ სიზუსტის, კონტროლის, მოქნილობის, ეფექტურობისა და მასშტაბურობის თვალსაზრისით, რაც მათ შეუცვლელ ინსტრუმენტად აქცევს სამეცნიერო და სამრეწველო აპლიკაციების ფართო სპექტრისთვის.
ზონდის ტიპის Sonicators ღია ჭიქა დამუშავებისთვის
როდესაც ნიმუშები ხმოვანდება ულტრაბგერითი ზონდის მოწყობილობის გამოყენებით, ინტენსიური ბგერითი ზონა უშუალოდ სონოტროდის/ზონდის ქვეშ არის. ულტრაბგერითი დასხივების მანძილი შემოიფარგლება სონოტროდის წვერის გარკვეული ფართობით. (იხილეთ სურათი 1)
ულტრაბგერითი პროცესები ღია ჭიქაში ძირითადად გამოიყენება ტექნიკურ-ეკონომიკური ტესტირებისთვის და მცირე მოცულობის ნიმუშის მოსამზადებლად.
ზონდის ტიპის Sonicators ერთად Flow Cell for Inline Processing
ყველაზე დახვეწილი სონიკაციის შედეგები მიიღწევა უწყვეტი დამუშავებით დახურულ ნაკადის რეჟიმში. ყველა მასალა მუშავდება იმავე ულტრაბგერითი ინტენსივობით, როგორც კონტროლდება დინების გზა და ულტრაბგერითი რეაქტორის პალატაში დარჩენის დრო.
ულტრაბგერითი რეცირკულაციის ნაკრები: UIP1000hdT ნაკადის უჯრედით, ავზით და ტუმბოთ
ულტრაბგერითი სითხის დამუშავების პროცესის შედეგები მოცემული პარამეტრის კონფიგურაციისთვის არის ენერგიის ფუნქცია დამუშავებულ მოცულობაზე. ფუნქცია იცვლება ცალკეული პარამეტრების ცვლილებით. გარდა ამისა, ულტრაბგერითი ერთეულის სონოტროდის ფაქტობრივი სიმძლავრე და ინტენსივობა თითო ზედაპირის ფართობზე დამოკიდებულია პარამეტრებზე.
ულტრაბგერითი დამუშავების კავიტაციური ზემოქმედება დამოკიდებულია ზედაპირის ინტენსივობაზე, რომელიც აღწერილია ამპლიტუდით (A), წნევით (p), რეაქტორის მოცულობით (VR), ტემპერატურა (T), სიბლანტე (η) და სხვა. პლიუს და მინუს ნიშნები მიუთითებს კონკრეტული პარამეტრის დადებით ან უარყოფით გავლენას ბგერითი ინტენსივობაზე.
ბგერითი პროცესის ყველაზე მნიშვნელოვანი პარამეტრის კონტროლით პროცესი სრულად განმეორდება და მიღწეული შედეგების მასშტაბირება შესაძლებელია მთლიანად ხაზოვანი. სხვადასხვა ტიპის sonotrodes და ულტრაბგერითი ნაკადის უჯრედის რეაქტორები საშუალებას იძლევა ადაპტირება კონკრეტული პროცესის მოთხოვნებთან.
რეზიუმე: Probe-Type Sonicator vs Ultrasonic Bath
მაშინ როცა ულტრაბგერითი აბაზანა უზრუნველყოფს სუსტი ჟღერადობით დაახ. 20 ვატი ლიტრზე, მხოლოდ და ძალიან არაერთგვაროვანი განაწილებით, ზონდის ტიპის სონიკატორებს ადვილად შეუძლიათ დაახლ. 20000 ვატი ლიტრზე დამუშავებულ გარემოში. ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი ზონდის ტიპის სონიკატორი აჯობებს ულტრაბგერით აბაზანას 1000 კოეფიციენტით (1000-ჯერ მეტი ენერგიის შეყვანა თითო მოცულობაზე) ფოკუსირებული და ერთიანი ულტრაბგერითი ენერგიის შეყვანის გამო. ხმოვანი გამოსხივების ყველაზე მნიშვნელოვან პარამეტრებზე სრული კონტროლი უზრუნველყოფს სრულად გამეორებად შედეგებს და პროცესის შედეგების ხაზოვან მასშტაბურობას.
ზონდის ტიპის sonicator UP200St sonotrode S26d7D ნიმუშების სერიული ტიპის ჰომოგენიზაციისთვის
ლიტერატურა/ცნობარი
- 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.
ხშირად დასმული კითხვები ულტრაბგერითი ზონდების შესახებ (FAQs)
რა არის ულტრაბგერითი ზონდი sonicator?
ულტრაბგერითი ზონდი არის მოწყობილობა, რომელიც იყენებს მაღალი სიხშირის ხმის ტალღებს ნიმუშების დასაშლელად ან შერევისთვის. იგი შედგება ზონდისგან, რომელიც სითხეში ჩაძირვისას წარმოქმნის ულტრაბგერით ვიბრაციას, რაც იწვევს კავიტაციას და ნიმუშის დამუშავების სასურველ ეფექტს.
რა არის ზონდის ზონირების პრინციპი?
ზონდის სონიკა მუშაობს ულტრაბგერითი კავიტაციის პრინციპით. როდესაც ზონდი ვიბრირებს ნიმუშში, ის ქმნის მიკროსკოპულ ბუშტებს, რომლებიც სწრაფად აფართოებენ და იშლება. ეს პროცესი წარმოქმნის ინტენსიურ ათვლის ძალებს და სითბოს, არღვევს უჯრედებს ან არევს კომპონენტებს მიკროსკოპულ დონეზე.
ულტრაბგერითი გამწმენდი იგივეა რაც სონიკატორი?
არა, ისინი არ არიან იგივე. ულტრაბგერითი გამწმენდი იყენებს ძალიან რბილ ულტრაბგერით ტალღებს აბანოში ნივთების გასასუფთავებლად, ძირითადად ვიბრაციისა და ძალიან მცირე კავიტაციის გზით. Sonicator, კონკრეტულად ულტრაბგერითი ზონდი sonicator, შექმნილია ნიმუშების პირდაპირი, ინტენსიური ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის, ფოკუსირებულია დარღვევაზე ან ჰომოგენიზაციაზე.
რა არის ულტრაბგერითი ზონდის გამოყენება?
ულტრაბგერითი ზონდი ძირითადად გამოიყენება ნიმუშების მომზადებისთვის, როგორიცაა უჯრედების დაშლა, ჰომოგენიზაცია, ემულსიფიკაცია და ნაწილაკების დაშლა სხვადასხვა კვლევებში და სამრეწველო აპლიკაციებში ქიმიაში, ბიოლოგიაში და მასალების მეცნიერებაში.
რა განსხვავებაა ზონდის სონიკატორსა და თასის რქას შორის?
ზონდის სონიკატორი პირდაპირ ჩაძირავს ზონდს ნიმუშში ინტენსიური სონიკაციისთვის. მეორეს მხრივ, თასის რქის სონიკატორი არ ჩაძირავს ზონდს, მაგრამ იყენებს არაპირდაპირ მეთოდს, სადაც ნიმუში მოთავსებულია კონტეინერში წყლის აბაზანაში, რომელიც გადასცემს ულტრაბგერითი ენერგიას.
რატომ გამოვიყენოთ ზონდი sonicator?
ზონდის სონიკატორი გამოიყენება მისი უნარისთვის, მიაწოდოს პირდაპირი, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ენერგია ნიმუშზე, მიაღწიოს ეფექტურ შეფერხებას, ჰომოგენიზაციას ან ემულსიფიკაციას. ეს განსაკუთრებით ღირებულია რთული დამუშავების ნიმუშებისთვის ან როდესაც საჭიროა პროცესის ზუსტი კონტროლი.
რა უპირატესობები აქვს ზონდის სონიკატორს?
უპირატესობები მოიცავს ნიმუშის ეფექტურ და სწრაფ დამუშავებას, აპლიკაციებში მრავალმხრივობას, ხმოვან პარამეტრებზე ზუსტ კონტროლს და ნიმუშების ზომისა და ტიპების ფართო სპექტრის დამუშავების უნარს, მცირე მოცულობის ლაბორატორიული ნიმუშებიდან უფრო დიდ სამრეწველო პარტიებამდე ან ნაკადის სიჩქარემდე.
როგორ იყენებთ ულტრაბგერითი ზონდი sonicator?
ულტრაბგერითი ზონდის სონიკატორის გამოყენება გულისხმობს შესაბამისი ზონდის ზომისა და ბგერითი პარამეტრების შერჩევას, ზონდის წვერის ნიმუშში ჩაძირვას და შემდეგ ზონდის გააქტიურებას სასურველი დროისა და სიმძლავრის პარამეტრებისთვის, ნიმუშის ეფექტური დამუშავების მისაღწევად.
რა განსხვავებაა ულტრაბგერასა და სონიკაციას შორის?
Sonication ეხება ხმის ტალღების ზოგად გამოყენებას მასალების დასამუშავებლად, რომელიც შეიძლება შეიცავდეს სიხშირეების დიაპაზონს. ულტრაბგერითი განსაზღვრავს ულტრაბგერითი სიხშირეების გამოყენებას (როგორც წესი, 20 kHz-ზე მეტი), ფოკუსირებულია აპლიკაციებზე, რომლებიც საჭიროებენ მაღალი ენერგიის ხმის ტალღებს ნიმუშების დამუშავებისთვის. თუმცა, ადამიანების უმეტესობა რეალურად მოიხსენიებს ულტრაბგერას, როდესაც ისინი იყენებენ სიტყვას სონიკატორს.