Probe-Type Sonication vs. Ultrasonic Bath: An Efficiency Comparison
초음파 처리 과정은 프로브 형 초음파 균질화기 또는 초음파 수조를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 두 기술 모두 샘플에 초음파를 적용하지만 효과, 효율성 및 공정 능력에서 상당한 차이가 있습니다.
초음파 처리 액체의 원하는 효과 – 균질화, 분산, 응집, 밀링, 유화, 추출, 용해, 붕괴, 초음파 화학을 포함하여 음향 캐비테이션에 의해 발생합니다. 고출력 초음파를 액체 매체에 도입함으로써 음파는 유체로 전달되고 주파수에 따라 속도와 함께 고압(압축) 및 저압(희박) 순환을 번갈아 생성합니다. 저압 사이클 동안 고강도 초음파는 액체에 작은 진공 기포 또는 공극을 생성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 부피에 도달하면 고압 사이클 동안 격렬하게 붕괴됩니다. 이 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 내파 중에는 국부적으로 매우 높은 온도(약 5,000K)와 압력(약 2,000atm)에 도달합니다. 캐비테이션 버블의 내파는 또한 최대 280m/s 속도의 액체 제트를 초래합니다. [서슬릭 1998]
프로브 형 초음파 발생기 vs 초음파 수조 – 프로브형 초음파 발생기가 효율성과 신뢰성이 뛰어난 이유를 알아보십시오.
그림 1: 안정적이고 일시적인 캐비테이션 기포 생성. (a) 변위, (b) 과도 캐비테이션, (c) 안정적인 캐비테이션, (d) 압력
[Santos et al. 2009에서 발췌]
Moholkar et al. (2000)은 캐비테이션 강도가 가장 높은 영역의 기포가 일시적인 운동을 겪는 반면 캐비테이션 강도가 가장 낮은 영역의 기포는 안정 / 진동 운동을 겪는다는 것을 발견했습니다. 국부적인 온도와 압력 최대값을 발생시키는 기포의 일시적인 붕괴는 화학 시스템에 대한 초음파의 관찰 효과의 근원입니다.
초음파의 강도는 에너지 입력과 sonotrode 표면적의 함수입니다. 주어진 에너지 입력에 대해 적용됩니다 : sonotrode의 표면적이 클수록 초음파의 강도가 낮아집니다.
초음파는 다양한 유형의 초음파 시스템에 의해 생성될 수 있습니다. 다음에서는 초음파 수조를 사용한 초음파 처리, 열린 용기의 초음파 프로브 장치 및 플로우 셀 챔버가있는 초음파 프로브 장치의 차이점을 비교합니다.
캐비테이셔널 핫스폿 분포 비교
초음파 응용 분야의 경우 초음파 프로브 (sonotrodes / horns) 및 초음파 수조가 사용됩니다. “이 두 가지 초음파 처리 방법 중 프로브 초음파 처리는 나노 입자 분산액의 적용에서 초음파 수조보다 효과적이고 강력합니다. 초음파 수조 장치는 약 20-40 W / L의 약한 초음파를 제공 할 수 있으며 초음파 프로브 장치는 유체에 20,000 W / L를 제공 할 수 있습니다. 따라서 초음파 프로브 장치가 초음파 수조 장치를 1000의 계수로 능가한다는 것을 의미합니다.” (Asadi et al., 2019 참조)
Cavitational Hot Spot 분포 비교
초음파 응용 분야에서는 초음파 프로브 (sonotrodes / horns)와 초음파 수조가 모두 중추적인 역할을합니다. 그러나 나노 입자 분산에 관해서는 프로브 초음파 처리가 초음파 수조를 크게 능가합니다. Asadi et al. (2019)에 따르면 초음파 수조는 일반적으로 매우 불균일 한 분포로 약 20-40 W / L의 약한 초음파를 생성합니다. 이와는 대조적으로, 초음파 프로브 장치는 액체에 리터당 20,000와트라는 놀라운 출력을 전달할 수 있으며, 이는 초음파 수조를 1000배 능가하는 효과를 보여줍니다. 이 현저한 차이는 효율적이고 균일 한 나노 입자 분산을 달성하는 데 있어 프로브 초음파 처리의 우수한 능력을 강조합니다.
초음파 수조
초음파 수조에서 캐비테이션은 부적합하게 발생하고 탱크를 통해 제어 불가능하게 분포됩니다. 초음파 처리 효과는 강도가 낮고 고르지 않게 퍼집니다. 프로세스의 반복성과 확장성이 매우 열악합니다.
아래 그림은 초음파 탱크에서 호일 테스트 결과를 보여줍니다. 따라서 얇은 알루미늄 또는 주석 호일이 물로 채워진 초음파 탱크의 바닥에 놓입니다. 초음파 처리 후 단일 침식 표시가 보입니다. 호일에 있는 단일 구멍이 뚫린 점과 구멍은 캐비테이션 핫스팟을 나타냅니다. 탱크 내 초음파의 낮은 에너지와 고르지 않은 분포로 인해 침식 표시는 반점적으로만 발생합니다. 따라서 초음파 수조는 주로 세척 용도로 사용됩니다.
초음파 수조 또는 탱크에서 음향 캐비테이션의 핫스팟은 매우 고르지 않게 발생합니다.
아래 그림은 초음파 수조에서 캐비테이션 핫 스폿의 고르지 않은 분포를 보여줍니다. 그림 2에서, 바닥 면적이 20인 욕조×10cm가 사용 되 고 있습니다.
그림 2는 초음파 수조에서 초음파 필드의 공간 분포를 보여줍니다.
(a) 욕조에 1L의 물을 사용하고 (b) 욕조에 총 2L의 물을 사용합니다.
[Nascentes 외, 2010]
그림 3에 표시된 측정을 위해 바닥 공간이 12x10cm인 초음파 수조가 사용되었습니다.
그림 3은 초음파 수조에서 초음파장의 공간 분포를 보여줍니다.
(a) 욕조에 1L의 물을 사용하고 (b) 욕조에 총 1.3L의 물을 사용합니다.
[Nascentes et al., 2001]
두 측정 모두 초음파 탱크의 초음파 조사 필드의 분포가 매우 고르지 않다는 것을 보여줍니다. 수조의 다양한 위치에서의 초음파 조사에 대한 연구는 초음파 수조의 캐비테이션 강도에서 상당한 공간적 변화를 보여줍니다.
아래 그림 4는 아조 염료 메틸 바이올렛의 탈색으로 예시된 초음파 수조와 초음파 프로브 장치의 효율성을 비교합니다.
그림 4 : 프로브 형 초음파 발생기는 초음파 탱크 및 수조의 낮은 초음파 밀도에 비해 국부적으로 매우 높은 에너지 강도를 배치합니다.
Dhanalakshmi et al.은 연구에서 프로브 형 초음파 장치가 탱크 유형에 비해 국부적 강도가 높기 때문에 그림 4와 같이 국부적 효과가 더 크다는 것을 발견했습니다. 이것은 초음파 처리 과정의 강도와 효율성이 더 높다는 것을 의미합니다.
그림 4와 같은 초음파 설정을 통해 진폭, 압력, 온도, 점도, 농도, 반응기 부피와 같은 가장 중요한 매개 변수를 완벽하게 제어 할 수 있습니다.
프로브 형 초음파 발생기 UP200St sonotrode S26d7D 시료의 배치 유형 균질화용
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그림 1 : Sonotrode 전력 초음파를 액체로 전달. sonotrode 표면 아래의 안개는 캐비테이션 핫스팟 영역을 나타냅니다.
- 강렬한
- 집중
- 완전히 제어 가능
- 균등한 분배
- 재현할
- 리니어 스케일업
- 배치 및 인라인
프로브 형 초음파 발생기의 장점
초음파 프로브 또는 소노트로드는 일반적으로 프로브 끝부분의 집중 영역으로 초음파 에너지를 집중시키도록 설계되었습니다. 이러한 집중된 에너지 전달을 통해 시료를 정밀하고 효율적으로 처리할 수 있습니다. 프로브 설계는 초음파 에너지의 상당 부분이 샘플로 향하도록 보장하기 때문에 초음파 수조와 비교할 때 에너지 전달이 크게 향상됩니다. 이러한 초음파 전력의 집중 전송은 세포 파괴, 나노 분산, 나노 입자 합성, 유화 및 식물 추출과 같은 초음파 매개 변수에 대한 정밀한 제어가 필요한 응용 분야에 특히 유리합니다.
따라서 프로브 형 초음파 발생기는 정밀도, 제어, 유연성, 효율성 및 확장 성 측면에서 초음파 수조에 비해 뚜렷한 이점을 제공하므로 광범위한 과학 및 산업 응용 분야에 없어서는 안될 도구입니다.
개방형 비커 처리를 위한 프로브형 초음파 발생기
초음파 프로브 장치를 사용하여 샘플을 초음파 처리 할 때, 강렬한 초음파 처리 영역은 sonotrode / 프로브 바로 아래에 있습니다. 초음파 조사 거리는 sonotrode 팁의 특정 영역으로 제한됩니다. (그림 1 참조)
개방형 비커의 초음파 공정은 주로 타당성 테스트 및 더 작은 부피의 샘플 준비에 사용됩니다.
인라인 처리를 위한 플로우 셀이 있는 프로브형 초음파 발생기
가장 정교한 초음파 처리 결과는 폐쇄 된 플로우 스루 모드에서 연속 처리에 의해 달성됩니다. 모든 물질은 초음파 반응기 챔버에서의 유동 경로 및 체류 시간과 동일한 초음파 강도로 처리됩니다.
초음파 재순환 세트 : 플로우 셀, 탱크 및 펌프가있는 UIP1000hdT
주어진 매개 변수 구성에 대한 초음파 액체 처리의 공정 결과는 처리 된 부피 당 에너지의 함수입니다. 함수는 개별 매개변수의 변경에 따라 변경됩니다. 또한, 초음파 장치의 sonotrode의 표면적 당 실제 전력 출력 및 강도는 매개 변수에 따라 다릅니다.
초음파 처리의 캐비테이션 영향은 진폭 (A), 압력 (p), 반응기 부피 (VR), 온도 (T), 점도 (η) 등으로 설명되는 표면 강도에 따라 다릅니다. 더하기 및 빼기 기호는 초음파 처리 강도에 대한 특정 매개 변수의 긍정적 또는 부정적 영향을 나타냅니다.
초음파 처리 공정의 가장 중요한 매개 변수를 제어함으로써 프로세스를 완전히 반복 할 수 있으며 달성 된 결과를 완전히 선형으로 확장 할 수 있습니다. 다양한 유형의 소노트로드 및 초음파 플로우 셀 반응기를 통해 특정 공정 요구 사항에 적응할 수 있습니다.
요약: 프로브 타입 초음파 발생기 대 초음파 수조
초음파 수조는 약 20 와트 / 리터로 약한 초음파 처리를 제공하지만, 매우 균일하지 않은 분포를 가지고 있으며, 프로브 형 초음파 발생기는 약 20000 와트 / 리터를 처리 된 매체에 쉽게 결합 할 수 있습니다. 이것은 초음파 프로브 형 초음파 발생기가 집중되고 균일 한 초음파 전원 입력으로 인해 1000 (부피 당 1000 배 더 높은 에너지 입력)의 계수로 초음파 수조를 능가한다는 것을 의미합니다. 가장 중요한 초음파 처리 매개 변수를 완벽하게 제어하면 완전히 재현 가능한 결과와 프로세스 결과의 선형 확장 성이 보장됩니다.
문헌/참고문헌
- 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.
초음파 프로브(FAQ)에 대해 자주 묻는 질문
초음파 프로브 초음파 발생기 란 무엇입니까?
초음파 프로브 초음파 발생기는 고주파 음파를 사용하여 샘플을 방해하거나 혼합하는 장치입니다. 액체에 담그면 초음파 진동을 발생시켜 캐비테이션과 원하는 샘플 처리 효과를 유발하는 프로브로 구성됩니다.
프로브 초음파 처리의 원리는 무엇입니까?
프로브 초음파 처리는 초음파 캐비테이션의 원리에 따라 작동합니다. 프로브가 샘플에서 진동할 때 빠르게 팽창하고 붕괴되는 미세한 기포를 생성합니다. 이 과정은 강렬한 전단력과 열을 발생시켜 세포를 파괴하거나 미세한 수준에서 구성 요소를 혼합합니다.
초음파 세척기는 초음파 발생기와 동일합니까?
아니요, 그들은 동일하지 않습니다. 초음파 세척기는 욕조에서 매우 약한 초음파를 사용하여 주로 진동과 매우 작은 캐비테이션을 통해 물건을 청소합니다. 초음파 발생기, 특히 초음파 프로브 초음파 발생기는 파괴 또는 균질화에 중점을 둔 샘플의 직접적이고 집중적 인 초음파 처리를 위해 설계되었습니다.
초음파 프로브의 용도는 무엇입니까?
초음파 프로브는 화학, 생물학 및 재료 과학 전반에 걸친 다양한 연구 및 산업 응용 분야에서 세포 파괴, 균질화, 유화 및 입자 분산과 같은 시료 전처리 작업에 주로 사용됩니다.
프로브 초음파 발생기와 컵 혼의 차이점은 무엇입니까?
프로브 초음파 발생기는 강렬한 초음파 처리를 위해 프로브를 샘플에 직접 담급니다. 반면에 컵 혼 초음파 발생기는 프로브를 담그지 않고 샘플을 초음파 에너지를 전달하는 수조 내의 용기에 넣는 간접 방법을 사용합니다.
프로브 초음파 발생기를 사용하는 이유는 무엇입니까?
프로브 초음파 발생기는 샘플에 직접 고강도 초음파 에너지를 전달하여 효율적인 파괴, 균질화 또는 유화를 달성하는 능력에 사용됩니다. 공정하기 어려운 시료 또는 공정에 대한 정밀한 제어가 필요한 경우에 특히 유용합니다.
프로브 초음파 발생기의 장점은 무엇입니까?
장점에는 효율적이고 신속한 시료 처리, 응용 분야의 다양성, 초음파 처리 매개 변수에 대한 정밀한 제어, 소량 실험실 샘플에서 더 큰 산업용 배치 또는 유속에 이르기까지 광범위한 샘플 크기 및 유형을 처리 할 수있는 능력이 포함됩니다.
초음파 프로브 초음파 발생기를 어떻게 사용합니까?
초음파 프로브 초음파 발생기를 사용하려면 적절한 프로브 크기와 초음파 처리 매개 변수를 선택하고 프로브 팁을 샘플에 담근 다음 원하는 시간과 전력 설정에 대해 초음파 발생기를 활성화하여 효과적인 샘플 처리를 달성해야합니다.
초음파 처리와 초음파의 차이점은 무엇입니까?
초음파 처리는 다양한 주파수를 포함 할 수있는 재료 가공을위한 음파의 일반적인 사용을 말합니다. 초음파는 초음파 주파수 (일반적으로 20kHz 이상)의 사용을 지정하며, 샘플 처리를 위해 고 에너지 음파가 필요한 응용 분야에 중점을 둡니다. 그러나 대부분의 사람들은 실제로 초음파 발생기라는 단어를 사용할 때 초음파 발생기를 언급합니다.