초음파 처리는 프로브 형 초음파 균질화 또는 초음파 목욕의 사용에 의해 수행 될 수있다. 두 기술 모두 샘플에 초음파를 적용하지만 효과, 효율성 및 공정 기능에는 상당한 차이가 있습니다. 프로브 형 초음파 는 초음파 강도, 진폭, 균일 한 처리 및 재현성에 관해서 초음파 목욕을 크게 능가합니다.

액체의 초음파에서 원하는 효과 – 포함 균질화, 분산, 해체, 갈기, 유화, 추출, 용해, 분해 과 소노케미칼 효과 – 에 의해 발생 캐비테이션. 액체 매체에 고출력 초음파를 도입함으로써 음파가 유체로 전달되고 주파수에 따라 비율이 있는 고압(압축) 및 저압(rarefaction) 사이클을 번갈아 생성합니다. 저압 주기 동안 고강도 초음파는 액체에 작은 진공 기포 또는 공극을 만듭니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 부피에 도달하면 고압 사이클 동안 격렬하게 붕괴됩니다. 이 현상을 캐비테이션이라고합니다. 내파 중 매우 높은 온도 (약. 5,000K) 및 압력 (약. 2,000atm)은 로컬로 도달합니다. 캐비테이션 버블의 파열은 또한 최대 280m /s의 속도의 액체 제트를 초래한다. [수슬릭 1998]

Moholkar 등(2000)은 가장 높은 캐비테이션 강도의 영역에서 기포가 일시적인 움직임을 겪었으며, 가장 낮은 캐비테이션 강도의 영역에서의 기포는 안정적/진동 운동을 겪었다는 것을 발견했습니다. 국부적 온도와 압력 최대를 초래하는 기포의 일시적인 붕괴는 화학 시스템에 대한 초음파의 관찰 된 영향의 근원입니다.
초음파의 강도는 에너지 입력과 sonotrode 표면적의 함수입니다. 주어진 에너지 입력에 대해, sonotrode의 표면적이 클수록, 초음파의 강도는 낮아집니다.
초음파 파는 다양한 유형의 초음파 시스템에 의해 생성 될 수 있습니다. 다음에서, 초음파 욕조를 이용한 초음파 초음파, 개방 용기의 초음파 프로브 장치 및 유동 셀 챔버가있는 초음파 프로브 장치의 차이를 비교합니다.

캐비테이션 핫스팟 분포 비교

초음파 응용 프로그램의 경우 초음파 프로브 (sonotrodes / 뿔) 및 초음파 목욕이 사용됩니다. “이러한 두 가지 초음파 방법 중, 프로브 초음파처리는 나노입자 분산의 적용에서 초음파 배스보다 더 효과적이고 강력하다; 초음파 목욕 장치는 약 20-40 W / L및 매우 비 균일한 분포를 가진 약한 초음파를 제공 할 수 있으며 초음파 프로브 장치는 유체에 20,000 W / L을 제공 할 수 있습니다. 따라서, 초음파 프로브 장치가 1000의 인자에 의해 초음파 목욕 장치를 능가한다는 것을 의미한다.” (2019년 아사디 외)

초음파 목욕

초음파 욕조에서 캐비테이션은 탱크를 통해 부적합하고 통제 할 수없는 분포를 발생합니다. 초음파 처리 효과는 낮은 강도의 과 Unevenly 확산. 프로세스의 반복성과 확장성은 매우 좋지 않습니다.
아래 그림은 초음파 탱크에서 호일 테스트의 결과를 보여줍니다. 따라서 얇은 알루미늄 또는 주석 호일은 물 채워진 초음파 탱크의 바닥에 놓입니다. 초음파 처리 후 단일 침식 자국이 표시됩니다. 호일에 있는 단일 천공 반점과 구멍은 캐비테이션 핫스팟을 나타냅니다. 때문에 에너지 부족 그리고 고르지 못한 탱크 내에서 초음파의 분포는 침식 자국만 발생합니다. 따라서 초음파 목욕은 주로 청소 응용 프로그램에 사용됩니다.

아래 그림은 초음파 욕조에서 충치 핫스팟의 고르지 않은 분포를 보여줍니다. 그림 2에서, 20의 바닥 면적과 목욕×10cm를 사용 했습니다.

도 3에 나타낸 측정을 위해, 12x10cm의 바닥 공간이 있는 초음파 욕조가 사용되었다.

두 측정 모두 초음파 탱크의 초음파 조사 분야의 분포가 매우 고르지 않은 것으로 나타났습니다.
욕조의 다양한 위치에서 초음파 조사 연구는 초음파 욕조의 캐비테이션 강도에서 상당한 공간 적 변화를 보여줍니다.

도 4는 아조 염료 메틸 바이올렛의 탈색에 의해 예시된 초음파 조및 초음파 프로브 장치의 효율을 비교한다.

Dhanalakshmi 외. 그들의 연구에서 발견 프로브 형 초음파 장치에는 높은 지역화 도 4에 도시된 바와 같이 탱크 형과 비교하여 더 큰 국부적 효과를 갖는다. 이것은 초음파 처리의 더 높은 강도와 효율성을 의미합니다.
그림 4와 같이 초음파 설정은 진폭, 압력, 온도, 점도, 농도, 반응기 부피와 같은 가장 중요한 매개 변수를 완전히 제어 할 수 있습니다.

오픈 비커의 초음파 프로브 장치

초음파 프로브 장치를 사용하여 샘플을 초음파 처리하면 강렬한 초음파 처리 영역이 sonotrode / 프로브 바로 아래에 있습니다. 초음파 조사 거리는 sonotrode의 팁의 특정 영역으로 제한됩니다. (그림 참조.1)
오픈 비커의 초음파 공정은 대부분 타당성 테스트 및 더 작은 볼륨의 샘플 준비에 사용됩니다.

연속 유동 모드에서 초음파 프로브 장치

가장 정교한 초음파 처리 결과는 폐쇄 된 흐름 스루 모드에서 연속 처리하여 달성됩니다. 모든 물질은 초음파 반응기 챔버내의 유동 경로 및 체류 시간과 동일한 초음파 강도로 처리됩니다.

그림. 4 : 1kW 초음파 시스템 UIP1000hd 유량 전지 및 펌프

주어진 매개 변수 구성에 대한 초음파 액체 처리의 공정 결과는 처리 된 부피 당 에너지의 함수입니다. 함수는 개별 매개 변수의 변경에 따라 변경됩니다. 또한 초음파 장치의 소노 로드 (sonotrode)의 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) 및 기타에 의해 기술 된 표면 강도에 의존합니다. 플러스 및 마이너스 기호는 초음파 처리 강도에 대한 특정 매개 변수의 긍정적 또는 부정적 영향을 나타냅니다.

초음파 처리의 가장 중요한 매개 변수를 제어함으로써 공정은 완전히 반복 가능하고 달성 된 결과는 완전히 선형으로 확장 될 수 있습니다. 다양한 유형의 sonotrodes 및 초음파 유량 세포 반응기는 특정 공정 요구 사항에 적응할 수 있습니다.

요약

동안에 초음파 목욕 제공 약한 약 초음파 처리. 20-40 W/L 그리고 매우 비균일 배포 초음파 프로브 유형 장치는 약 을 쉽게 결합 할 수 있습니다. 20.000 W/L을 처리된 매체에 넣습니다. 즉, 초음파 프로브 형 장치는 초음파 욕조를 1000 (부피 당 1000 배 높은 에너지 입력)으로 능가합니다. 집중 과 제복 초음파 전력 입력. 가장 중요한 초음파 매개 변수를 완전히 제어하면 완전히 재현 가능 결과와 선형 확장 성 프로세스 결과의.