Zondes tipa ultraskaņas apstrāde pret ultraskaņas vannu: efektivitātes salīdzinājums

Ultraskaņas procesus var veikt, izmantojot zondes tipa ultraskaņas homogenizatoru vai ultraskaņas vannu. Lai gan abas metodes paraugam izmanto ultraskaņu, pastāv būtiskas efektivitātes, efektivitātes un procesa spēju atšķirības.

Vēlamie ultraskaņas šķidrumu efekti – ieskaitot homogenizāciju, izkliedēšanu, deagglomerāciju, frēzēšanu, emulgāciju, ekstrakciju, līzi, sairšanu, sonoķīmiju - izraisa akustiskā kavitācija. Ieviešot lieljaudas ultraskaņu šķidrā vidē, skaņas viļņi tiek pārraidīti šķidrumā un rada mainīgus augstspiediena (kompresijas) un zema spiediena (retināšanas) ciklus, kuru ātrums ir atkarīgs no frekvences. Zema spiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mazus vakuuma burbuļus vai tukšumus. Kad burbuļi sasniedz tilpumu, pie kura tie vairs nespēj absorbēt enerģiju, augstspiediena cikla laikā tie vardarbīgi sabrūk. Šo parādību sauc par kavitāciju. Implosijas laikā ļoti augsta temperatūra (aptuveni 5,000K) un spiediens (aptuveni 2,000atm) tiek sasniegti lokāli. Kavitācijas burbuļa implosija izraisa arī šķidruma strūklu ar ātrumu līdz 280m / s. [Suslick 1998]

Zīm. 1: Stabilu un pārejošu kavitācijas burbuļu izveide. a) pārvietojums, b) pārejoša kavitācija, c) stabila kavitācija, d) spiediens
[adaptēts no Santos et al. 2009]

(2000) konstatēja, ka burbuļi augstākās kavitācijas intensitātes reģionā piedzīvoja pārejošu kustību, bet burbuļi zemākās kavitācijas intensitātes reģionā tika pakļauti stabilai / svārstīgai kustībai. Burbuļu pārejošais sabrukums, kas rada vietējo temperatūru un spiediena maksimumu, ir ultraskaņas novērotās ietekmes uz ķīmiskajām sistēmām pamatā.
Ultrasonikācijas intensitāte ir enerģijas ievades un sonotroda virsmas laukuma funkcija. Konkrētai enerģijas ievadei piemēro: jo lielāks ir sonotroda virsmas laukums, jo zemāka ir ultraskaņas intensitāte.
Ultraskaņas viļņus var radīt dažāda veida ultraskaņas sistēmas. Turpmāk tiks salīdzinātas atšķirības starp ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas vannu, ultraskaņas zondes ierīci atvērtā traukā un ultraskaņas zondes ierīci ar plūsmas šūnu kameru.

Kavitācijas karsto punktu sadalījuma salīdzinājums

Ultraskaņas lietojumiem tiek izmantotas ultraskaņas zondes (sonotrodes / ragi) un ultraskaņas vannas. “Starp šīm divām ultrasonikācijas metodēm zondes ultraskaņas apstrāde ir efektīvāka un spēcīgāka nekā ultraskaņas vanna nanodaļiņu dispersijas pielietošanā; ultraskaņas vannas ierīce var nodrošināt vāju ultrasonikāciju ar aptuveni 20-40 W/L un ļoti nevienmērīgu sadalījumu, bet ultraskaņas zondes ierīce var nodrošināt 20 000 W/L šķidrumā. Tādējādi tas nozīmē, ka ultraskaņas zondes ierīce izceļ ultraskaņas vannas ierīci ar koeficientu 1000.” (sk. Asadi et al., 2019)

Kavitācijas karsto punktu sadalījuma salīdzinājums

Ultraskaņas lietojumu jomā gan ultraskaņas zondes (sonotrodes / ragi), gan ultraskaņas vannas spēlē galvenās lomas. Tomēr, kad runa ir par nanodaļiņu dispersiju, zondes ultraskaņas apstrāde ievērojami pārspēj ultraskaņas vannas. (2019), ultraskaņas vannas parasti rada vājāku ultrasonikāciju aptuveni 20-40 W/L ar ļoti nevienmērīgu sadalījumu. Krasā kontrastā, ultraskaņas zondes ierīces var nodrošināt pārsteidzošu 20 000 vatu litrā šķidrumā, parādot efektivitāti, kas pārsniedz ultraskaņas vannas par 1000 reizēm. Šī izteiktā atšķirība izceļ zondes ultraskaņas izcilo spēju, lai panāktu efektīvu un vienmērīgu nanodaļiņu dispersiju.

Ultraskaņas vannas

Ultraskaņas vannā kavitācija notiek neatbilstoši un nekontrolējami izplatīta caur tvertni. Ultraskaņas efekts ir zemas intensitātes un nevienmērīgi izplatīts. Procesa atkārtojamība un mērogojamība ir ļoti slikta.
Zemāk redzamajā attēlā parādīti folijas testēšanas rezultāti ultraskaņas tvertnē. Tāpēc ar ūdeni piepildītas ultraskaņas tvertnes apakšā tiek ievietota plāna alumīnija vai alvas folija. Pēc ultraskaņas apstrādes ir redzamas atsevišķas erozijas zīmes. Šie atsevišķie perforētie plankumi un caurumi folijā norāda uz kavitācijas karstajiem punktiem. Sakarā ar zemo enerģiju un nevienmērīgo ultraskaņas sadalījumu tvertnē, erozijas zīmes notiek tikai uz vietas. Tādējādi ultraskaņas vannas galvenokārt tiek izmantotas tīrīšanas lietojumiem.
 

Ultraskaņas vannā vai tvertnē akustiskās kavitācijas karstā vieta notiek ļoti nevienmērīgi.

 
Zemāk redzamie skaitļi parāda kavitācijas karsto punktu nevienmērīgu sadalījumu ultraskaņas vannā. 2. attēlā vanna ar apakšējo laukumu 20×Izmantots 10 cm.
 

Zīm.2 parāda ultraskaņas lauka telpisko sadalījumu ultraskaņas vannā:
a) izmantojot 1 L ūdens vannā un b) izmantojot kopējo 2 L ūdens daudzumu vannā.
[Nascentes et al., 2010]

 
Mērījumiem, kas parādīti 3. attēlā, ir izmantota ultraskaņas vanna ar apakšējo telpu 12x10cm.

3. attēlā parādīts ultraskaņas lauka telpiskais sadalījums ultraskaņas vannā:
a) izmantojot 1 L ūdens vannā un b) izmantojot kopējo 1,3 L ūdens daudzumu vannā.
[Nascentes et al., 2001]

 
Abi mērījumi atklāj, ka ultraskaņas apstarošanas lauka sadalījums ultraskaņas tvertnēs ir ļoti nevienmērīgs. Ultraskaņas apstarošanas izpēte dažādās vannas vietās parāda ievērojamas telpiskās variācijas kavitācijas intensitātē ultraskaņas vannā.

Zemāk redzamajā 4. attēlā salīdzināta ultraskaņas vannas un ultraskaņas zondes ierīces efektivitāte, ko ilustrē azo-krāsvielas metilvioleta atkrāsošana.

4. attēls: Zondes tipa sonikatori izvieto lokalizētu ļoti augstu enerģijas intensitāti, salīdzinot ar ultraskaņas tvertņu un vannu zemo ultraskaņas blīvumu.

Savā pētījumā konstatēts, ka zondes tipa ultraskaņas ierīcēm ir augsta lokalizēta intensitāte, salīdzinot ar tvertnes tipu, un līdz ar to lielāks lokalizēts efekts, kā parādīts 4. attēlā. Tas nozīmē augstāku ultraskaņas apstrādes procesa intensitāti un efektivitāti.
Ultraskaņas iestatīšana, kā parādīts 4. attēlā, ļauj pilnībā kontrolēt svarīgākos parametrus, piemēram, amplitūdu, spiedienu, temperatūru, viskozitāti, koncentrāciju, reaktora tilpumu.

Zondes tipa sonicatoru priekšrocības

Ultraskaņas zondes vai sonotrodes ir paredzētas, lai koncentrētu ultraskaņas enerģiju fokusētā zonā, parasti zondes galā. Šī fokusētā enerģijas pārvade ļauj precīzi un efektīvi apstrādāt paraugus. Tā kā zondes konstrukcija nodrošina, ka ievērojama ultraskaņas enerģijas daļa tiek virzīta uz paraugu, enerģijas pārnese ir ievērojami uzlabota, salīdzinot ar ultraskaņas vannām. Šī fokusētā ultraskaņas jaudas pārraide ir īpaši izdevīga lietojumiem, kuriem nepieciešama precīza ultraskaņas parametru kontrole, piemēram, šūnu darbības traucējumi, nanodispersija, nanodaļiņu sintēze, emulgācija un botāniskā ekstrakcija.
Tāpēc zondes tipa ultraskaņas aparāti piedāvā atšķirīgas priekšrocības salīdzinājumā ar ultraskaņas vannām precizitātes, kontroles, elastības, efektivitātes un mērogojamības ziņā, padarot tos par neaizstājamiem instrumentiem plašam zinātnisko un rūpniecisko lietojumu klāstam.

Zondes tipa sonicators atvērtai vārglāzes apstrādei

Kad paraugi tiek apstrādāti ar ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas zondes ierīci, intensīvā ultraskaņas zona ir tieši zem sonotroda / zondes. Ultraskaņas apstarošanas attālums ir ierobežots līdz noteiktam sonotroda gala laukumam. (sk. 1. attēlu)
Ultraskaņas procesi atvērtajās vārglāzēs galvenokārt tiek izmantoti priekšizpētei un mazāku apjomu paraugu sagatavošanai.

Zondes tipa sonicators ar plūsmas šūnu inline apstrādei

Vismodernākie ultraskaņas apstrādes rezultāti tiek sasniegti, nepārtraukti apstrādājot slēgtā caurplūdes režīmā. Visu materiālu apstrādā ar tādu pašu ultraskaņas intensitāti kā plūsmas ceļš un uzturēšanās laiks ultraskaņas reaktora kamerā tiek kontrolēts.

Ultraskaņas recirkulācijas komplekts: UIP1000hdT ar plūsmas šūnu, tvertni un sūkni

Ultraskaņas šķidruma apstrādes procesa rezultāti konkrētai parametru konfigurācijai ir enerģijas funkcija uz apstrādāto tilpumu. Funkcija mainās, mainot atsevišķus parametrus. Turklāt faktiskā jauda un intensitāte uz ultraskaņas vienības sonotroda virsmas laukumu ir atkarīga no parametriem.

Ultraskaņas apstrādes kavitācijas ietekme ir atkarīga no virsmas intensitātes, ko raksturo amplitūda (A), spiediens (p), reaktora tilpums (VR), temperatūra (T), viskozitāte (η) un citi. Plus un mīnus zīmes norāda uz konkrētā parametra pozitīvu vai negatīvu ietekmi uz ultraskaņas intensitāti.

Kontrolējot ultraskaņas procesa svarīgāko parametru, process ir pilnībā atkārtojams, un sasniegtos rezultātus var mērogot pilnīgi lineāri. Dažāda veida sonotrodes un ultraskaņas plūsmas šūnu reaktori ļauj pielāgoties īpašām procesa prasībām.

Kopsavilkums: Zondes tipa Sonicator vs ultraskaņas vanna

Lai gan ultraskaņas vanna nodrošina vāju ultraskaņu ar aptuveni 20 vatiem litrā, tikai un ļoti nevienmērīgu sadalījumu, zondes tipa sonikatori var viegli savienot aptuveni 20000 vatus litrā apstrādātajā vidē. Tas nozīmē, ka ultraskaņas zondes tipa sonikators izceļas ar ultraskaņas vannu ar koeficientu 1000 (1000x lielāka enerģijas ievade uz tilpumu), pateicoties fokusētai un vienmērīgai ultraskaņas jaudas ievadei. Pilnīga kontrole pār svarīgākajiem ultraskaņas apstrādes parametriem nodrošina pilnīgi reproducējamus rezultātus un procesa rezultātu lineāro mērogojamību.