Zondes tipa sonikatori pret ultraskaņas vannām
Tādiem uzdevumiem kā emulgācija, dispersija, ekstrakcija vai daļiņu izmēra samazināšana zondes tipa ultraskaņas aparāti rada vienotus bīdes spēkus un augstas intensitātes kavitāciju. Šī tiešā pieeja viegli risina sarežģītus lietojumus un mērogus, sākot no maziem laboratorijas testiem līdz pilniem ražošanas braucieniem. Tikmēr ultraskaņas vannas var pietikt vieglai tīrīšanai vai zemas intensitātes procedūrām, taču tās bieži cīnās ar prasīgākiem darbiem, kas prasa precīzu amplitūdas un temperatūras kontroli. Ja jums ir nepieciešama uzticamība, elastība un stabila veiktspēja, Hielscher zondes tipa sonikatori piedāvā skaidru malu pār pamata ultraskaņas vannām.
Zondes tipa sonikators vs ultraskaņas vanna – Izpētiet, kāpēc zondes tipa sonikatori izceļas ar efektivitāti un uzticamību
Sonicator kavitācijas intensitāte
Zondes tipa ultraskaņas aparāti ievada lieljaudas ultraskaņu tieši šķidrā vidē, kur skaņas viļņi šķidrumā rada mainīgus augstspiediena un zema spiediena ciklus. 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 augstas temperatūras un spiediens tiek sasniegts lokāli. Kavitācijas burbuļa implosija izraisa arī ārkārtīgi ātras šķidruma strūklas.
Fons: ultraskaņas kavitācija
Moholkars (2000) konstatēja, ka burbuļi augstākās kavitācijas intensitātes reģionā tika pakļauti pārejošai kustībai, 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.
Zīm. 1: Stabilu un pārejošu kavitācijas burbuļu izveide. a) pārvietojums, b) pārejoša kavitācija, c) stabila kavitācija, d) spiediens
[adaptēts no Santos et al. 2009]
Kavitācijas sadalījuma salīdzinājums
Ultraskaņas lietojumiem varat izmantot ultraskaņas zondes (zondes tipa sonikatorus) vai 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)
Zondes tipa sonicators vs ultraskaņas vannas: kavitācijas sadalījuma salīdzinājums
Ultraskaņas lietojumu jomā svarīga loma ir gan zondes tipa sonikatoriem, gan ultraskaņas vannām. Tomēr, kad runa ir par nanodaļiņu dispersiju, zondes ultraskaņas aparāti ievērojami pārspēj ultraskaņas vannas. Saskaņā ar Asadi (2019), ultraskaņas vannas parasti rada vājāku ultrasonikāciju aptuveni 20-40 vati litrā ar ļoti nevienmērīgu sadalījumu. Krasā kontrastā ultraskaņas zondes ierīces šķidrumā var piegādāt pārsteidzošus 20000 vatus litrā, parādot efektivitāti, kas pārsniedz ultraskaņas vannas par koeficientu 1000. Šī izteiktā atšķirība izceļ zondes tipa ultraskaņas aparātu izcilo spēju panākt 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. Šim nolūkam 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.
1. attēls: Sonotrode pārraida jaudas ultraskaņu šķidrumā. Migla zem sonotroda virsmas norāda uz kavitācijas karsto punktu zonu.
- Intensīva
- Vērsta
- pilnībā kontrolējams
- vienmērīgs sadalījums
- Atkārtojamam
- Lineāra palielināšana
- Partija un rinda
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.
Zondes tipa sonikators UP200St ar sonotrode S26d7D paraugu partijas tipa homogenizācijai
Literatūra/Atsauces
- 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.
Bieži uzdotie jautājumi par ultraskaņas zondēm (FAQ)
Kas ir ultraskaņas zondes sonikators?
Ultraskaņas zondes sonikators ir ierīce, kas izmanto augstfrekvences skaņas viļņus, lai izjauktu vai sajauktu paraugus. Tas sastāv no zondes, kas, iegremdējot šķidrumā, rada ultraskaņas vibrācijas, kas izraisa kavitāciju un vēlamos paraugu apstrādes efektus.
Kāds ir zondes ultraskaņas princips?
Zonde ar ultraskaņu darbojas pēc ultraskaņas kavitācijas principa. Kad zonde vibrē paraugā, tā rada mikroskopiskus burbuļus, kas strauji izplešas un sabrūk. Šis process rada intensīvus bīdes spēkus un siltumu, izjaucot šūnas vai sajaucot komponentus mikroskopiskā līmenī.
Vai ultraskaņas tīrītājs ir tāds pats kā sonikators?
Nē, tie nav vienādi. Ultraskaņas tīrītājs izmanto ļoti vieglus ultraskaņas viļņus vannā, lai notīrītu priekšmetus, galvenokārt ar vibrāciju un ļoti vieglu kavitāciju. Sonicator, īpaši ultraskaņas zondes sonikators, ir paredzēts tiešai, intensīvai paraugu apstrādei ar ultraskaņu, koncentrējoties uz traucējumiem vai homogenizāciju.
Kāda ir ultraskaņas zondes izmantošana?
Ultraskaņas zondi galvenokārt izmanto paraugu sagatavošanas uzdevumiem, piemēram, šūnu darbības traucējumiem, homogenizācijai, emulgācijai un daļiņu dispersijai dažādos pētījumos un rūpnieciskos lietojumos ķīmijā, bioloģijā un materiālu zinātnē.
Kāda ir atšķirība starp zondes sonikatoru un kausa ragu?
Zondes sonikators tieši iegremdē zondi paraugā intensīvai ultraskaņas apstrādei. No otras puses, kausa ragu sonikators neiegremdē zondi, bet izmanto netiešu metodi, kur paraugs tiek ievietots traukā ūdens vannā, kas pārraida ultraskaņas enerģiju.
Kāpēc izmantot zondes sonikatoru?
Zondes sonikators tiek izmantots, lai tā spētu piegādāt tiešu, augstas intensitātes ultraskaņas enerģiju paraugam, panākot efektīvus traucējumus, homogenizāciju vai emulgāciju. Tas ir īpaši noderīgi grūti apstrādājamiem paraugiem vai tad, ja ir nepieciešama precīza procesa kontrole.
Kādas ir zondes ultraskaņas priekšrocības?
Priekšrocības ietver efektīvu un ātru paraugu apstrādi, daudzpusību lietojumos, precīzu ultraskaņas parametru kontroli un spēju apstrādāt plašu paraugu izmēru un veidu klāstu, sākot no maza apjoma laboratorijas paraugiem līdz lielākām rūpnieciskām partijām vai plūsmas ātrumiem.
Kā jūs izmantojat ultraskaņas zondes sonikatoru?
Izmantojot ultraskaņas zondes sonikatoru, tiek izvēlēts atbilstošs zondes izmērs un ultraskaņas parametri, iegremdējot zondes galu paraugā un pēc tam aktivizējot sonikatoru vēlamajam laikam un jaudas iestatījumiem, lai panāktu efektīvu paraugu apstrādi.
Kāda ir atšķirība starp ultraskaņu un ultrasonication?
Ultraskaņas apstrāde attiecas uz vispārēju skaņas viļņu izmantošanu materiālu apstrādei, kas var ietvert frekvenču diapazonu. Ultrasonication nosaka ultraskaņas frekvenču izmantošanu (parasti virs 20 kHz), koncentrējoties uz lietojumiem, kuriem paraugu apstrādei nepieciešami augstas enerģijas skaņas viļņi. Tomēr lielākā daļa cilvēku faktiski atsaucas uz ultrasonikatoriem, kad viņi lieto vārdu sonikators.