Probe tipa Sonication vs Ultraskaņas vanna: efektivitātes salīdzinājums

Ultraskaņas apstrādes procesus var veikt, izmantojot zondes tipa ultraskaņas homogenizatoru vai ultraskaņas vannu. Lai gan abas metodes piemēro ultraskaņu paraugam, pastāv būtiskas efektivitātes, lietderības un procesa spēju atšķirības. Zondes tipa ultrasonikatori krasi izceļas ultraskaņas vannā, kad runa ir par ultraskaņas intensitāti, amplitūdu, vienotu apstrādi un reproducējamību.

Vēlamā iedarbība no šķidrumu Ultrasonication – Ieskaitot homogenizācija, Izkliedēšana, Deagglomeration, frēzēšana, emulgācija, Ekstrakcija, Sabrukšanas, Sadrumstalot un SONOCHEMICAL efekti – ko izraisa kavitācija. Ieviešot lieljaudas ultraskaņu šķidrā vidē, skaņas viļņi tiek pārraidīti šķidrumā un izveidot mainīgu augsta spiediena (kompresijas) un zema spiediena (rarefaction) cikli, ar likmēm, atkarībā no frekvences. Zema spiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi rada nelielus vakuuma burbuļus vai tukšumu šķidrumā. Kad burbuļi sasniegt tilpumu, kurā tie vairs nevar absorbēt enerģiju, tie sabrukt spēcīgi augsta spiediena ciklā. Šo parādību dēvē par kavitāciju. Sabrukums ļoti augsta temperatūra (apm. 5, 000K) un spiedieni (apm. 2, 000atm) tiek sasniegta uz vietas. No kavitāciju burbuļa sabrukums arī izraisa šķidro strūklu līdz 280M/s ātrumu. [Suslick 1998]

Moholkar et al. (2000) konstatēja, ka burbuļi reģionā augstākā kavitāciju intensitāti veikta pārejoša kustība, bet burbuļi reģionā zemākā kavitāciju intensitāte veikta stabila/oscilators kustību. Pārejošs burbuļu sabrukums, kas rada vietējo temperatūru un spiedienu Maksima, ir pamatā novērotās ultraskaņas ietekmi uz ķīmiskajām sistēmām.
Ultrasonication intensitāte ir funkcija enerģijas ievadi un sonotrode virsmas laukums. Attiecībā uz doto enerģijas ievadi attiecas: jo lielāks virsmas laukums sonotrode, jo zemāks intensitāte ultraskaņu.
Ultraskaņas viļņus var ģenerēt ar dažādu veidu ultraskaņas sistēmām. Tālāk ir salīdzinātas atšķirības starp ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas vannu, ultraskaņas zondes ierīci atklātā traukā un ultraskaņas zondes ierīci ar plūsmas šūnu kameru.

No KAVITĀCIJAS karsto vietu sadalījuma salīdzinājums

Ultraskaņas lietojumiem tiek izmantotas ultraskaņas zondes (sonotrodes / ragi) un ultraskaņas vannas. “Starp šīm divām ultrasonication metodēm zondes ultraskaņas apstrāde ir efektīvāka un spēcīgāka nekā ultraskaņas vanna nanodaļiņu dispersijas pielietošanā; ultraskaņas vannas ierīce var nodrošināt vāju ultrasonication 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 izceļas ar ultraskaņas vannas ierīci ar koeficientu 1000.” (sal. ar Asadi et al., 2019)

Ultraskaņas vanna

Ultraskaņas vannā kavitācija notiek nesaskanīgi un nekontrolējami izplatās caur tvertni. Ultraskaņu efekts ir zemas intensitātes un Nevienmērīgi Izplatīt. Atkārtojamība un mērogojamība process ir ļoti slikts.
Attēlā ir parādīti folijas pārbaudes rezultāti ultraskaņas tvertnē. Tāpēc, plānas alumīnija vai alvas folijas novieto apakšā ūdens piepildīta ultraskaņas tvertnē. Pēc apstrādes ar ultraskaņu ir redzamas vienas erozijas zīmes. Šie viens perforēti plankumi un caurumi folijas norāda KAVITĀCIJAS karstajiem punktiem. Sakarā ar zems enerģijas un Nevienmērīga Ultraskaņas sadalījums tvertnē, erozijas zīmes rodas tikai uz vietas. Tātad, ultraskaņas vannas lielākoties izmanto tīrīšanas programmas.

Skaitļi zem parādīt nevienmērīgu sadalījumu KAVITĀCIJAS karstajiem punktiem ultraskaņas vannā. 2. att. ir vanna ar apakšējo platību 20×ir izmantots 10 cm.

3. attēlā norādītajiem mērījumiem ir izmantota Ultraskaņas vanna ar apakšējo atstarpi 12x10cm.

Abi mērījumi atklāj, ka ultraskaņas apstarošanas lauka sadalījums ultraskaņas tvertnēs ir ļoti nelīdzena.
Ultraskaņas apstarošana dažādās vietās vannā pētījums liecina par būtiskām telpisko variācijām kavitāciju intensitāti ultraskaņas vannā.

4. att. salīdzina ultraskaņas vannas un ultraskaņas zondes ierīces efektivitāti, ko ilustrē azokrāsvielu atkrāsošana.

Dhanalakshmi et al. atrast savā kabinetā, ka zondes tipa ultraskaņas ierīcēm ir augsta lokalizēta salīdzinājumā ar tvertnes tipu un līdz ar to ar lielāku lokalizētu efektu, kā attēlots 4. attēlā. Tas nozīmē augstāku ultraskaņas procesa intensitāti un efektivitāti.
Ultraskaņas iestatīšana, kā parādīts 4. attēlā, ļauj pilnībā kontrolēt svarīgākos parametrus – amplitūda, spiediens, temperatūra, viskozitāte, koncentrācija, reaktora tilpums.

Ultraskaņas zondes ierīce atvērtā vārglāzē

Kad paraugi ir apstrādāt ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas zondes ierīci, intensīva ultraskaņas zona ir tieši zem sonotrode/zondes. Ultraskaņas apstarošana attālums ir ierobežots līdz noteiktai jomai sonotrode tip. (sk. 1. att.)
Ultraskaņas procesi atvērtos cilindros lielākoties tiek izmantoti tehniski ekonomiskā pamatojuma testēšanai un mazāku tilpumu paraugu sagatavošanai.

Ultraskaņas zondes ierīce nepārtrauktas plūsmas režīmā

Vismodernākie ultraskaņas apstrādes rezultāti tiek sasniegti ar nepārtrauktu apstrādi slēgtā plūsmas režīmā. Visi materiāli tiek apstrādāti ar tādu pašu ultraskaņas intensitāti kā plūsmas ceļu un uzturēšanās laiku ultraskaņas reaktora kamerā tiek kontrolēta.

Pic. 4:1kW ultraskaņas sistēma UIP1000hd ar plūsmas šūnu un sūkņa

Ultraskaņas šķidruma apstrādes procesa rezultāti konkrētā parametra konfigurācijā ir enerģijas funkcija uz apstrādāto apjomu. Funkcija mainās ar individuālo parametru izmaiņām. Bez tam faktiskā izejas jauda un intensitāte par ultraskaņas iekārtas sonotrode virsmas laukumu ir atkarīga no parametriem.

Ultraskaņas apstrādes KAVITĀCIJAS ietekme ir atkarīga no virsmas intensitātes, kas ir atgāzta ar amplitūdu (A), spiedienu (p), reaktora tilpumu (VR), temperatūru (T), viskozitāti (ē) un citām. Plusa un mīnusa zīme norāda, ka ultrasonikācijas intensitātei ir specifisks parametrs vai negatīva ietekme.

Kontrolējot svarīgākais parametrs ultraskaņu process process ir pilnībā atkārtojami un sasniegtos rezultātus var mērogot pilnīgi lineāru. Dažāda veida sonotrodes un ultraskaņas plūsmas šūnu reaktori ļauj pielāgoties īpašām procesa prasībām.

Kopsavilkuma

Lai gan Ultraskaņas vanna nodrošina Vāja ultraskaņu ar apm. 20-40 W/L un ļoti neviendabīga Sadales Ultraskaņas zondes tipa ierīces var viegli pāris 20,000 W/L pārstrādātā vidē. Tas nozīmē, ka ultraskaņas zondes ierīce izceļas ar ultraskaņas vannu ar koeficientu 1000 (1000x augstākas enerģijas ievades apjoma), jo Vērsta un Vienotu Ultraskaņas enerģijas ievadi. Pilnīga kontrole pār vissvarīgākajiem ultraskaņas parametriem nodrošina pilnīgi reproducāma rezultātus un Lineāra mērogojamība no procesa rezultātiem.