Sonificatieprocessen kunnen worden uitgevoerd door gebruik te maken van een ultrasone homogenisator van het sondetype of van een ultrasoon bad. Hoewel beide technieken ultrageluid op het monster toepassen, zijn er aanzienlijke verschillen in doeltreffendheid, doelmatigheid en procesmogelijkheden. Ultrasone apparaten van het sondetype blinken ultrasoon bad drastisch uit als het gaat om ultrasone intensiteit, amplitude, uniforme verwerking en reproduceerbaarheid.

De gewenste effecten van de ultrasone trillingen van vloeistoffen – inclusief homogenisatie, Dispergeren, deagglomeratie, frezen, emulgering, extractie, lysis, ontbinding en sonochemische effecten - worden veroorzaakt door cavitatie. Door ultrasone golven met hoog vermogen in een vloeibaar medium te introduceren, worden de geluidsgolven in het fluïdum doorgelaten en worden wisselende hogedruk- (compressie) en lagedruk (verdunning) cycli gecreëerd, met snelheden die afhankelijk zijn van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de bellen een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen opnemen, vallen ze hevig in elkaar tijdens een hoge drukcyclus. Dit fenomeen wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden zeer hoge temperaturen (ongeveer 5.000K) en drukken (ongeveer 2.000 atm) lokaal bereikt. De implosie van de cavitatiebel resulteert ook in vloeistofstralen met een snelheid tot 280 m / s. [Suslick 1998]

Moholkar et al. (2000) gevonden dat de bellen in het gebied van hoogste cavitatie-intensiteit onderging een voorbijgaande beweging, terwijl de bellen in het gebied van laagste cavitatie-intensiteit onderging stable / oscillerende beweging. De tijdelijke ineenstorting van de bellen die leiden tot lokale temperatuur en druk maxima geeft aan de basis van de waargenomen effecten van ultrageluid op chemische systemen.
De intensiteit van ultrasone trillingen is een functie van de energietoevoer en de sonotrode oppervlak. Voor een gegeven energietoevoer geldt: hoe groter het oppervlak van de sonotrode, hoe lager de intensiteit van ultrageluid.
Ultrageluidgolven kan worden gegenereerd door verschillende soorten ultrasone systemen. Hierna, de verschillen tussen de sonicatie onder toepassing van een ultrasoon bad, ultrasone sonde-inrichting in een open vat en ultrasone sonde apparaat met doorstroomcel kamer wordt vergeleken.

Vergelijking van de cavitational hot spot distributie

Voor ultrasone toepassingen worden ultrasone sondes (sonotroden / hoorns) en ultrasone baden gebruikt. “Onder deze twee methodes van ultrasoonbehandeling, is de sonde sonicatie effectiever en krachtiger dan het ultrasone bad in de toepassing van nanodeeltjesdispersie; het ultrasone badapparaat kan een zwakke ultrasoonbehandeling met ongeveer 20-40 W/L en een zeer niet-uniforme distributie verstrekken terwijl het ultrasone sondeapparaat 20.000 W/L in de vloeistof kan verstrekken. Aldus, betekent het dat een ultrasoon sondeapparaat het ultrasoon badapparaat door de factor 1000 uitblinkt.” (cf. Asadi et al., 2019)

ultrasoonbad

In een ultrasoonbad, cavitatie niet-gelijkvormig en ongecontroleerd verspreid door de tank. De sonicatie effect is geringe intensiteit en ongelijk verspreiding. De herhaalbaarheid en schaalbaarheid van het proces is zeer slecht.
De afbeelding hieronder toont de resultaten van een folie testen in een ultrasoon tank. Derhalve wordt een dunne folie of aluminiumfolie op de bodem van een water gevulde ultrasoontank. Na sonicatie, enkele erosie zichtbaar zijn. Die enkele geperforeerde vlekken en gaten in de folie geven de cavitational hot spots. Als gevolg van de weinig energie en de ongelijk verdeling van het ultrageluid in de tank, de erosie tekenen verschijnen alleen spot-wise. Vandaar dat ultrasone baden meestal gebruikt voor reinigingstoepassingen.

De onderstaande afbeeldingen tonen de ongelijke verdeling van cavitational hot spots in een ultrasoon bad. In fig. 2, een bad met een bodemgebied van 20×10 cm wordt toegepast.

Voor de in fig. 3 metingen werd een ultrasoon bad met een bodemruimte van 12x10cm gebruikt.

Beide metingen blijkt dat de verdeling van de ultrasone bestraling veld in de ultrasonische tanks zeer ongelijk.
De studie van ultrasone straling op verschillende plaatsen in het bad laat aanzienlijke ruimtelijke variaties in de intensiteit van cavitatie in een ultrasoonbad.

Fig. 4 hieronder vergelijkt het rendement van een ultrasoonbad en een ultrasone sonde-inrichting geïllustreerd door de ontkleuring van azokleurstof methylviolet.

Dhanalakshmi et al. gevonden in hun onderzoek dat probe-ultrasoon apparaten hebben een hoge gelokaliseerde intensiteitspercentage tank-type en derhalve meer gelokaliseerd effect zoals weergegeven in fig. 4. Dit betekent een hogere intensiteit en efficiency van het proces sonicatie.
Ultrasone opstelling als weergegeven in figuur 4, maakt een volledige controle over de belangrijkste parameters - amplitude, druk, temperatuur, viscositeit, concentratie reactorvolume.

Ultrasone sonde Inrichting open beker

Wanneer monsters gesoniceerd met een ultrosoonprobe inrichting intense ultrasoonapparaat zone direct onder de sonotrode / probe. De ultrasone bestraling afstand beperkt is tot een bepaald deel van de tip sonotrode is. (Zie afb.1)
Ultrasone trillingen ter openbare bekers worden meestal gebruikt voor het testen van de haalbaarheid en monstervoorbereiding kleinere volumes.

Ultrasone sondeerinrichting continue stroommodus

De meest geavanceerde sonicatie resultaten worden bereikt door een continue verwerking in een gesloten doorstroom wijze. Alle materiaal wordt verwerkt met dezelfde ultrasone intensiteit als de stroombaan en de verblijftijd in de ultrasonische reactorkamer wordt geregeld.

Pic. 4: 1kW ultrasone systeem UIP1000hd met stromingscel en pomp

De bewerkingsresultaten van ultrasoon vloeistof verwerking voor een bepaalde parameter configuratie zijn afhankelijk van de energie per volume verwerkt. De functie verandert met veranderingen in individuele parameters. Bovendien is de feitelijke uitgangsvermogen en intensiteit per oppervlakte van de sonotrode van een ultrasoon apparaat afhankelijk van de parameters.

De cavitatie effect van ultrasone bewerking is afhankelijk van de oppervlakte-intensiteit die is beschreven door amplitude (A), druk (p), de reactor volume (VR), de temperatuur (T), viscositeit (η) en anderen. De plus- en mintekens wijzen op een positieve of negatieve invloed van de specifieke parameter op de sonicatie intensiteit.

Door de belangrijkste parameter van de sonificatie proces het proces volledig herhaald en de resultaten worden geschaald volledig lineair. Verschillende soorten sonotrodes en ultrasone stroomcel reactoren maken de aanpassing aan specifieke werkwijze.

Overzicht

terwijl een ultrasoonbad verschaft een zwak sonicatie met ong. 20-40 W / L en een zeer ongelijkmatig distributie, ultrasone sonde-type apparaten kunnen eenvoudig paar ong. 20.000 W / L naar verwerkte medium. Dit betekent dat een ultrasone sonde-toesteltype blinkt een ultrasoon bad met een factor 1000 (1000x hogere energietoevoer per volume) als gevolg van een gefocust en eenvormig ultrasone vermogen. De volledige controle over de belangrijkste ultrasoonapparaat parameters garandeert volledig reproduceerbaar resultaten en de lineaire schaalbaarheid van de procesresultaten.