Sonificatie met sonde vs. ultrasoon bad: Een rendementsvergelijking

Sonificatieprocessen kunnen worden uitgevoerd met behulp van een ultrasone homogenisator van het probe-type of een ultrasoon bad. Hoewel beide technieken ultrageluid toepassen op het monster, zijn er significante verschillen in effectiviteit, efficiëntie en procesmogelijkheden.

De gewenste effecten van het sonificeren van vloeistoffen – zoals homogeniseren, dispergeren, deagglomereren, malen, emulgeren, extraheren, lyseren, desintegreren, sonochemie - worden veroorzaakt door akoestische cavitatie. Door ultrageluid met een hoog vermogen in een vloeibaar medium te brengen, worden de geluidsgolven doorgegeven in de vloeistof en creëren ze afwisselend hogedrukcycli (compressie) en lagedrukcycli (rarefactie), 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 belletjes een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen, storten ze heftig in elkaar tijdens een hogedrukcyclus. Dit fenomeen wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden plaatselijk zeer hoge temperaturen (ongeveer 5.000 K) en drukken (ongeveer 2.000 atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel resulteert ook in vloeistofstralen met een snelheid tot 280m/s. [Suslick 1998]

Fig. 1: Creatie van stabiele en voorbijgaande cavitatiebellen. (a) verplaatsing, (b) voorbijgaande cavitatie, (c) stabiele cavitatie, (d) druk
[aangepast van Santos et al. 2009].

Moholkar et al. (2000) ontdekten dat de bellen in het gebied met de hoogste cavitatie-intensiteit een voorbijgaande beweging ondergingen, terwijl de bellen in het gebied met de laagste cavitatie-intensiteit een stabiele/ oscillerende beweging ondergingen. De voorbijgaande instorting van de bellen die leidt tot lokale temperatuur- en drukmaxima ligt ten grondslag aan de waargenomen effecten van ultrageluid op chemische systemen.
De intensiteit van ultrasone trillingen is een functie van de toegevoerde energie en het oppervlak van de sonotrode. Voor een gegeven energie-input geldt: hoe groter het oppervlak van de sonotrode, hoe lager de intensiteit van het ultrageluid.
Ultrasone golven kunnen worden opgewekt door verschillende soorten ultrasone systemen. In het volgende zullen de verschillen tussen sonicatie met behulp van een ultrasoon bad, een ultrasoon sondeapparaat in een open vat en een ultrasoon sondeapparaat met flowcelkamer worden vergeleken.

Vergelijking van de verdeling van de cavitatiehittepunten

Voor ultrasone toepassingen worden ultrasone sondes (sonotroden/ hoorns) en ultrasone baden gebruikt. “Van deze twee methoden van ultrasoonbehandeling is de sonicatie met een sonde effectiever en krachtiger dan met een ultrasoon bad bij de toepassing van nanodeeltjesdispersie; het ultrasoon badapparaat kan een zwakke ultrasoonbehandeling geven met ongeveer 20-40 W/L en een zeer niet-uniforme verdeling, terwijl het ultrasoon sondeapparaat 20.000 W/L in de vloeistof kan geven. Dit betekent dat een ultrasoon probeapparaat het ultrasoon badapparaat met een factor 1000 overtreft.” (vgl. Asadi et al., 2019)

Vergelijking van de verdeling van cavitatiehaarden

Op het gebied van ultrasone toepassingen spelen zowel ultrasone sondes (sonotroden/horens) als ultrasone baden een centrale rol. Als het echter om nanodeeltjesdispersie gaat, presteert sonicatie met een sonde aanzienlijk beter dan ultrasoonbaden. Volgens Asadi et al. (2019) genereren ultrasoonbaden meestal een zwakkere ultrasone trilling van ongeveer 20-40 W/L met een zeer niet-uniforme verdeling. In schril contrast hiermee kunnen ultrasone sondeapparaten een verbazingwekkende 20.000 watt per liter in de vloeistof brengen, wat een effectiviteit laat zien die ultrasone baden met een factor 1000 overtreft. Dit duidelijke verschil benadrukt het superieure vermogen van sonicatie met een sonde om een efficiënte en uniforme dispersie van nanodeeltjes te bereiken.

Ultrasone baden

In een ultrasoon bad vindt cavitatie plaats op een niet-conforme en ongecontroleerde manier verdeeld over de tank. Het sonificatie-effect is van lage intensiteit en ongelijkmatig verspreid. De herhaalbaarheid en schaalbaarheid van het proces is zeer slecht.
De onderstaande afbeelding toont de resultaten van een folietest in een ultrasoontank. Hiervoor wordt een dunne aluminium- of aluminiumfolie op de bodem van een met water gevulde ultrasoontank geplaatst. Na sonicatie zijn enkele erosiesporen zichtbaar. Deze enkele geperforeerde plekken en gaten in de folie geven de cavitatiehaarden aan. Door de lage energie en de ongelijkmatige verdeling van het ultrageluid in de tank ontstaan de erosiesporen slechts plaatselijk. Daarom worden ultrasoonbaden meestal gebruikt voor reinigingstoepassingen.
 

In een ultrasoon bad of tank komt de hotspot van akoestische cavitatie zeer ongelijkmatig voor.

 
De figuren hieronder tonen de ongelijkmatige verdeling van cavitatiehaarden in een ultrasoon bad. In Fig. 2 is een bad met een bodemoppervlak van 20×10 cm is gebruikt.
 

Fig.2 toont de ruimtelijke verdeling van het ultrasone veld in het ultrasoonbad:
(a) met 1 liter water in het bad en b) met het totale volume van 2 liter water in het bad.
[Nascentes et al., 2010]

 
Voor de metingen in figuur 3 is een ultrasoon bad met een bodemoppervlak van 12x10 cm gebruikt.

Fig. 3 toont de ruimtelijke verdeling van het ultrasone veld in een ultrasoon bad:
(a) met 1 liter water in het bad en b) met het totale volume van 1,3 liter water in het bad.
[Nascentes et al., 2001]

 
Beide metingen laten zien dat de verdeling van het ultrasone bestralingsveld in de ultrasone tanks zeer ongelijkmatig is. De studie van de ultrasone bestraling op verschillende plaatsen in het bad toont significante ruimtelijke variaties in de cavitatie-intensiteit in het ultrasoonbad.

Figuur 4 hieronder vergelijkt de efficiëntie van een ultrasoon bad en een ultrasoon sondeapparaat, geïllustreerd door de ontkleuring van de azokleurstof Methyl Violet.

Fig. 4: Sonicators van het sonde-type gebruiken een gelokaliseerde zeer hoge energie-intensiteit in vergelijking met de lage ultrasone dichtheid van ultrasone tanks en baden.

Dhanalakshmi et al. ontdekten in hun onderzoek dat ultrasone apparaten van het probe-type een hoge gelokaliseerde intensiteit hebben in vergelijking met het tanktype en dus een groter gelokaliseerd effect hebben, zoals weergegeven in figuur 4. Dit betekent een hogere intensiteit en efficiëntie van het sonificatieproces. Dit betekent een hogere intensiteit en efficiëntie van het sonicatieproces.
Een ultrasone opstelling zoals in afbeelding 4 maakt volledige controle mogelijk over de belangrijkste parameters, zoals amplitude, druk, temperatuur, viscositeit, concentratie en reactorvolume.

De voordelen van sonicators met sonde

Ultrasone sondes of sonotrodes zijn ontworpen om ultrasone energie te concentreren in een gefocust gebied, meestal aan de punt van de sonde. Deze gerichte energieoverdracht maakt een nauwkeurige en efficiënte behandeling van monsters mogelijk. Aangezien het ontwerp van de sonde ervoor zorgt dat een aanzienlijk deel van de ultrasone energie naar het monster wordt gericht, is de energieoverdracht aanzienlijk verbeterd in vergelijking met ultrasone baden. Deze gerichte overdracht van ultrasone energie is met name voordelig voor toepassingen die een nauwkeurige controle over sonicatieparameters vereisen, zoals celdispersie, nano-dispersie, nanodeeltjes synthese, emulgering en botanische extractie.
Daarom bieden sonicators van het sonde-type duidelijke voordelen ten opzichte van ultrasone baden op het gebied van precisie, controle, flexibiliteit, efficiëntie en schaalbaarheid, waardoor ze onmisbare instrumenten zijn voor een breed scala aan wetenschappelijke en industriële toepassingen.

Sonde-type Sonicators voor verwerking in open bekers

Wanneer monsters met behulp van een ultrasone sonde worden gesoneerd, bevindt de intense sonificatiezone zich direct onder de sonotrode/sonde. De ultrasone bestralingsafstand is beperkt tot een bepaald gebied van de sonotrodepunt. (zie afb.1)
Ultrasone processen in open bekers worden meestal gebruikt voor haalbaarheidstests en voor monstervoorbereiding van kleinere volumes.

Sonificatoren van het sonde-type met stroomcel voor inline verwerking

De meest verfijnde sonificatieresultaten worden bereikt door een continue verwerking in een gesloten doorstroommodus. Al het materiaal wordt verwerkt met dezelfde ultrasone intensiteit als het stromingstraject en de verblijftijd in de ultrasone reactorkamer wordt geregeld.

Ultrasone recirculatieset: UIP1000hdT met flowcel, tank en pomp

De procesresultaten van ultrasone vloeistofverwerking voor een bepaalde parameterconfiguratie zijn een functie van de energie per verwerkt volume. De functie verandert bij wijzigingen in individuele parameters. Bovendien zijn het werkelijke uitgangsvermogen en de intensiteit per oppervlak van de sonotrode van een ultrasoon apparaat afhankelijk van de parameters.

Het cavitatie-effect van ultrasone verwerking hangt af van de oppervlakte-intensiteit die wordt beschreven door amplitude (A), druk (p), het reactorvolume (VR), de temperatuur (T), viscositeit (η) en andere. De plus- en mintekens geven een positieve of negatieve invloed van de specifieke parameter op de sonicatie-intensiteit aan.

Door de belangrijkste parameter van het sonificatieproces te regelen, is het proces volledig herhaalbaar en kunnen de bereikte resultaten volledig lineair worden geschaald. Verschillende typen sonotroden en ultrasone flowcelreactoren maken aanpassing aan specifieke procesvereisten mogelijk.

Samenvatting: Sonde-type Sonicator vs Ultrasoon bad

Terwijl een ultrasoon bad slechts een zwakke sonicatie levert met ongeveer 20 watt per liter en een zeer niet-uniforme verdeling, kunnen sonicators van het sonde-type gemakkelijk ongeveer 20000 watt per liter in het verwerkte medium pompen. Dit betekent dat een ultrasone sonicator van het probe-type een ultrasoon bad met een factor 1000 overtreft (1000x hogere energie-input per volume) dankzij een gerichte en uniforme ultrasone energie-input. De volledige controle over de belangrijkste sonicatieparameters garandeert volledig reproduceerbare resultaten en de lineaire schaalbaarheid van de procesresultaten.