Sonikacja sondą a kąpiel ultradźwiękowa: Porównanie wydajności
Procesy sonikacji mogą być przeprowadzane przy użyciu homogenizatora ultradźwiękowego typu sondy lub kąpieli ultradźwiękowej. Chociaż obie techniki stosują ultradźwięki do próbki, istnieją znaczne różnice w skuteczności, wydajności i możliwościach procesowych.
Pożądane efekty sonikowania cieczy – w tym homogenizacja, dyspergowanie, deaglomeracja, mielenie, emulgowanie, ekstrakcja, liza, dezintegracja, sonochemia - są spowodowane kawitacją akustyczną. Wprowadzając ultradźwięki o dużej mocy do ciekłego medium, fale dźwiękowe są przenoszone w płynie i tworzą naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie), z szybkościami zależnymi od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności tworzą małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie w cieczy. Gdy pęcherzyki osiągną objętość, przy której nie mogą już absorbować energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to określa się mianem kawitacji. Podczas implozji lokalnie osiągane są bardzo wysokie temperatury (ok. 5000 K) i ciśnienia (ok. 2000 atm). W wyniku implozji pęcherzyka kawitacyjnego powstają również strumienie cieczy o prędkości do 280 m/s. [Suslick 1998].
Sonikator sondowy a kąpiel ultradźwiękowa – Dowiedz się, dlaczego sonikatory sondowe wyróżniają się wydajnością i niezawodnością
Rys. 1: Tworzenie stabilnych i przejściowych pęcherzyków kawitacyjnych. (a) przemieszczenie, (b) kawitacja przejściowa, (c) kawitacja stabilna, (d) ciśnienie
[zaadaptowane z Santos et al. 2009].
Moholkar et al. (2000) stwierdzili, że pęcherzyki w obszarze o najwyższej intensywności kawitacji przeszły ruch przejściowy, podczas gdy pęcherzyki w obszarze o najniższej intensywności kawitacji przeszły ruch stabilny / oscylacyjny. Przejściowe zapadanie się pęcherzyków, które prowadzi do lokalnych maksimów temperatury i ciśnienia, leży u podstaw obserwowanego wpływu ultradźwięków na układy chemiczne.
Intensywność ultradźwięków jest funkcją energii wejściowej i pola powierzchni sonotrody. Dla danej energii wejściowej obowiązuje: im większa powierzchnia sonotrody, tym niższa intensywność ultradźwięków.
Fale ultradźwiękowe mogą być generowane przez różne typy systemów ultradźwiękowych. Poniżej porównane zostaną różnice między sonikacją za pomocą kąpieli ultradźwiękowej, sondy ultradźwiękowej w otwartym naczyniu i sondy ultradźwiękowej z komorą przepływową.
Porównanie rozkładu gorących punktów kawitacyjnych
Do zastosowań ultradźwiękowych stosuje się sondy ultradźwiękowe (sonotrody / rogi) i kąpiele ultradźwiękowe. “Spośród tych dwóch metod ultradźwięków, sonikacja sondy jest bardziej skuteczna i wydajna niż kąpiel ultradźwiękowa w stosowaniu dyspersji nanocząstek; urządzenie do kąpieli ultradźwiękowej może zapewnić słabą ultradźwiękową z około 20-40 W / L i bardzo nierównomiernym rozkładem, podczas gdy urządzenie z sondą ultradźwiękową może zapewnić 20 000 W / L w płynie. Oznacza to, że urządzenie z sondą ultradźwiękową przewyższa urządzenie do kąpieli ultradźwiękowej o współczynnik 1000.” (por. Asadi i in., 2019)
Porównanie rozkładu gorących punktów kawitacyjnych
W dziedzinie zastosowań ultradźwiękowych zarówno sondy ultradźwiękowe (sonotrody / rogi), jak i kąpiele ultradźwiękowe odgrywają kluczową rolę. Jednakże, jeśli chodzi o dyspersję nanocząstek, sonikacja sondy znacznie przewyższa kąpiele ultradźwiękowe. Według Asadi et al. (2019), kąpiele ultradźwiękowe zazwyczaj generują słabsze ultradźwięki o wartości około 20-40 W/L z wysoce nierównomiernym rozkładem. W przeciwieństwie do tego, urządzenia z sondą ultradźwiękową mogą dostarczyć zdumiewające 20 000 watów na litr płynu, wykazując skuteczność, która przewyższa kąpiele ultradźwiękowe o współczynnik 1000. Ta wyraźna różnica podkreśla doskonałą zdolność sonikacji sondy w osiąganiu wydajnej i jednorodnej dyspersji nanocząstek.
Wanny ultradźwiękowe
W kąpieli ultradźwiękowej kawitacja występuje w sposób niezgodny i niekontrolowany w zbiorniku. Efekt sonikacji ma niską intensywność i jest nierównomiernie rozłożony. Powtarzalność i skalowalność procesu jest bardzo słaba.
Poniższy rysunek przedstawia wyniki testu folii w zbiorniku ultradźwiękowym. Dlatego cienka folia aluminiowa lub cynowa jest umieszczana na dnie zbiornika ultradźwiękowego wypełnionego wodą. Po sonikacji widoczne są pojedyncze ślady erozji. Te pojedyncze perforowane miejsca i otwory w folii wskazują na gorące punkty kawitacyjne. Ze względu na niską energię i nierównomierny rozkład ultradźwięków w zbiorniku, ślady erozji występują tylko punktowo. Dlatego kąpiele ultradźwiękowe są najczęściej używane do czyszczenia.
W kąpieli ultradźwiękowej lub zbiorniku gorący punkt kawitacji akustycznej występuje bardzo nierównomiernie.
Poniższe rysunki pokazują nierównomierny rozkład gorących punktów kawitacyjnych w kąpieli ultradźwiękowej. Na rys. 2 kąpiel o powierzchni dna 20×Zastosowano 10 cm.
Rys. 2 przedstawia rozkład przestrzenny pola ultradźwiękowego w kąpieli ultradźwiękowej:
(a) przy użyciu 1 L wody w łaźni i (b) przy użyciu całkowitej objętości 2 L wody w łaźni.
[Nascentes et al., 2010].
Do pomiarów pokazanych na rysunku 3 użyto wanny ultradźwiękowej z dolną przestrzenią 12x10 cm.
Rys. 3 przedstawia rozkład przestrzenny pola ultradźwiękowego w kąpieli ultradźwiękowej:
(a) przy użyciu 1 L wody w łaźni i (b) przy użyciu całkowitej objętości 1,3 L wody w łaźni.
[Nascentes et al., 2001].
Oba pomiary pokazują, że rozkład pola napromieniowania ultradźwiękowego w zbiornikach ultradźwiękowych jest bardzo nierównomierny. Badanie napromieniowania ultradźwiękowego w różnych miejscach kąpieli wykazuje znaczne przestrzenne różnice w intensywności kawitacji w kąpieli ultradźwiękowej.
Rysunek 4 poniżej porównuje wydajność kąpieli ultradźwiękowej i ultradźwiękowego urządzenia sondującego, na przykładzie odbarwiania barwnika azowego fioletu metylowego.
Rys. 4: Sonikatory sondowe wykorzystują zlokalizowaną bardzo wysoką intensywność energii w porównaniu z niską gęstością ultradźwięków w zbiornikach i wannach ultradźwiękowych.
Dhanalakshmi i in. stwierdzili w swoich badaniach, że urządzenia ultradźwiękowe typu sondy mają wysoką zlokalizowaną intensywność w porównaniu do typu zbiornika, a tym samym większy zlokalizowany efekt, jak pokazano na rysunku 4. Oznacza to większą intensywność i wydajność procesu sonikacji.
Układ ultradźwiękowy, jak pokazano na rysunku 4, pozwala na pełną kontrolę nad najważniejszymi parametrami, takimi jak amplituda, ciśnienie, temperatura, lepkość, stężenie, objętość reaktora.
Sonikator UP200St z sonotrodą S26d7D do homogenizacji wsadowej próbek
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Zdjęcie 1: Sonotroda transmitująca ultradźwięki mocy do cieczy. Zamglenie pod powierzchnią sonotrody wskazuje obszar gorącego punktu kawitacyjnego.
- intensywny
- skupiony
- pełna kontrola
- równomierna dystrybucja
- powtarzalny
- Skalowanie liniowe
- Batch i in-line
Zalety sonikatorów z sondą
Sondy ultradźwiękowe lub sonotrody są zaprojektowane tak, aby koncentrować energię ultradźwiękową w skupionym obszarze, zwykle na końcu sondy. Ta skoncentrowana transmisja energii pozwala na precyzyjną i skuteczną obróbkę próbek. Ponieważ konstrukcja sondy zapewnia, że znaczna część energii ultradźwiękowej jest skierowana na próbkę, transfer energii jest znacznie zwiększony w porównaniu do kąpieli ultradźwiękowych. Ta skoncentrowana transmisja mocy ultradźwiękowej jest szczególnie korzystna w zastosowaniach wymagających precyzyjnej kontroli parametrów sonikacji, takich jak rozrywanie komórek, nano-dyspersja, synteza nanocząstek, emulgowanie i ekstrakcja botaniczna.
Dlatego sonikatory sondowe oferują wyraźne korzyści w porównaniu z kąpielami ultradźwiękowymi pod względem precyzji, kontroli, elastyczności, wydajności i skalowalności, co czyni je niezbędnymi narzędziami do szerokiego zakresu zastosowań naukowych i przemysłowych.
Sonikatory z sondą do przetwarzania otwartych zlewek
Gdy próbki są sonikowane za pomocą sondy ultradźwiękowej, strefa intensywnej sonikacji znajduje się bezpośrednio pod sonotrodą / sondą. Odległość promieniowania ultradźwiękowego jest ograniczona do pewnego obszaru końcówki sonotrody. (patrz rys.1)
Procesy ultradźwiękowe w otwartych zlewkach są najczęściej wykorzystywane do testowania wykonalności i przygotowywania próbek o mniejszych objętościach.
Sonikatory sondowe z komorą przepływową do przetwarzania w linii produkcyjnej
Najbardziej wyrafinowane wyniki sonikacji uzyskuje się dzięki ciągłemu przetwarzaniu w trybie zamkniętego przepływu. Cały materiał jest przetwarzany z taką samą intensywnością ultradźwięków jak ścieżka przepływu i kontrolowany jest czas przebywania w komorze reaktora ultradźwiękowego.
Ultradźwiękowy zestaw recyrkulacyjny: UIP1000hdT z komorą przepływową, zbiornikiem i pompą
Wyniki procesu ultradźwiękowego przetwarzania cieczy dla danej konfiguracji parametrów są funkcją energii na przetworzoną objętość. Funkcja ta zmienia się wraz ze zmianami poszczególnych parametrów. Ponadto rzeczywista moc wyjściowa i intensywność na powierzchnię sonotrody jednostki ultradźwiękowej zależy od parametrów.
Kawitacyjny wpływ obróbki ultradźwiękowej zależy od intensywności powierzchni, która jest opisana przez amplitudę (A), ciśnienie (p), objętość reaktora (VR), temperaturę (T), lepkość (η) i inne. Znaki plus i minus wskazują na pozytywny lub negatywny wpływ określonego parametru na intensywność sonikacji.
Kontrolując najważniejszy parametr procesu sonikacji, proces jest w pełni powtarzalny, a uzyskane wyniki można skalować całkowicie liniowo. Różne typy sonotrod i ultradźwiękowych reaktorów przepływowych pozwalają na dostosowanie do specyficznych wymagań procesowych.
Podsumowanie: Sonikator z sondą a kąpiel ultradźwiękowa
Podczas gdy kąpiel ultradźwiękowa zapewnia słabą sonikację z ok. 20 W na litr, tylko i bardzo nierównomierny rozkład, sonikatory typu sondy mogą z łatwością łączyć ok. 20000 W na litr w przetwarzanym medium. Oznacza to, że sonikator z sondą ultradźwiękową przewyższa łaźnię ultradźwiękową o współczynnik 1000 (1000x wyższy pobór energii na objętość) ze względu na skupiony i równomierny pobór mocy ultradźwiękowej. Pełna kontrola nad najważniejszymi parametrami sonikacji zapewnia całkowicie powtarzalne wyniki i liniową skalowalność wyników procesu.
Literatura/Referencje
- 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.
Często zadawane pytania dotyczące sond ultradźwiękowych (FAQ)
Czym jest sonikator z sondą ultradźwiękową?
Sonikator z sondą ultradźwiękową to urządzenie wykorzystujące fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości do zakłócania lub mieszania próbek. Składa się z sondy, która po zanurzeniu w cieczy generuje drgania ultradźwiękowe, prowadzące do kawitacji i pożądanych efektów przetwarzania próbki.
Jaka jest zasada działania sonikacji sondy?
Sonikacja sondy działa na zasadzie kawitacji ultradźwiękowej. Gdy sonda wibruje w próbce, tworzy mikroskopijne pęcherzyki, które szybko rozszerzają się i zapadają. Proces ten generuje intensywne siły ścinające i ciepło, rozbijając komórki lub mieszając składniki na poziomie mikroskopowym.
Czy myjka ultradźwiękowa to to samo co sonikator?
Nie, to nie to samo. Myjka ultradźwiękowa wykorzystuje bardzo łagodne fale ultradźwiękowe w kąpieli do czyszczenia przedmiotów, głównie poprzez wibracje i bardzo małą kawitację. Sonikator, w szczególności sonikator z sondą ultradźwiękową, jest przeznaczony do bezpośredniej, intensywnej obróbki ultradźwiękowej próbek, koncentrując się na rozerwaniu lub homogenizacji.
Do czego służy sonda ultradźwiękowa?
Sonda ultradźwiękowa jest używana głównie do przygotowywania próbek, takich jak rozbijanie komórek, homogenizacja, emulgowanie i dyspersja cząstek w różnych zastosowaniach badawczych i przemysłowych w chemii, biologii i materiałoznawstwie.
Jaka jest różnica między sondy sonikatora i cup-horn?
Sonikator bezpośrednio zanurza sondę w próbce w celu intensywnej sonikacji. Z drugiej strony sonikator kubkowy nie zanurza sondy, ale wykorzystuje metodę pośrednią, w której próbka jest umieszczana w pojemniku w łaźni wodnej, która przenosi energię ultradźwiękową.
Dlaczego warto używać sonikatora?
Sonikator sondy jest używany ze względu na jego zdolność do dostarczania bezpośredniej energii ultradźwiękowej o wysokiej intensywności do próbki, osiągając skuteczne rozbicie, homogenizację lub emulgowanie. Jest to szczególnie cenne w przypadku trudnych do przetworzenia próbek lub gdy wymagana jest precyzyjna kontrola nad procesem.
Jakie są zalety sonikatora?
Zalety obejmują wydajne i szybkie przetwarzanie próbek, wszechstronność zastosowań, precyzyjną kontrolę nad parametrami sonikacji oraz możliwość przetwarzania szerokiego zakresu rozmiarów i typów próbek, od próbek laboratoryjnych o małej objętości po większe partie przemysłowe lub natężenia przepływu.
Jak używać sonikatora z sondą ultradźwiękową?
Korzystanie z sonikatora z sondą ultradźwiękową obejmuje wybór odpowiedniego rozmiaru sondy i parametrów sonikacji, zanurzenie końcówki sondy w próbce, a następnie aktywację sonikatora na żądany czas i ustawienia mocy w celu uzyskania skutecznego przetwarzania próbki.
Jaka jest różnica między sonikacją a ultrasonikacją?
Sonikacja odnosi się do ogólnego wykorzystania fal dźwiękowych do przetwarzania materiałów, które mogą obejmować zakres częstotliwości. Ultradźwięki określają wykorzystanie częstotliwości ultradźwiękowych (zwykle powyżej 20 kHz), koncentrując się na zastosowaniach wymagających fal dźwiękowych o wysokiej energii do przetwarzania próbek. Jednak większość osób używając słowa sonikator odnosi się do ultradźwiękowców.