Sonikatory z sondą a wanny ultradźwiękowe

Zrozumienie różnic między sonikatorem a łaźnią ultradźwiękową pomaga wybrać najbardziej wydajną opcję dla danego zastosowania. Sonikatory Hielscher skupiają intensywną energię ultradźwiękową bezpośrednio na próbce, co skraca czas przetwarzania i zapewnia spójne, powtarzalne wyniki. Natomiast kąpiele ultradźwiękowe rozpraszają energię na większym obszarze, co skutkuje bardzo niską intensywnością i marginalną, nierównomierną kawitacją. Ta niższa intensywność sonikacji często prowadzi do dłuższych czasów przetwarzania i gorszych wyników.

W przypadku zadań takich jak emulgowanie, dyspersja, ekstrakcja lub redukcja wielkości cząstek, sonikatory typu sondowego generują jednolite siły ścinające i kawitację o wysokiej intensywności. To bezpośrednie podejście radzi sobie z trudnymi aplikacjami i łatwo skaluje się od małych testów laboratoryjnych do pełnych serii produkcyjnych. Tymczasem wanny ultradźwiękowe mogą wystarczyć do łagodnego czyszczenia lub zabiegów o niskiej intensywności, ale często zmagają się z bardziej wymagającymi zadaniami, które wymagają precyzyjnej kontroli amplitudy i temperatury. Gdy potrzebna jest niezawodność, elastyczność i solidna wydajność, sonikatory Hielscher oferują wyraźną przewagę nad podstawowymi kąpielami ultradźwiękowymi.

Intensywność kawitacji sonikatora

Sonikatory typu sondowego wprowadzają ultradźwięki o dużej mocy bezpośrednio do ciekłego medium, gdzie fale dźwiękowe tworzą naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia w cieczy. 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 i ciśnienia. Implozja pęcherzyka kawitacyjnego skutkuje również powstaniem niezwykle szybkich strumieni cieczy.
 

Wprowadzenie: Kawitacja ultradźwiękowa

Moholkar (2000) stwierdził, że pęcherzyki w obszarze o najwyższej intensywności kawitacji przeszły ruch przejściowy, podczas gdy pęcherzyki w obszarze o najniższej intensywności kawitacji przeszły stabilny ruch 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 kawitacji

Do zastosowań ultradźwiękowych można używać sond ultradźwiękowych (sonikatorów) lub wanien ultradźwiękowych. “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)

Sonikatory sondowe a wanny ultradźwiękowe: Porównanie rozkładu kawitacji

W dziedzinie zastosowań ultradźwiękowych ważną rolę odgrywają zarówno sonikatory sondowe, jak i kąpiele ultradźwiękowe. Jednakże, jeśli chodzi o dyspersję nanocząstek, sonikatory sondy znacznie przewyższają kąpiele ultradźwiękowe. Według Asadi (2019), kąpiele ultradźwiękowe zazwyczaj generują słabsze ultradźwięki o mocy około 20-40 watów na litr przy bardzo nierównomiernym rozkładzie. W przeciwieństwie do tego, urządzenia z sondą ultradźwiękową mogą dostarczyć zadziwiające 20000 watów na litr cieczy, wykazując skuteczność, która przewyższa kąpiele ultradźwiękowe o współczynnik 1000. Ta wyraźna różnica podkreśla doskonałą zdolność sonikatorów typu 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. W tym celu 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.
 

 
Poniższe rysunki pokazują nierównomierny rozkład gorących punktów kawitacyjnych w kąpieli ultradźwiękowej. Na rys. 2 kąpiel o powierzchni dna 20×Zastosowano 10 cm.
 

 
Do pomiarów pokazanych na rysunku 3 użyto wanny ultradźwiękowej z dolną przestrzenią 12x10 cm.

 
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.

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.

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.

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.

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.