Hielscher Ultrasonics
Vom fi bucuroși să discutăm despre procesul dvs.
Sună-ne: +49 3328 437-420
Trimiteți-ne un e-mail: info@hielscher.com

Sondă-tip sonicare vs. baie cu ultrasunete: o comparație de eficiență

Procesele de sonicare pot fi efectuate prin utilizarea unui omogenizator cu ultrasunete de tip sondă sau a unei băi cu ultrasunete. Deși ambele tehnici aplică ultrasunete probei, există diferențe semnificative în ceea ce privește eficacitatea, eficiența și capacitățile procesului.

Efectele dorite ale lichidelor sonice – inclusiv omogenizarea, dispersarea, dezaglomerarea, măcinarea, emulsionarea, extracția, liza, dezintegrarea, sonochimia - sunt cauzate de cavitația acustică. Prin introducerea ultrasunetelor de mare putere într-un mediu lichid, undele sonore sunt transmise în fluid și creează cicluri alternative de înaltă presiune (compresie) și joasă presiune (rarefiere), cu rate în funcție de frecvență. În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de înaltă intensitate creează bule mici de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, ele se prăbușesc violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen se numește cavitație. În timpul imploziei, temperaturile foarte ridicate (aprox. 5.000K) și presiunile (aprox. 2.000atm) sunt atinse local. Implozia bulei de cavitație are ca rezultat, de asemenea, jeturi lichide cu o viteză de până la 280 m / s. [Suslick 1998]

Sonicator de tip sondă UP100H vs baie cu ultrasunete: sonicatoarele de tip sondă excelează cu transmisia focalizată cu ultrasunete și rezultatele reproductibile

Sondă tip sonicator vs baie cu ultrasunete – Explorați de ce sonicatoarele de tip sondă excelează în eficiență și fiabilitate

 

În acest videoclip, comparăm puterea de extracție a unei băi cu ultrasunete - cunoscută și sub numele de agent de curățare cu ultrasunete - cu cea a unei sonde cu ultrasunete Hielscher UP100H.

Extracția ciupercilor - Baie vs sondă Ultrasonication - comparație cot la cot

Miniatură video

 

Bulele de cavitație pot fi diferențiate în bule stabile și tranzitorii. (Click pentru marire!)

Fig. 1: Crearea de bule de cavitație stabile și tranzitorii. (a) deplasare, (b) cavitație tranzitorie, (c) cavitație stabilă, (d) presiune
[adaptat după Santos et al. 2009]

Moholkar et al. (2000) au constatat că bulele din regiunea cu cea mai mare intensitate de cavitație au suferit o mișcare tranzitorie, în timp ce bulele din regiunea cu cea mai mică intensitate de cavitație au suferit o mișcare stabilă / oscilatorie. Colapsul tranzitoriu al bulelor care dă naștere maximelor locale de temperatură și presiune se află la baza efectelor observate ale ultrasunetelor asupra sistemelor chimice.
Intensitatea ultrasonication este o funcție a energiei de intrare și a suprafeței sonotrode. Pentru o anumită intrare de energie se aplică: cu cât suprafața sonotrodei este mai mare, cu atât intensitatea ultrasunetelor este mai mică.
Undele cu ultrasunete pot fi generate de diferite tipuri de sisteme cu ultrasunete. În cele ce urmează, vor fi comparate diferențele dintre sonicare folosind o baie cu ultrasunete, dispozitiv de sondă cu ultrasunete într-un vas deschis și dispozitiv de sondă cu ultrasunete cu cameră celulară de flux.

Compararea distribuției punctelor fierbinți cavitaționale

Pentru aplicații cu ultrasunete, se utilizează sonde cu ultrasunete (sonotrodes / coarne) și băi cu ultrasunete. “Printre aceste două metode de ultrasonication, sonda sonicare este mai eficientă și mai puternică decât baia cu ultrasunete în aplicarea dispersiei nanoparticulelor; dispozitivul de baie cu ultrasunete poate oferi o ultrasonication slab cu aproximativ 20-40 W / L și o distribuție foarte neuniformă, în timp ce dispozitivul sondă cu ultrasunete poate furniza 20.000 W / L în fluid. Astfel, înseamnă că un dispozitiv de sondă cu ultrasunete excelează dispozitivul de baie cu ultrasunete cu factorul 1000.” (cf. Asadi et al., 2019)

Compararea distribuției punctelor fierbinți cavitaționale

În domeniul aplicațiilor cu ultrasunete, atât sonde cu ultrasunete (sonotrodes / coarne), cât și băi cu ultrasunete joacă roluri esențiale. Cu toate acestea, atunci când vine vorba de dispersia nanoparticulelor, sonda sonicare depășește în mod semnificativ băile cu ultrasunete. Potrivit lui Asadi et al. (2019), băile cu ultrasunete generează de obicei o ultrasonication mai slabă de aproximativ 20-40 W / L, cu o distribuție extrem de neuniformă. În contrast puternic, dispozitivele sondă cu ultrasunete pot livra un uimitor 20.000 wați pe litru în lichid, prezentând o eficacitate care depășește băile cu ultrasunete cu un factor de 1000. Această diferență marcată evidențiază capacitatea superioară a sondei sonicare în realizarea unei dispersii eficiente și uniforme a nanoparticulelor.

Băi cu ultrasunete

Aflați de ce sondele cu ultrasunete depășesc rezervoarele de curățare cu ultrasunete și sonicatoarele de tip baie.Într-o baie cu ultrasunete, cavitația are loc neconformă și distribuită necontrolat prin rezervor. Efectul sonicare este de intensitate scăzută și răspândită inegal. Repetabilitatea și scalabilitatea procesului sunt foarte slabe.
Imaginea de mai jos prezintă rezultatele testării foliei într-un rezervor cu ultrasunete. Prin urmare, o folie subțire de aluminiu sau staniu este plasată în partea de jos a unui rezervor cu ultrasunete umplut cu apă. După sonicare, semnele unice de eroziune sunt vizibile. Aceste pete perforate unice și găurile din folie indică punctele fierbinți cavitaționale. Datorită energiei reduse și distribuției inegale a ultrasunetelor în rezervor, semnele de eroziune apar numai la fața locului. Prin urmare, băile cu ultrasunete sunt utilizate în principal pentru aplicații de curățare.
 

Într-o baie sau rezervor cu ultrasunete, punctul fierbinte cu ultrasunete apar foarte neuniform. (Click pentru marire!)

Într-o baie sau rezervor cu ultrasunete, punctul fierbinte al cavitației acustice apare foarte neuniform.

 
Cifrele de mai jos arată distribuția inegală a punctelor fierbinți cavitaționale într-o baie cu ultrasunete. În Fig. 2, o baie cu o suprafață inferioară de 20×10 cm a fost folosit.
 

Dispozitive de tip sondă cu ultrasunete vs rezervoare cu ultrasunete. Hielscher Ultrasonics demonstrează diferențele în câmpurile de cavitație acustică

Fig.2 prezintă distribuția spațială a câmpului ultrasonic în baia ultrasonică:
(a) folosind 1 L de apă în baie și (b) folosind volumul total de 2 L de apă în baie.
[Nascentes și colab., 2010]

 
Pentru măsurătorile prezentate în figura 3, a fost utilizată o baie ultrasonică cu un spațiu inferior de 12x10cm.

Cavitație inegală într-o baie cu ultrasunete (Faceți clic pentru a mări!)

Fig. 3 prezintă distribuția spațială a câmpului ultrasonic într-o baie cu ultrasunete:
(a) folosind 1 L de apă în baie și (b) folosind volumul total de 1,3 L de apă în baie.
[Nascentes și colab., 2001]

 
Ambele măsurători arată că distribuția câmpului de iradiere cu ultrasunete în rezervoarele cu ultrasunete este foarte inegală. Studiul iradierii cu ultrasunete în diferite locații din baie arată variații spațiale semnificative ale intensității cavitației în baia cu ultrasunete.

Figura 4 de mai jos compară eficiența unei băi cu ultrasunete și a unui dispozitiv de sondă cu ultrasunete exemplificat prin decolorarea colorantului azo Methyl Violet.

Comparație sondă rezervor sonicare

Fig. 4: Sonicatoarele de tip sondă desfășoară o intensitate energetică foarte mare localizată în comparație cu densitatea scăzută cu ultrasunete a rezervoarelor și băilor cu ultrasunete.

Dhanalakshmi et al. au descoperit în studiul lor că dispozitivele cu ultrasunete de tip sondă au o intensitate localizată ridicată în comparație cu tipul de rezervor și, prin urmare, un efect localizat mai mare, așa cum este descris în figura 4. Aceasta înseamnă o intensitate și o eficiență mai mare a procesului de sonicare.
O configurație cu ultrasunete, așa cum se arată în imaginea 4, permite controlul deplin asupra celor mai importanți parametri, ar fi amplitudinea, presiunea, temperatura, vâscozitatea, concentrația, volumul reactorului.

Sonicator UP200St cu sonotrode S26d7D pentru omogenizarea de tip lot de eggnog

Sondă tip sonicator UP200St cu sonotrode S26d7D pentru omogenizarea probelor de tip lot

Contactează-ne! / Întreabă-ne!

Solicitați mai multe informații

Vă rugăm să utilizați formularul de mai jos pentru a solicita informații suplimentare despre sonicatoare de tip sondă și altele, aplicații și preț. Vom fi bucuroși să discutăm procesul cu dvs. și să vă oferim un sonicator care să îndeplinească cerințele dvs.!









Vă rugăm să rețineți Politica de confidențialitate.




O sondă cu ultrasunete (sonotrode) este o tijă de titan care transmite undele cu ultrasunete în lichide. Ca urmare, în lichid apare cavitația acustică, care asigură forțele mecanice de forfecare pentru prelucrarea ultarsonică.

Pic 1: Sonotrode transmiterea ultrasunetelor de putere în lichid. Ceața de sub suprafața sonotrode indică zona fierbinte cavitațională.

Avantaje Sondă-Sonicare:

  • intens
  • Concentrat
  • complet controlabil
  • distribuție uniformă
  • Reproductibile
  • Scalare liniară
  • Lot și în linie

Avantajele sonicatoarelor de tip sondă

Sonde cu ultrasunete sau sonotrodes sunt concepute pentru a concentra energia cu ultrasunete într-o zonă focalizată, de obicei la vârful sondei. Această transmisie concentrată a energiei permite tratarea precisă și eficientă a probelor. Deoarece designul sondei asigură că o parte semnificativă a energiei ultrasonice este direcționată către probă, transferul de energie este îmbunătățit semnificativ în comparație cu băile cu ultrasunete. Această transmisie concentrată a puterii cu ultrasunete este deosebit de avantajoasă pentru aplicațiile care necesită un control precis asupra parametrilor sonicare, cum ar fi întreruperea celulelor, nano-dispersie, sinteza nanoparticulelor, emulsionarea, și extracția botanică.
Prin urmare, sonicatoare de tip sondă oferă avantaje distincte față de băile cu ultrasunete în ceea ce privește precizia, controlul, flexibilitatea, eficiența și scalabilitatea, făcându-le instrumente indispensabile pentru o gamă largă de aplicații științifice și industriale.

Sondă tip sonicatoare pentru prelucrarea paharului deschis

Atunci când probele sunt sonicated folosind un dispozitiv sondă cu ultrasunete, zona intensă sonicare este direct sub sonotrode / sondă. Distanța de iradiere cu ultrasunete este limitată la o anumită zonă a vârfului sonotrode. (vezi pic.1)
Procesele cu ultrasunete în pahare deschise sunt utilizate în principal pentru testarea fezabilității și pentru pregătirea probelor de volume mai mici.

Sondă tip sonicatoare cu celulă de flux pentru procesare inline

Cele mai sofisticate rezultate sonicare sunt obținute printr-o prelucrare continuă într-un mod închis flow-through. Toate materialele sunt prelucrate de aceeași intensitate cu ultrasunete ca și calea de curgere și timpul de ședere în camera reactorului cu ultrasunete este controlat.

Set de recirculare cu ultrasunete: UIP1000hdT cu celulă de flux, rezervor și pompă

Set de recirculare cu ultrasunete: UIP1000hdT cu celulă de flux, rezervor și pompă

Rezultatele procesului de prelucrare a lichidului cu ultrasunete pentru o anumită configurație a parametrilor sunt o funcție a energiei pe volum prelucrat. Funcția se modifică odată cu modificarea parametrilor individuali. În plus, puterea reală de ieșire și intensitatea pe suprafață a sonotrodului unei unități cu ultrasunete depinde de parametri.

Impactul cavitațional al procesării cu ultrasunete depinde de intensitatea suprafeței descrisă de amplitudine (A), presiune (p), volumul reactorului (VR), temperatura (T), vâscozitate (η) și altele. Semnele plus și minus indică o influență pozitivă sau negativă a parametrului specific asupra intensității sonicării.

Impactul cavitațional al procesării cu ultrasunete depinde de intensitatea suprafeței descrisă de amplitudine (A), presiune (p), volumul reactorului (VR), temperatura (T), vâscozitate (η) și altele. Semnele plus și minus indică o influență pozitivă sau negativă a parametrului specific asupra intensității sonicării.

Prin controlul celui mai important parametru al procesului de sonicare procesul este pe deplin repetabil și rezultatele obținute pot fi scalate complet liniar. Diferite tipuri de sonotrodes și reactoare cu celule de flux cu ultrasunete permit adaptarea la cerințele specifice ale procesului.

Rezumat: Sondă-tip Sonicator vs baie cu ultrasunete

În timp ce o baie cu ultrasunete oferă o sonicare slabă cu aproximativ 20 wați pe litru, numai și o distribuție foarte neuniformă, sonicatorii de tip sondă pot cupla cu ușurință aproximativ 20000 wați pe litru în mediul prelucrat. Acest lucru înseamnă că un sonicator cu ultrasunete tip sondă excelează o baie cu ultrasunete cu factor de 1000 (1000x mai mare de intrare de energie pe volum) datorită unei intrări de putere cu ultrasunete concentrate și uniforme. Controlul deplin asupra celor mai importanți parametri sonicare asigură rezultate complet reproductibile și scalabilitatea liniară a rezultatelor procesului.

Contactați-ne / cereți mai multe informații

Discutați cu noi despre cerințele dvs. de procesare. Vă vom recomanda cei mai potriviți parametri de configurare și procesare pentru proiectul dvs.





Vă rugăm să rețineți Politica de confidențialitate.


Acest videoclip arată cuphorn cu ultrasunete de 200 wați pentru dispersarea, omogenizarea, extragerea sau degazarea probelor de laborator.

Cuphorn cu ultrasunete (200 wați)

Miniatură video

Literatură/Referințe

  • 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.



Întrebări frecvente despre sondele cu ultrasunete (FAQ)

Ce este un sonicator sondă cu ultrasunete?

Un sonicator sondă cu ultrasunete este un dispozitiv care utilizează unde sonore de înaltă frecvență pentru a perturba sau amesteca probe. Se compune dintr-o sondă care, atunci când este scufundată într-un lichid, generează vibrații ultrasonice, ducând la cavitație și efectele dorite de procesare a probei.

Care este principiul sondei sonicare?

Sonda sonicare funcționează pe principiul cavitației cu ultrasunete. Când sonda vibrează în probă, creează bule microscopice care se extind rapid și se prăbușesc. Acest proces generează forțe intense de forfecare și căldură, perturbând celulele sau amestecând componentele la nivel microscopic.

Este un agent de curățare cu ultrasunete la fel ca un sonicator?

Nu, nu sunt la fel. Un agent de curățare cu ultrasunete utilizează unde ultrasonice foarte ușoare într-o baie pentru a curăța obiectele, în principal prin vibrații și cavitație foarte ușoară. Un sonicator, în special un sonicator sondă cu ultrasunete, este proiectat pentru tratamentul direct, intensiv cu ultrasunete al probelor, concentrându-se pe perturbare sau omogenizare.

Care este utilizarea unei sonde cu ultrasunete?

O sondă cu ultrasunete este utilizată în principal pentru sarcinile de pregătire a probelor, cum ar fi întreruperea celulelor, omogenizarea, emulsionarea și dispersia particulelor într-o varietate de aplicații de cercetare și industriale în chimie, biologie și știința materialelor.

Care este diferența dintre sonda sonicator și cup-horn?

Un sonicator sondă scufundă direct sonda în eșantion pentru sonicare intensă. Un sonicator cup-horn, pe de altă parte, nu scufundă sonda, ci utilizează o metodă indirectă în cazul în care proba este plasat într-un recipient într-o baie de apă care transmite energia cu ultrasunete.

De ce să folosiți un sonicator sondă?

Un sonicator sondă este utilizat pentru capacitatea sa de a furniza energie ultrasonică directă, de înaltă intensitate la o probă, realizând o întrerupere eficientă, omogenizare sau emulsionare. Este deosebit de valoros pentru probele greu de procesat sau atunci când este necesar un control precis asupra procesului.

Care sunt avantajele unui sonicator sondă?

Avantajele includ prelucrarea eficientă și rapidă a probelor, versatilitatea în aplicații, controlul precis asupra parametrilor sonicare, și capacitatea de a procesa o gamă largă de dimensiuni și tipuri de probe, de la probe de laborator cu volum mic la loturi industriale mai mari sau debite.

Cum utilizați un sonicator sondă cu ultrasunete?

Utilizarea unui sonicator sondă cu ultrasunete implică selectarea dimensiunii sondei corespunzătoare și a parametrilor sonicare, scufundarea vârfului sondei în eșantion și apoi activarea sonicatorului pentru setările de timp și putere dorite pentru a obține o prelucrare eficientă a probei.

Care este diferența dintre sonicare și ultrasonication?

Sonicare se referă la utilizarea generală a undelor sonore pentru prelucrarea materialelor, care pot include o gamă de frecvențe. Ultrasonication specifică utilizarea frecvențelor ultrasonice (de obicei peste 20 kHz), concentrându-se pe aplicații care necesită unde sonore de înaltă energie pentru prelucrarea probelor. Cu toate acestea, majoritatea oamenilor se referă de fapt la ultrasonicators, atunci când folosesc cuvântul sonicator.

Vom fi bucuroși să discutăm despre procesul dvs.

Let's get in contact.