Sonicatoare de tip sondă vs. băi cu ultrasunete

Înțelegerea diferențelor dintre un sonicator de tip sondă și o baie cu ultrasunete vă ajută să alegeți cea mai eficientă opțiune pentru aplicația dvs. Sonicatoarele de tip sondă Hielscher concentrează energia ultrasonică intensă direct în probă, ceea ce reduce timpii de procesare și asigură rezultate consistente și reproductibile. În schimb, băile cu ultrasunete dispersează energia pe o suprafață mai mare, rezultând o intensitate foarte scăzută și o cavitație marginală, inegală. Această intensitate mai mică de sonicare duce adesea la timpi de procesare mai lungi și rezultate inferioare.

Pentru sarcini precum emulsionarea, dispersia, extracția sau reducerea dimensiunii particulelor, sonicatoarele de tip sondă generează forțe de forfecare uniforme și cavitație de mare intensitate. Această abordare directă abordează aplicațiile dificile și se extinde cu ușurință, de la teste mici de laborator până la cicluri complete de producție. Între timp, băile cu ultrasunete pot fi suficiente pentru curățare ușoară sau tratamente de intensitate scăzută, dar se luptă frecvent cu lucrări mai solicitante care necesită un control precis asupra amplitudinii și temperaturii. Când aveți nevoie de fiabilitate, flexibilitate și performanță robustă, sonicatoarele de tip sondă Hielscher oferă un avantaj clar față de băile cu ultrasunete de bază.

Intensitatea cavitației sonicatorului

Sonicatoarele de tip sondă introduc ultrasunete de mare putere direct în mediul lichid, unde undele sonore creează cicluri alternative de înaltă presiune și joasă presiune în lichid. În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de mare intensitate creează mici bule de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, se prăbușesc violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen se numește cavitație. În timpul imploziei se ating temperaturi și presiuni foarte ridicate la nivel local. Implozia bulei de cavitație are ca rezultat, de asemenea, jeturi de lichid extrem de rapide.
 

Context: Cavitație cu ultrasunete

Moholkar (2000) a descoperit că bulele din regiunea cu cea mai mare intensitate a cavitației au suferit o mișcare tranzitorie, în timp ce bulele din regiunea cu cea mai mică intensitate a cavitației au suferit o mișcare stabilă, oscilatorie. Prăbușirea tranzitorie a bulelor care dă naștere temperaturii și presiunii maxime locale 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.

Comparația distribuției cavitației

Pentru aplicații cu ultrasunete, puteți utiliza sonde cu ultrasunete (sonicatoare de tip sondă) sau 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)

Sonicatoare de tip sondă vs băi cu ultrasunete: comparație a distribuției cavitației

În domeniul aplicațiilor cu ultrasunete, atât sonicatoarele de tip sondă, cât și băile cu ultrasunete joacă roluri importante. Cu toate acestea, când vine vorba de dispersia nanoparticulelor, sonicatoarele cu sonde depășesc semnificativ băile cu ultrasunete. Potrivit lui Asadi (2019), băile cu ultrasunete generează de obicei o ultrasunete mai slabă de aproximativ 20-40 wați pe litru, cu o distribuție extrem de neuniformă. În contrast puternic, dispozitivele cu sonde cu ultrasunete pot furniza 20000 de wați pe litru în lichid, prezentând o eficacitate care depășește băile cu ultrasunete cu un factor de 1000. Această diferență marcantă evidențiază capacitatea superioară a sonicatoarelor de tip sondă de a obține o dispersie eficientă și uniformă a nanoparticulelor.

Băi cu ultrasunete

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 arată rezultatele unei teste de folie într-un rezervor cu ultrasunete. Pentru aceasta, o folie subțire de aluminiu sau tablă este plasată pe fundul unui rezervor cu ultrasunete umplut cu apă. După sonicare, sunt vizibile urme de eroziune. Aceste pete perforate și găuri în folie indică punctele fierbinți cavitaționale. Datorită energiei scăzute și distribuției inegale a ultrasunetelor în rezervor, urmele de eroziune apar doar în puncte. Prin urmare, băile cu ultrasunete sunt utilizate mai ales pentru aplicații de curățare.
 

 
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.
 

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

 
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.

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.

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.

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.

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.