Procesele de sonicare pot fi efectuate prin utilizarea unui omogenizator cu ultrasunete de tip sondă sau a unei băi cu ultrasunete. Deși, ambele tehnici se aplică ultrasunete la probă, există diferențe semnificative în ceea ce privește eficacitatea, eficiența și capacitățile de proces. Ultrasonicators de tip sondă excelează baie cu ultrasunete drastic atunci când vine vorba de intensitatea ultrasunetelor, amplitudinea, prelucrarea uniformă, și reproductibilitate.

Efectele dorite din ultrasonication lichidelor – inclusiv omogenizarea. dispersant. deaglomerare. frezare. emulsificare. Extracţie. liza. Dezintegrare și efecte sonochimice - sunt cauzate de cavitație. Prin introducerea ultrasunetelor de mare putere într-un mediu lichid, undele sonore sunt transmise în fluid și creează cicluri alternativ de presiune înaltă (compresie) și presiune joasă (rarefaction), cu rate în funcție de frecvență. În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de mare intensitate creează bule mici de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energia, ele se prăbușesc violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen este numit cavitație. În timpul implosirii se ating temperaturi foarte ridicate (circa 5.000 K) și presiuni (aproximativ 2000 mc). Implozia balonului de cavitație are ca rezultat și jeturi lichide de viteză de până la 280 m / s. [Suslick 1998]

Moholkar și colab. (2000), a constatat că bulele din regiunea cea mai mare intensitate cavitație a suferit o mișcare trecătoare, în timp ce bulele din regiunea cea mai mică intensitate cavitație a suferit o mișcare stabilă / oscilatorie. Colapsul tranzitorie a bulelor care dă naștere la temperatură și presiune maxime locale se află la baza efectelor observate ale ultrasunetelor asupra sistemelor chimice.
Intensitatea ultrasonication este o funcție de consumul de energie și suprafața sonotrode. Pentru un anumit aport de energie se aplică: cu cât suprafața sonotrodului, cea mai mică intensitatea de ultrasunete.
Ultrasunetele pot fi generate de diferite tipuri de sisteme cu ultrasunete. În cele ce urmează, diferențele dintre sonicare folosind o baie cu ultrasunete, dispozitiv sondă cu ultrasunete într-un vas deschis și un dispozitiv sondă ultrasonică cu camera de flux de celule vor fi comparate.

Compararea distribuției cavitație hot spot

Pentru aplicații cu ultrasunete, sonde cu ultrasunete (sonotrodes / coarne) și băi cu ultrasunete sunt utilizate. “Printre aceste două metode de ultrasonication, sonicare sondă este mai eficient și mai puternic 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 de sondă cu ultrasunete poate oferi 20,000 W / L în fluid. Astfel, aceasta înseamnă că un dispozitiv de sondă cu ultrasunete excelează dispozitivul de baie cu ultrasunete de factorul de 1000.” (cf. Asadi et al., 2019)

baie cu ultrasunete

Într-o baie cu ultrasunete, cavitație apare non-concordant și incontrolabil distribuite prin rezervor. Efectul este sonicare intensitate scăzută și inegal răspândire. Repetabilitatea și scalabilitate a procesului este foarte slabă.
Imaginea de mai jos arată rezultatele unui test de folie într-un rezervor cu ultrasunete. De aceea, un aluminiu sau staniu folie subțire este plasat în partea inferioară a unui rezervor de apă umplut cu ultrasunete. După sonicare, mărci unice de eroziune sunt vizibile. Aceste pete perforate unice și găuri în folie indică punctele fierbinți de cavitație. Din cauza energie slaba si inegal distribuția ecografiei în rezervor, mărcile de eroziune apar numai la fața locului-înțelept. Prin urmare, bai cu ultrasunete sunt utilizate în principal pentru aplicații de curățare.

Cifrele de mai jos arată distribuția neuniformă a punctelor fierbinți de cavitație într-o baie cu ultrasunete. În fig. 2, o baie cu o suprafață de jos 20×10 cm a fost folosit.

Pentru măsurătorile prezentate în Fig. 3, a fost folosit o baie cu ultrasunete, cu un spațiu inferior de 12x10cm.

Ambele măsurători arată că distribuția câmpului de iradiere cu ultrasunete în rezervoare cu ultrasunete este foarte inegală.
Studiul de iradiere cu ultrasunete la diferite locații din baia prezintă variații semnificative spațiale în intensitatea cavitația în baia cu ultrasunete.

Fig. 4 de mai jos compară eficiența o baie cu ultrasunete și un dispozitiv sondă cu ultrasunete exemplificat prin Decolorarea colorant azoic de metil Violet.

Dhanalakshmi și colab. găsit în studiul lor că Tip sondă ultrasonică dispozitive au un ridicat localizate intensitate în comparație cu tipul de rezervor și, prin urmare, o mai mare efect localizat așa cum este prezentat în Fig. 4. Aceasta înseamnă o intensitate mai mare și eficiența procesului sonicare.
O configurare cu ultrasunete așa cum se arată în figura 4, permite controlul deplin asupra celor mai importanți parametri - amplitudinea, presiunea, temperatura, vâscozitatea, concentrația, volumul reactorului.

Dispozitiv cu ultrasunete Sonda într-un pahar de laborator deschis

Atunci când probele sunt sonicate cu ajutorul unui dispozitiv sondă cu ultrasunete, zona sonicare intensă este direct sub sonotrode / sonda. Distanța de iradiere cu ultrasunete este limitată la o anumită zonă a vârfului sonotrodului. (Vezi pic.1)
ultrasunete în mensure deschise sunt folosite mai ales pentru testarea de fezabilitate și pregătirea probelor de volume mai mici.

Dispozitiv de sondă cu ultrasunete în modul flux continuu

Rezultatele sonicare mai sofisticate sunt realizate printr-un procedeu continuu într-un mod de curgere prin închis. Toate materialele sunt procesate de aceeași intensitate cu ultrasunete ca traseul de curgere și timpul de staționare în camera reactorului cu ultrasunete este controlat.

Pic. 4: sistem ultrasonic 1kW Uip1000hd cu flux de celule și pompa

Rezultatele procesului de lichid de prelucrare cu ultrasunete pentru o configurație dată parametru sunt o funcție de energie per volum procesat. Funcția se schimbă cu alterarea parametrilor individuali. În plus, puterea efectivă și intensitatea per suprafață sonotrodului unei unități cu ultrasunete depinde de parametrii.

Impactul cavitaționale prelucrării cu ultrasunete depinde de intensitatea de suprafață, care este de amplitudine este descris (A), presiunea (p), volumul reactorului (VR), temperatura (T), vâscozitatea (η) și altele. Semnele plus și minus indică o influență pozitivă sau negativă a parametrului specific asupra intensității sonicare.

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

rezumat

În timp ce un baie cu ultrasunete oferă o slab sonicare cu aprox. 20-40 W / L și un foarte fără uniformă distribuție, ultrasonic de tip sondă dispozitive pot cu ușurință aproximativ cuplu. 20.000 W / L în mediul de prelucrat. Acest lucru înseamnă că un dispozitiv de tip sondă ultrasonic excelează o baie cu ultrasunete cu un factor de 1000 (1000x de intrare mai mare de energie pe unitatea de volum) datorită concentrat și uniformă intrare de putere cu ultrasunete. Controlul deplin asupra cel mai important sonicare parametrii asigură complet reproductibilă rezultate și scalabilitate liniară a rezultatelor procesului.