Процессы обработки ультразвуком могут осуществляться с помощью ультразвукового гомогенизатора зондового типа или ультразвуковой ванны. Хотя оба метода применяют ультразвук к образцу, существуют значительные различия в эффективности, результативности и возможностях процесса. Ультразвуковые аппараты зондового типа значительно превосходят ультразвуковую ванну, когда речь идет об интенсивности ультразвука, амплитуде, равномерной обработке и воспроизводимости.

Желаемые эффекты от ультразвука жидкости – в том числе гомогенизация, Диспергирование, Дезагломерация, фрезерование, эмульгирование, экстракция, лизис, дезинтеграция а также сонохимические эффекты - вызваны кавитация, Путем введения ультразвука высокой мощности в жидкую среду звуковые волны передаются в жидкости и создают чередующиеся циклы высокого давления (сжатия) и низкого давления (разрежения) со скоростями в зависимости от частоты. Во время цикла низкого давления высокоинтенсивные ультразвуковые волны создают небольшие вакуумные пузырьки или пустоты в жидкости. Когда пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они сильно разваливаются во время цикла высокого давления. Это явление называют кавитацией. Во время имплозии очень высокие температуры (около 5000 К) и давления (около 2000 атм) достигаются локально. Имплозия кавитационного пузырька также приводит к жидкостным струям со скоростью до 280 м / с. [Суслик, 1998]

Moholkar et al. (2000) обнаружили, что пузырьки в области наибольшей интенсивности кавитации претерпевают переходное движение, а пузырьки в области наименьшей интенсивности кавитации претерпевают устойчивое колебательное движение. Переходный коллапс пузырьков, вызывающий локальные максимумы температуры и давления, лежит в основе наблюдаемых эффектов ультразвука на химические системы.
Интенсивность ультразвука зависит от величины энергии и площади поверхности сонотрода. Для данной подачи энергии применяется: чем больше площадь поверхности сонотрода, тем ниже интенсивность ультразвука.
Ультразвуковые волны могут генерироваться различными типами ультразвуковых систем. В дальнейшем будут сравниваться различия между ультразвуком с использованием ультразвуковой ванны, ультразвуковым зондирующим устройством в открытом сосуде и ультразвуковым зондовым устройством с камерой проточного элемента.

Сравнение распределения кавитационных горячих пятен

Для ультразвуковых применений используются ультразвуковые зонды (сонотроды/рожки) и ультразвуковые ванны. “Среди этих двух методов ультразвуковой обработки зондовая обработка ультразвуком более эффективна и мощна, чем ультразвуковая ванна при применении дисперсии наночастиц; ультразвуковое устройство ванны может обеспечить слабую ультразвуковую обработку с приблизительно 20-40 Вт / л и очень неравномерное распределение, в то время как ультразвуковое зондовое устройство может обеспечить 20 000 Вт / л в жидкость. Таким образом, это означает, что ультразвуковое зондовое устройство превосходит ультразвуковое устройство ванны в 1000 раз.” (см. Асади и др., 2019)

Ультразвуковая ванна

В ультразвуковой ванне кавитация происходит несогласованно и неконтролируемо распределяется через резервуар. Эффект ультразвука низкой интенсивности а также неровно распространение. Повторяемость и масштабируемость процесса очень бедны.
На приведенном ниже рисунке показаны результаты тестирования фольги в ультразвуковом резервуаре. Поэтому тонкую алюминиевую или оловянную фольгу помещают на дно заполненного водой ультразвукового резервуара. После обработки ультразвуком видны отдельные метки эрозии. Эти одиночные перфорированные пятна и отверстия в фольге указывают на кавитационные горячие точки. Из-за мало энергии и неровный распределение ультразвука внутри резервуара, метки эрозии происходят только по пятнам. Следовательно, ультразвуковые ванны в основном используются для очистки.

На приведенных ниже рисунках показано неравномерное распределение кавитационных горячих точек в ультразвуковой ванне. На фиг.2 ванна с нижней зоной 20×10 см.

Для измерений, показанных на фиг.3, использовалась ультразвуковая ванна с донным пространством 12 × 10 см.

Оба измерения показывают, что распределение поля ультразвукового облучения в ультразвуковых резервуарах очень неравномерно.
Изучение ультразвукового облучения в различных местах в ванне показывает значительные пространственные изменения интенсивности кавитации в ультразвуковой ванне.

На фиг.4 ниже сравнивается эффективность ультразвуковой ванны и ультразвукового зондового устройства, примером которого является обесцвечивание азокрасителя Methyl Violet.

Dhanalakshmi et al. нашли в своем исследовании, что ультразвуковой ультразвуковой устройства имеют высокий локализованный интенсивность по сравнению с танковым типом и, следовательно, больший локализованный эффект, как показано на рисунке 4. Это означает более высокую интенсивность и эффективность процесса обработки ультразвуком.
Ультразвуковая установка, показанная на рисунке 4, позволяет полностью контролировать наиболее важные параметры - амплитуду, давление, температуру, вязкость, концентрацию, объем реактора.

Ультразвуковое зондирующее устройство в открытом стакане

Когда образцы обрабатываются ультразвуком с помощью ультразвукового зондового устройства, интенсивная зона обработки ультразвуком находится непосредственно под сонотродом / зондом. Расстояние ультразвукового облучения ограничено определенной областью наконечника сонотрода. (см. рис.1)
Ультразвуковые процессы в открытых стаканах в основном используются для технико-экономического обоснования и для подготовки образцов меньших объемов.

Ультразвуковое зондирующее устройство в режиме непрерывного потока

Самые сложные результаты обработки ультразвуком достигаются за счет непрерывной обработки в закрытом режиме сквозного потока. Весь материал обрабатывается той же интенсивностью ультразвука, что и путь потока и время пребывания в камере ультразвукового реактора.

Рис. 4: 1 кВт ультразвуковая система Uip1000hd с проточной ячейкой и насосом

Результаты процесса обработки ультразвуковой жидкости для заданной конфигурации параметров являются функцией энергии на обработанный объем. Функция изменяется с изменением отдельных параметров. Кроме того, фактическая мощность и интенсивность на площадь поверхности сонотрода ультразвукового блока зависят от параметров.

Кавитационный удар ультразвуковой обработки зависит от интенсивности поверхности, которая описывается амплитудой (А), давлением (р), объемом реактора (ВР), температурой (Т), вязкостью (η) и другими. Знаки «плюс» и «минус» указывают на положительное или отрицательное влияние конкретного параметра на интенсивность ультразвука.

Контролируя наиболее важный параметр процесса обработки ультразвуком, процесс полностью повторяется, и достигнутые результаты могут быть масштабированы полностью линейными. Различные типы сонотродов и ультразвуковые реакторы с проточной ячейкой позволяют адаптироваться к конкретным требованиям к процессу.

Резюме

В то время как Ультразвуковая ванна обеспечивает слабый ультразвук с ок. 20-40 Вт / л и очень неоднородный распределение, ультразвуковой зонд устройства могут легко соединяться прибл. 20.000 Вт / л в обрабатываемую среду. Это означает, что ультразвуковое зондирующее устройство превосходит ультразвуковую ванну в 1000 раз (1000x более высокий расход энергии на объем) из-за сосредоточены а также единообразный ультразвуковая мощность. Полный контроль над самыми важными параметрами обработки ультразвуком обеспечивает полностью воспроизводимый результатов и линейная масштабируемость результатов процесса.