Ультразвуковая канцелярия с помощью зонда и ультразвуковая ванна: сравнение эффективности
Процессы ультразвуковой обработки могут осуществляться с помощью ультразвукового гомогенизатора зондового типа или ультразвуковой ванны. Несмотря на то, что оба метода применяют ультразвук к образцу, существуют значительные различия в эффективности, результативности и технологических возможностях.
Желаемые эффекты от обработки жидкостями ультразвуком – В том числе гомогенизация, диспергирование, деагломерация, измельчение, эмульгирование, экстракция, лизис, дезактивация, сонохимия – обусловлены акустической кавитацией. При введении в жидкую среду ультразвука высокой мощности звуковые волны передаются в жидкости и создают чередующиеся циклы высокого давления (сжатие) и низкого давления (разрежение), скорость которых зависит от частоты. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности создают небольшие вакуумные пузырьки или пустоты в жидкости. Когда пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они сильно схлопываются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией. Во время имплозии локально достигаются очень высокие температуры (около 5 000 К) и давления (около 2 000 атм). Схлопывание кавитационного пузыря также приводит к образованию струй жидкости со скоростью до 280 м/с. [Суслик 1998]
Ультразвуковой аппарат зондового типа против ультразвуковой ванны – Узнайте, почему ультразвуковые ультразвуковые датчики превосходны по эффективности и надежности
Рис.1: Создание стабильных и переходных кавитационных пузырьков. (a) смещение, (b) переходная кавитация, (c) стабильная кавитация, (d) давление
[адаптировано из Santos et al. 2009]
Moholkar et al. (2000) обнаружили, что пузырьки в области самой высокой интенсивности кавитации претерпевали переходное движение, в то время как пузырьки в области самой низкой интенсивности кавитации претерпевали стабильное/колебательное движение. Временное схлопывание пузырьков, которое приводит к возникновению локальных максимумов температуры и давления, лежит в основе наблюдаемого воздействия ультразвука на химические системы.
Интенсивность ультразвука является функцией входной энергии и площади поверхности сонотрода. Для данного ввода энергии применяется: чем больше площадь поверхности сонотрода, тем ниже интенсивность ультразвука.
Ультразвуковые волны могут генерироваться различными типами ультразвуковых систем. Далее будут сравнены различия между ультразвуковой обработкой с использованием ультразвуковой ванны, ультразвуковым зондом в открытом сосуде и ультразвуковым зондом с камерой проточной ячейки.
Сравнение распределения кавитационных горячих точек
Для ультразвукового применения используются ультразвуковые зонды (сонотроды/рупоры) и ультразвуковые ванны. “Среди этих двух методов ультразвуковой обработки ультразвуковая обработка зондом является более эффективной и мощной, чем ультразвуковая ванна, при нанесении диспергирования наночастиц; ультразвуковое устройство для ванны может обеспечить слабое ультразвуковое излучение с примерно 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 ультразвуковой зонд превосходит ультразвуковой аппарат в 1000 раз.” (ср. Asadi et al., 2019)
Сравнение распределения кавитационных горячих точек
В области ультразвукового применения как ультразвуковые датчики (сонотроды/рупоры), так и ультразвуковые ванны играют ключевую роль. Однако, когда дело доходит до диспергирования наночастиц, ультразвуковая обработка зондов значительно превосходит ультразвуковые ванны. По данным Asadi et al. (2019), ультразвуковые ванны обычно генерируют более слабое ультразвуковое излучение около 20-40 Вт/л с крайне неравномерным распределением. В отличие от этого, ультразвуковые зондовые устройства могут подавать в жидкость поразительные 20 000 Вт на литр, демонстрируя эффективность, которая превосходит ультразвуковые ванны в 1000 раз. Это заметное различие подчеркивает превосходные возможности зондовой ультразвука в достижении эффективного и равномерного диспергирования наночастиц.
Ультразвуковые ванны
В ультразвуковой ванне кавитация происходит неподатливая и бесконтрольно распределяющаяся по резервуару. Эффект ультразвука имеет низкую интенсивность и распространяется неравномерно. Повторяемость и масштабируемость процесса очень низкие.
На рисунке ниже представлены результаты испытания фольги в ультразвуковом баке. Поэтому на дно наполненного водой ультразвукового бака кладут тонкую алюминиевую или оловянную фольгу. После ультразвуковой обработки видны единичные следы эрозии. Эти одиночные перфорированные пятна и отверстия в фольге указывают на кавитационные горячие точки. Из-за низкой энергии и неравномерного распределения ультразвука внутри резервуара следы эрозии возникают только точечно. Следовательно, ультразвуковые ванны в основном используются для очистки.
В ультразвуковой ванне или резервуаре горячая точка акустической кавитации происходит очень неравномерно.
На рисунках ниже показано неравномерное распределение кавитационных горячих точек в ультразвуковой ванне. На рис.2 ванна с площадью дна 20×Использовано 10 см.
На рис.2 показано пространственное распределение ультразвукового поля в ультразвуковой ванне:
(a) использование 1 л воды в ванне и (b) использование общего объема 2 л воды в ванне.
[Nascentes et al., 2010]
Для измерений, показанных на рисунке 3, использовалась ультразвуковая ванна с пространством дна 12х10 см.
На рисунке 3 показано пространственное распределение ультразвукового поля в ультразвуковой ванне:
(a) использование 1 л воды в ванне и (b) использование общего объема 1,3 л воды в ванне.
[Nascentes et al., 2001]
Оба измерения показывают, что распределение поля ультразвукового облучения в ультразвуковых резервуарах очень неравномерно. Исследование ультразвукового облучения в различных местах в ванне показывает значительные пространственные вариации интенсивности кавитации в ультразвуковой ванне.
На рисунке 4 ниже сравнивается эффективность ультразвуковой ванны и ультразвукового зондового устройства, примером которой является обесцвечивание азокрасителя Methyl Violet.
Рисунок 4: Ультразвуковые аппараты зондового типа развивают локализованную очень высокую энергоемкость по сравнению с низкой плотностью ультразвука ультразвуковых резервуаров и ванн.
В своем исследовании Dhanalakshmi et al. обнаружили, что ультразвуковые устройства зондового типа имеют высокую локализованную интенсивность по сравнению с аппаратными и, следовательно, больший локализованный эффект, как показано на рисунке 4. Это означает более высокую интенсивность и эффективность процесса ультразвуковой обработки.
Ультразвуковая установка, как показано на рисунке 4, позволяет полностью контролировать наиболее важные параметры, такие как амплитуда, давление, температура, вязкость, концентрация, объем реактора.
Ультразвуковая аппарат зондового типа UP200St с сонотродом S26d7D для гомогенизации образцов периодического действия
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
Фото 1: Сонотрод передает мощность ультразвука в жидкость. Запотевание под поверхностью сонотрода указывает на область кавитационной горячей точки.
- сильный
- сфокусированный
- полностью управляемый
- равномерное распределение
- воспроизводимый
- Линейное масштабирование вверх
- Периодические и поточные
Преимущества ультразвуковых аппаратов зондового типа
Ультразвуковые зонды или сонотроды предназначены для концентрации ультразвуковой энергии в сфокусированной области, обычно на кончике зонда. Такая сфокусированная передача энергии обеспечивает точную и эффективную обработку образцов. Поскольку конструкция зонда гарантирует, что значительная часть ультразвуковой энергии направляется на образец, передача энергии значительно увеличивается по сравнению с ультразвуковыми ваннами. Такая сфокусированная передача ультразвуковой мощности особенно выгодна для задач, требующих точного контроля параметров ультразвука, таких как разрушение клеток, нанодисперсия, синтез наночастиц, эмульгирование и растительная экстракция.
Таким образом, ультразвуковые аппараты зондового типа имеют явные преимущества перед ультразвуковыми ваннами с точки зрения точности, контроля, гибкости, эффективности и масштабируемости, что делает их незаменимыми инструментами для широкого спектра научных и промышленных применений.
Ультразвуковые аппараты зондового типа для обработки стаканов с открытым шпаклом
Когда образцы обрабатываются ультразвуком с помощью ультразвукового зонда, зона интенсивной ультразвука находится непосредственно под сонотродом/зондом. Расстояние ультразвукового облучения ограничено определенной площадью наконечника сонотрода. (см. рис.1)
Ультразвуковые процессы в открытых стаканах в основном используются для проверки осуществимости и пробоподготовки небольших объемов.
Ультразвуковые аппараты зондового типа с проточной ячейкой для поточной обработки
Наиболее сложные результаты ультразвуковой обработки достигаются при непрерывной обработке в замкнутом проточном режиме. Весь материал обрабатывается с той же интенсивностью ультразвука, с которой контролируется траектория потока и время пребывания в ультразвуковой камере реактора.
Комплект ультразвуковой рециркуляции: UIP1000hdT с проточной ячейкой, баком и насосом
Результаты процесса ультразвуковой обработки жидкости при заданной конфигурации параметров являются функцией энергии на обрабатываемый объем. Функция изменяется при изменении отдельных параметров. Кроме того, от параметров зависит фактическая выходная мощность и интенсивность на площадь поверхности сонотрода ультразвукового устройства.
Кавитационное воздействие ультразвуковой обработки зависит от интенсивности поверхности, которая описывается амплитудой (А), давлением (р), объемом реактора (VR), температурой (Т), вязкостью (η) и другими. Плюсовые и минусовые знаки указывают на положительное или отрицательное влияние конкретного параметра на интенсивность ультразвука.
Контролируя наиболее важный параметр процесса ультразвуковой обработки, процесс становится полностью повторяемым, а достигнутые результаты могут быть масштабированы полностью линейно. Различные типы сонотродов и ультразвуковых реакторов с проточной ячейкой позволяют адаптировать их к конкретным технологическим требованиям.
Резюме: Ультразвуковая канцелярия в сравнении с ультразвуковой ванной
В то время как ультразвуковая ванна обеспечивает слабую ультразвук всего около 20 Вт на литр и очень неравномерное распределение, ультразвуковые аппараты зондового типа могут легко соединить около 20000 Вт на литр в обрабатываемую среду. Это означает, что ультразвуковой ультразвуковой ультразвуковой ультразвуковой аппарат ультразвукового типа превосходит ультразвуковую ванну в 1000 раз (в 1000 раз больше потребляемой энергии на объем) благодаря сфокусированной и равномерной входной ультразвуковой мощности. Полный контроль над наиболее важными параметрами ультразвука обеспечивает полностью воспроизводимые результаты и линейную масштабируемость результатов процесса.
Литература/Литература
- 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.
Часто задаваемые вопросы об ультразвуковых преобразователях (FAQ)
Что такое ультразвуковой ультразвуковой ультразвуковой ультразвуковой ультразвуковой аппарат?
Ультразвуковой зондовый ультразвуковой аппарат — это устройство, которое использует высокочастотные звуковые волны для разрушения или смешивания образцов. Он состоит из зонда, который при погружении в жидкость генерирует ультразвуковые колебания, приводящие к кавитации и желаемым эффектам обработки образца.
По какому принципу работает ультразвуковая обработка зондом?
Зондовая ультразвуковая обработка работает по принципу ультразвуковой кавитации. Когда зонд вибрирует в образце, он создает микроскопические пузырьки, которые быстро расширяются и схлопываются. Этот процесс создает интенсивные силы сдвига и тепло, разрушая ячейки или смешивая компоненты на микроскопическом уровне.
Ультразвуковой очиститель – это то же самое, что ультразвуковой аппарат?
Нет, это не одно и то же. Ультразвуковой очиститель использует очень мягкие ультразвуковые волны в ванне для очистки предметов, в основном за счет вибрации и очень слабой кавитации. Ультразвуковой аппарат, в частности ультразвуковой зондовый ультразвуковой аппарат, предназначен для прямой интенсивной ультразвуковой обработки образцов с акцентом на разрушение или гомогенизацию.
В чем польза ультразвукового датчика?
Ультразвуковой зонд в основном используется для задач пробоподготовки, таких как разрушение клеток, гомогенизация, эмульгирование и диспергирование частиц в различных исследовательских и промышленных приложениях в области химии, биологии и материаловедения.
В чем разница между ультразвуковой аппаратурой и чашечным рожком?
Зондовый ультразвуковой аппарат непосредственно погружает зонд в образец для интенсивной ультразвуковой обработки. Ультразвуковая аппаратура, с другой стороны, не погружает зонд, а использует косвенный метод, при котором образец помещается в контейнер в водяной бане, которая передает ультразвуковую энергию.
Зачем использовать ультразвуковую терапию для зонда?
Ультразвуковая обработка зонда используется благодаря своей способности подавать прямую ультразвуковую энергию высокой интенсивности к образцу, достигая эффективного разрушения, гомогенизации или эмульгирования. Это особенно ценно для сложных для обработки образцов или когда требуется точный контроль над процессом.
В чем преимущества ультразвукового датчика?
К преимуществам относятся эффективная и быстрая обработка образцов, универсальность применения, точный контроль параметров ультразвуковой обработки и возможность обработки широкого диапазона размеров и типов образцов, от небольших объемов лабораторных образцов до крупных промышленных партий или скоростей потока.
Как использовать ультразвуковой зондовый ультразвуковой ультразвуковой аппарат?
Использование ультразвукового зондового ультразвукового ультразвукового аппарата включает в себя выбор подходящего размера зонда и параметров ультразвуковой обработки, погружение наконечника зонда в образец, а затем активацию ультразвукового аппарата на желаемое время и параметры мощности для достижения эффективной обработки образца.
В чем разница между ультразвуком и ультразвуком?
Под ультразвуком понимается общее использование звуковых волн для обработки материалов, которое может включать в себя диапазон частот. Ультразвуковая технология предполагает использование ультразвуковых частот (обычно выше 20 кГц), уделяя особое внимание областям, требующим высокоэнергетических звуковых волн для обработки образцов. Тем не менее, большинство людей на самом деле имеют в виду ультразвуковые аппараты, когда используют слово «ультразвуковой аппарат».