Sonicatorji tipa sonde v primerjavi z ultrazvočnimi kopelmi

Razumevanje razlik med sondnim zvočnikom in ultrazvočno kopeljo vam pomaga izbrati najučinkovitejšo možnost za vašo uporabo. Hielscherjevi sondni sondi usmerjajo intenzivno ultrazvočno energijo neposredno v vaš vzorec, kar skrajša čas obdelave in zagotavlja dosledne, ponovljive rezultate. V nasprotju s tem ultrazvočne kopeli razpršijo energijo na večjem območju, kar ima za posledico zelo nizko intenzivnost in mejno, neenakomerno kavitacijo. Ta nižja intenzivnost ultrazvočnega razbijanja pogosto vodi do daljšega časa obdelave in slabših rezultatov.

Za naloge, kot so emulgiranje, disperzija, ekstrakcija ali zmanjšanje velikosti delcev, sondni zvočni aparati ustvarjajo enakomerne strižne sile in visoko intenzivno kavitacijo. Ta neposreden pristop se spopada s težkimi aplikacijami in enostavno prilagaja od majhnih laboratorijskih testov do polnih proizvodnih serij. Medtem lahko ultrazvočne kopeli zadostujejo za blago čiščenje ali zdravljenje z nizko intenzivnostjo, vendar se pogosto borijo z zahtevnejšimi delovnimi mesti, ki zahtevajo natančen nadzor nad amplitudo in temperaturo. Ko potrebujete zanesljivost, prilagodljivost in robustno delovanje, Hielscher sondni sondi ponujajo jasno prednost pred osnovnimi ultrazvočnimi kopelmi.

Intenzivnost kavitacije sonikatorja

Sondni ultrazvoki uvajajo ultrazvok visoke moči neposredno v tekoči medij, kjer zvočni valovi ustvarjajo izmenične visokotlačne in nizkotlačne cikle v tekočini. Med nizkotlačnim ciklom ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke ali praznine v tekočini. Ko mehurčki dosežejo prostornino, pri kateri ne morejo več absorbirati energije, se med ciklom visokega tlaka silovito zrušijo. Ta pojav se imenuje kavitacija. Med implozijo se lokalno dosežejo zelo visoke temperature in tlaki. Implozija kavitacijskega mehurčka povzroči tudi izjemno hitre curke tekočine.
 

Ozadje: Ultrazvočna kavitacija

Moholkar (2000) je ugotovil, da so mehurčki v območju največje intenzivnosti kavitacije podvrženi prehodnemu gibanju, medtem ko so mehurčki v območju najnižje intenzivnosti kavitacije podvrženi stabilnemu, nihajnemu gibanju. Prehodni kolaps mehurčkov, ki povzroči lokalno temperaturo in tlak, je vzrok opaženih učinkov ultrazvoka na kemične sisteme.
Intenzivnost ultrazvoka je funkcija vnosa energije in površine sonotrode. Za dano energijo velja: večja kot je površina sonotrode, manjša je intenzivnost ultrazvoka.
Ultrazvočne valove lahko ustvarijo različne vrste ultrazvočnih sistemov. V nadaljevanju bodo primerjane razlike med ultrazvočno kopeljo z ultrazvočno kopeljo, ultrazvočno sondo v odprti posodi in ultrazvočno sondo s komoro pretočnih celic.

Primerjava kavitacijske porazdelitve

Za ultrazvočne aplikacije lahko uporabite ultrazvočne sonde (sonde) ali ultrazvočne kopeli. “Med tema dvema metodama ultrasonication je ultrazvočna razbijanje sonde učinkovitejša in močnejša od ultrazvočne kopeli pri uporabi disperzije nanodelcev; naprava za ultrazvočno kopel lahko zagotovi šibko ultrasonication s približno 20-40 W? L in zelo neenakomerno porazdelitev, medtem ko lahko ultrazvočna sonda zagotovi 20.000 W? L v tekočino. Tako to pomeni, da ultrazvočna sonda presega napravo za ultrazvočno kopel za faktor 1000.” (prim. Asadi et al., 2019)

Sonicatorji tipa sonde v primerjavi z ultrazvočnimi kopelmi: primerjava porazdelitve kavitacije

Na področju ultrazvočnih aplikacij imajo pomembno vlogo tako sondni zvočniki kot ultrazvočne kopeli. Vendar, ko gre za disperzijo nanodelcev, sonde sonicatorji bistveno presegajo ultrazvočne kopeli. Po mnenju Asadija (2019) ultrazvočne kopeli običajno ustvarjajo šibkejšo ultrazvočno razširitev približno 20-40 vatov na liter z zelo neenakomerno porazdelitvijo. V nasprotju s tem lahko ultrazvočne sonde v tekočino dostavijo osupljivih 20000 vatov na liter, kar kaže na učinkovitost, ki presega ultrazvočne kopeli za faktor 1000. Ta izrazita razlika poudarja vrhunsko sposobnost sondnih zvočnikov pri doseganju učinkovite in enakomerne disperzije nanodelcev.

Ultrazvočne kopeli

V ultrazvočni kopeli se kavitacija pojavi neskladno in nenadzorovano porazdeljeno skozi rezervoar. Učinek ultrazvočnega razbijanja je nizke intenzivnosti in neenakomerno porazdeljen. Ponovljivost in razširljivost procesa je zelo slaba.
Spodnja slika prikazuje rezultate testiranja folije v ultrazvočnem rezervoarju. Za to se na dno ultrazvočnega rezervoarja, napolnjenega z vodo, postavi tanka aluminijasta ali kositrna folija. Po ultrazvočnem razbijanju so vidne posamezne erozijske oznake. Te posamezne perforirane lise in luknje v foliji označujejo kavitacijske vroče točke. Zaradi nizke energije in neenakomerne porazdelitve ultrazvoka v rezervoarju se erozijske oznake pojavljajo le točkovno. Zato se ultrazvočne kopeli večinoma uporabljajo za čiščenje.
 

 
Spodnje slike prikazujejo neenakomerno porazdelitev kavitacijskih vročih točk v ultrazvočni kopeli. Na sliki 2 kopel z dnom 20×Uporabljenih je bilo 10 cm.
 

 
Za meritve, prikazane na sliki 3, je bila uporabljena ultrazvočna kopel s spodnjim prostorom 12x10 cm.

 
Obe meritvi razkrivata, da je porazdelitev ultrazvočnega obsevanja v ultrazvočnih rezervoarjih zelo neenakomerna. Študija ultrazvočnega obsevanja na različnih lokacijah v kopeli kaže pomembne prostorske razlike v intenzivnosti kavitacije v ultrazvočni kopeli.

Slika 4 spodaj primerja učinkovitost ultrazvočne kopeli in ultrazvočne sonde, ki jo ponazarja razbarvanje azo-barvila metil vijolične.

Dhanalakshmi et al. so v svoji študiji ugotovili, da imajo ultrazvočne naprave tipa sonde visoko lokalizirano intenzivnost v primerjavi s tipom rezervoarja in s tem večji lokalizirani učinek, kot je prikazano na sliki 4. To pomeni večjo intenzivnost in učinkovitost procesa ultrazvočnega razbijanja.
Ultrazvočna nastavitev, kot je prikazana na sliki 4, omogoča popoln nadzor nad najpomembnejšimi parametri, kot so amplituda, tlak, temperatura, viskoznost, koncentracija, prostornina reaktorja.

Prednosti sondnih zvočnikov

Ultrazvočne sonde ali sonotrode so zasnovane tako, da koncentrirajo ultrazvočno energijo v osredotočeno območje, običajno na konici sonde. Ta usmerjen prenos energije omogoča natančno in učinkovito obdelavo vzorcev. Ker zasnova sonde zagotavlja, da je pomemben del ultrazvočne energije usmerjen proti vzorcu, se prenos energije znatno poveča v primerjavi z ultrazvočnimi kopelmi. Ta osredotočen prenos ultrazvočne moči je še posebej koristen za aplikacije, ki zahtevajo natančen nadzor nad parametri ultrazvočne obdelave, kot so motnje celic, nano-disperzija, sinteza nanodelcev, emulgiranje in botanična ekstrakcija.
Zato sondni zvočni aparati ponujajo izrazite prednosti pred ultrazvočnimi kopelmi v smislu natančnosti, nadzora, prilagodljivosti, učinkovitosti in razširljivosti, zaradi česar so nepogrešljiva orodja za široko paleto znanstvenih in industrijskih aplikacij.

Sondni zvočni zvočni aparati za obdelavo odprtih čaš

Ko se vzorci ultrazvočno razbijejo z ultrazvočno sondo, je območje intenzivne ultrazvočne razbijanje neposredno pod sonotrodo? sondo. Ultrazvočna razdalja obsevanja je omejena na določeno območje konice sonotrode. (glej sliko 1)
Ultrazvočni procesi v odprtih čašah se večinoma uporabljajo za testiranje izvedljivosti in za pripravo vzorcev manjših količin.

Sondni zvočni aparati s pretočno celico za inline obdelavo

Najbolj izpopolnjeni rezultati ultrazvočne obdelave se dosežejo z neprekinjeno obdelavo v zaprtem pretočnem načinu. Ves material se obdeluje z enako ultrazvočno intenzivnostjo, kot je nadzorovana pot pretoka in čas zadrževanja v ultrazvočni reaktorski komori.

Procesni rezultati ultrazvočne obdelave tekočin za dano konfiguracijo parametrov so funkcija energije na obdelano prostornino. Funkcija se spreminja s spremembami posameznih parametrov. Poleg tega je dejanska izhodna moč in intenzivnost na površino sonotrode ultrazvočne enote odvisna od parametrov.

Z nadzorom najpomembnejšega parametra postopka ultrazvočnega razbijanja je postopek popolnoma ponovljiv in dosežene rezultate je mogoče popolnoma linearno skalirati. Različne vrste sonotrod in ultrazvočnih reaktorjev pretočnih celic omogočajo prilagoditev specifičnim zahtevam procesa.

Povzetek: Sonicator tipa sonde proti ultrazvočni kopeli

Medtem ko ultrazvočna kopel zagotavlja šibko ultrazvočno razbijanje s približno 20 vatov na liter in zelo neenakomerno porazdelitev, lahko sondni zvočni aparati zlahka povežejo približno 20000 vatov na liter v predelani medij. To pomeni, da ultrazvočni sondni zvočnik odlikuje ultrazvočno kopel s faktorjem 1000 (1000x večji vnos energije na prostornino) zaradi osredotočenega in enakomernega ultrazvočnega vnosa moči. Popoln nadzor nad najpomembnejšimi parametri ultrazvočne razbijanje zagotavlja popolnoma ponovljive rezultate in linearno razširljivost rezultatov procesa.