Соникатори типа сонде у односу на ултразвучне купке
За задатке као што су емулзификација, дисперзија, екстракција или смањење величине честица, соникатори типа сонде стварају уједначене силе смицања и кавитацију високог интензитета. Овај директан приступ решава тешке примене и лако се проширује од малих лабораторијских тестова до пуне производње. У међувремену, ултразвучне купке могу бити довољне за благо чишћење или третмане ниског интензитета, али се често боре са захтевнијим пословима који захтевају прецизну контролу над амплитудом и температуром. Када су вам потребна поузданост, флексибилност и робусне перформансе, соникатори типа Хиелсцхер сонде нуде јасну предност у односу на основне ултразвучне купке.
Соникатор типа сонде против ултразвучне купке – Истражите зашто соникатори типа сонде истичу ефикасност и поузданост
Интензитет кавитације соникатора
Соникатори типа сонде уводе ултразвук велике снаге директно у течни медијум, где звучни таласи стварају наизменичне циклусе високог и ниског притиска у течности. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће или празнине у течности. Када мехурићи достигну запремину при којој више не могу да апсорбују енергију, они се насилно срушавају током циклуса високог притиска. Овај феномен се назива кавитација. Током имплозије локално се постижу веома високе температуре и притисци. Имплозија кавитационог мехура такође резултира изузетно брзим млазовима течности.
Позадина: ултразвучна кавитација
Мохолкар (2000) је утврдио да су мехурићи у области највећег интензитета кавитације подвргнути пролазном кретању, док су мехурићи у области најнижег интензитета кавитације претрпели стабилно, осцилаторно кретање. Пролазни колапс мехурића који доводи до локалних максимума температуре и притиска је у корену уочених ефеката ултразвука на хемијске системе.
Интензитет ултразвучне обраде је функција уноса енергије и површине сонотроде. За дати унос енергије важи: што је већа површина сонотроде, то је нижи интензитет ултразвука.
Ултразвучни таласи се могу генерисати помоћу различитих типова ултразвучних система. У наставку ће се упоредити разлике између ултразвучне обраде помоћу ултразвучне купке, уређаја ултразвучне сонде у отвореном суду и уређаја ултразвучне сонде са комором за проточне ћелије.
Слика 1: Стварање стабилних и пролазних кавитационих мехурића. (а) померање, (б) пролазна кавитација, (ц) стабилна кавитација, (д) притисак
Поређење дистрибуције кавитације
За ултразвучне апликације, можете користити ултразвучне сонде (соникатори типа сонде) или ултразвучне купке. “Међу ове две методе ултразвучне обраде, соникација сондом је ефикаснија и моћнија од ултразвучне купке у примени дисперзије наночестица; ултразвучни уређај за купање може да обезбеди слабу ултразвучну обраду са приближно 20-40 В/Л и веома неуједначену дистрибуцију док уређај ултразвучне сонде може да обезбеди 20.000 В/Л у течности. Дакле, то значи да уређај ултразвучне сонде надмашује уређај за ултразвучно купатило за фактор од 1000.” (уп. Асади ет ал., 2019)
Соникатори типа сонде против ултразвучних купатила: Поређење дистрибуције кавитације
У области ултразвучних апликација, и соникатори типа сонде и ултразвучне купке играју важну улогу. Међутим, када је у питању дисперзија наночестица, соникатори сонде значајно надмашују ултразвучне купке. Према Асадију (2019), ултразвучне купке обично стварају слабију ултразвук од око 20-40 вати по литру са веома неуједначеном дистрибуцијом. У потпуној супротности, уређаји са ултразвучном сондом могу да испоруче запањујућих 20000 вати по литру у течност, показујући ефикасност која превазилази ултразвучне купке за фактор од 1000. Ова изражена разлика наглашава супериорну способност соникатора типа сонде у постизању ефикасне и уједначене дисперзије наночестица.
Ултразвучне купке
У ултразвучном купатилу, кавитација се јавља неусаглашено и неконтролисано се дистрибуира кроз резервоар. Ефекат соникације је ниског интензитета и неравномерно распрострањен. Поновљивост и скалабилност процеса је веома лоша.
Слика испод приказује резултате испитивања фолије у ултразвучном резервоару. За ово се танка алуминијумска или лимена фолија поставља на дно ултразвучног резервоара напуњеног водом. Након соникације, видљиви су појединачни трагови ерозије. Те појединачне перфориране тачке и рупе у фолији указују на кавитационе вруће тачке. Због ниске енергије и неравномерне дистрибуције ултразвука унутар резервоара, трагови ерозије се јављају само на тачкама. Стога се ултразвучне купке углавном користе за апликације чишћења.
У ултразвучном купатилу или резервоару, жариште акустичне кавитације се јавља веома неравномерно.
Слике испод показују неравномерну расподелу кавитационих врућих тачака у ултразвучном купатилу. На слици 2, купатило са површином дна од 20×Искоришћено је 10 цм.
Слика 2 приказује просторну расподелу ултразвучног поља у ултразвучном купатилу:
За мерења приказана на слици 3, коришћена је ултразвучна купка са дном од 12к10цм.
Слика 3 приказује просторну расподелу ултразвучног поља у ултразвучном купатилу:
Оба мерења откривају да је расподела поља ултразвучног зрачења у ултразвучним резервоарима веома неуједначена. Проучавање ултразвучног зрачења на различитим локацијама у кади показује значајне просторне варијације у интензитету кавитације у ултразвучном купатилу.
Слика 4 у наставку упоређује ефикасност ултразвучне купке и уређаја ултразвучне сонде, што је пример деколоризације азо-боје Метил Виолет.
Слика 4: Соникатори типа сонде користе локализовани веома висок енергетски интензитет у поређењу са ниском густином ултразвука ултразвучних резервоара и купатила.
Дханалаксхми ет ал. открили су у својој студији да ултразвучни уређаји типа сонде имају висок локализовани интензитет у поређењу са типом резервоара, а самим тим и већи локализовани ефекат као што је приказано на слици 4. То значи већи интензитет и ефикасност процеса соникације.
Ултразвучно подешавање као што је приказано на слици 4, омогућава потпуну контролу над најважнијим параметрима, као што су амплитуда, притисак, температура, вискозитет, концентрација, запремина реактора.
Слика 1: Сонотрода преноси моћ ултразвука у течност. Замагљивање испод површине сонотроде указује на подручје кавитационе вруће тачке.
- интензиван
- фокусиран
- потпуно контролисан
- равномерна дистрибуција
- репродуцибилан
- Линеар Сцале-уп
- Батцх и ин-лине
Предности соникатора типа сонде
Ултразвучне сонде или сонотроде су дизајниране да концентришу ултразвучну енергију у фокусирану област, обично на врху сонде. Овај фокусирани пренос енергије омогућава прецизан и ефикасан третман узорака. Како дизајн сонде обезбеђује да значајан део ултразвучне енергије буде усмерен ка узорку, пренос енергије је значајно побољшан у поређењу са ултразвучним купатилима. Овај фокусирани пренос ултразвучне снаге је посебно повољан за апликације које захтевају прецизну контролу над параметрима ултразвучне обраде, као што су поремећај ћелија, нано-дисперзија, синтеза наночестица, емулзификација и ботаничка екстракција.
Стога, соникатори типа сонде нуде јасне предности у односу на ултразвучне купке у смислу прецизности, контроле, флексибилности, ефикасности и скалабилности, што их чини незаменљивим алатима за широк спектар научних и индустријских примена.
Соникатори типа сонде за обраду отворених чаша
Када се узорци обрађују ултразвучном сондом, зона интензивне соникације је директно испод сонотроде/сонде. Удаљеност ултразвучног зрачења ограничена је на одређену област врха сонотроде. (види слику 1)
Ултразвучни процеси у отвореним чашама се углавном користе за испитивање изводљивости и за припрему узорака мањих запремина.
Соникатори типа сонде са ћелијом протока за инлине обраду
Најсофистициранији резултати соникације се постижу континуираном обрадом у затвореном проточном режиму. Сав материјал се обрађује истим ултразвучним интензитетом као што се контролише пут протока и време боравка у комори ултразвучног реактора.
Ултразвучни сет за рециркулацију: УИП1000хдТ са проточном ћелијом, резервоаром и пумпом
Резултати процеса ултразвучне обраде течности за дату конфигурацију параметара су функција енергије по обрађеној запремини. Функција се мења са изменама појединачних параметара. Штавише, стварна излазна снага и интензитет по површини сонотроде ултразвучне јединице зависе од параметара.
Кавитациони утицај ултразвучне обраде зависи од површинског интензитета који се описује амплитудом (А), притиском (п), запремином реактора (ВР), температуром (Т), вискозитетом (η) и др. Знаци плус и минус указују на позитиван или негативан утицај специфичног параметра на интензитет соникације.
Контролом најважнијег параметра процеса соникације процес је у потпуности поновљив и постигнути резултати се могу потпуно линеарно скалирати. Различити типови сонотрода и реактора ултразвучних проточних ћелија омогућавају прилагођавање специфичним захтевима процеса.
Резиме: Соникатор типа сонде против ултразвучне купке
Док ултразвучна купка пружа слабу соникацију са прибл. 20 вати по литру, само и веома неуједначена дистрибуција, соникатори типа сонде могу лако да споје прибл. 20000 вати по литру у обрађени медијум. То значи да ултразвучни соникатор типа сонде надмашује ултразвучну купку за фактор од 1000 (1000к већи унос енергије по запремини) због фокусираног и уједначеног улаза ултразвучне снаге. Потпуна контрола над најважнијим параметрима соникације осигурава потпуно поновљиве резултате и линеарну скалабилност резултата процеса.
Соникатор типа сонде УП200Ст са сонотродом С26д7Д за хомогенизацију узорака типа серије
Литература/Референце
- 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.
Често постављана питања о ултразвучним сондама (ФАК)
Шта је ултразвучни соникатор сонде?
Ултразвучни соникатор сонде је уређај који користи високофреквентне звучне таласе за ометање или мешање узорака. Састоји се од сонде која, када је уроњена у течност, генерише ултразвучне вибрације, што доводи до кавитације и жељених ефеката обраде узорка.
Који је принцип соникације сондом?
Соникација сондом ради на принципу ултразвучне кавитације. Када сонда вибрира у узорку, ствара микроскопске мехуриће који се брзо шире и колабирају. Овај процес генерише интензивне силе смицања и топлоту, ометајући ћелије или мешање компоненти на микроскопском нивоу.
Да ли је ултразвучни чистач исто што и соникатор?
Не, нису исти. Ултразвучни чистач користи веома благе ултразвучне таласе у кади за чишћење предмета, углавном кроз вибрације и врло малу кавитацију. Соникатор, посебно ултразвучни соникатор сонде, дизајниран је за директну, интензивну ултразвучну обраду узорака, фокусирајући се на поремећај или хомогенизацију.
Која је употреба ултразвучне сонде?
Ултразвучна сонда се првенствено користи за задатке припреме узорака као што су разбијање ћелија, хомогенизација, емулзификација и дисперзија честица у различитим истраживачким и индустријским применама у хемији, биологији и науци о материјалима.
Која је разлика између соникатора сонде и пехара?
Соникатор сонде директно урања сонду у узорак за интензивну соникацију. С друге стране, соникатор са роговима не урања сонду, већ користи индиректну методу где се узорак ставља у посуду у воденом купатилу које преноси ултразвучну енергију.
Зашто користити соникатор сонде?
Соникатор сонде се користи због своје способности да испоручи директну ултразвучну енергију високог интензитета узорку, постижући ефикасно ометање, хомогенизацију или емулзификацију. Посебно је драгоцен за узорке који се тешко обрађују или када је потребна прецизна контрола процеса.
Које су предности соникатора?
Предности обухватају ефикасну и брзу обраду узорака, разноврсност у апликацијама, прецизну контролу параметара соникације и могућност обраде широког спектра величина и типова узорака, од лабораторијских узорака мале запремине до већих индустријских серија или протока.
Како се користи ултразвучни соникатор сонде?
Коришћење ултразвучног соникатора укључује одабир одговарајуће величине сонде и параметара соникације, урањање врха сонде у узорак, а затим активирање соникатора за жељено време и подешавања снаге како би се постигла ефикасна обрада узорка.
Која је разлика између ултразвучне и ултразвучне обраде?
Соникација се односи на општу употребу звучних таласа за обраду материјала, што може укључивати низ фреквенција. Ултрасоницатион специфицира употребу ултразвучних фреквенција (обично изнад 20 кХз), фокусирајући се на апликације које захтевају високоенергетске звучне таласе за обраду узорка. Међутим, већина људи се заправо односи на ултрасоникаторе, када користе реч соникатор.