Sond-typ ultraljudsbehandling vs. Ultraljud bad: En effektivitet jämförelse

Ultraljudsbehandling processer kan utföras med hjälp av en sond-typ ultraljud homogenisator eller ett ultraljudsbad. Även om båda teknikerna tillämpar ultraljud på provet, finns det betydande skillnader i effektivitet, effektivitet och processkapacitet.

De önskade effekterna av ultraljudsbehandling av vätskor – inklusive homogenisering, dispergering, deagglomerering, malning, emulgering, extraktion, lysering, sönderdelning, sonokemi - orsakas av akustisk kavitation. Genom att införa ultraljud med hög effekt i ett flytande medium överförs ljudvågorna i vätskan och skapar omväxlande cykler med högt tryck (kompression) och lågt tryck (sällsynthet), med hastigheter beroende på frekvensen. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor eller hålrum i vätskan. När bubblorna når en volym där de inte längre kan absorbera energi, kollapsar de våldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas kavitation. Under implosionen uppnås mycket höga temperaturer (ca 5 000 K) och tryck (ca 2 000 atm) lokalt. Implosionen av kavitationsbubblan resulterar också i vätskestrålar med en hastighet på upp till 280 m/s. [Suslick 1998]

Fig. 1: Skapande av stabila och övergående kavitationsbubblor. a) förskjutning, b) transient kavitation, c) stabil kavitation, d) tryck
[anpassad från Santos et al. 2009]

Moholkar et al. (2000) fann att bubblorna i området med högst kavitationsintensitet genomgick en transient rörelse, medan bubblorna i området med lägsta kavitationsintensitet genomgick en stabil/oscillerande rörelse. Den tillfälliga kollapsen av bubblorna som ger upphov till lokala temperatur- och tryckmaxima är roten till de observerade effekterna av ultraljud på kemiska system.
Intensiteten av ultraljud är en funktion av energitillförseln och sonotrode ytan. För en given energitillförsel gäller: ju större ytan på sonotroden är, desto lägre intensitet av ultraljud.
Ultraljudsvågor kan genereras av olika typer av ultraljudssystem. I det följande kommer skillnaderna mellan ultraljudsbehandling med hjälp av ett ultraljudsbad, ultraljudssondanordning i ett öppet kärl och ultraljudssondanordning med flödescellkammare att jämföras.

Jämförelse av den kavitationella hot spot-fördelningen

För ultraljudsapplikationer används ultraljudssonder (sonotroder / horn) och ultraljudsbad. “Bland dessa två metoder för ultraljud är sondens ultraljudsbehandling mer effektiv och kraftfull än ultraljudsbadet vid tillämpning av nanopartiklar dispersion; ultraljudsbadanordningen kan ge en svag ultraljudsbehandling med cirka 20-40 W/L och en mycket ojämn fördelning medan ultraljudssondanordningen kan ge 20 000 W/L i vätskan. Således betyder det att en ultraljudssondanordning överträffar ultraljudsbadanordningen med faktorn 1000.” (jfr Asadi et al., 2019)

Jämförelse av kavitationell Hot Spot-fördelning

När det gäller ultraljudstillämpningar spelar både ultraljudssonder (sonotroder/horn) och ultraljudsbad centrala roller. Emellertid, när det gäller nanopartikeldispersion, sond ultraljudsbehandling överträffar betydligt ultraljudsbad. Enligt Asadi et al. (2019) genererar ultraljudsbad vanligtvis en svagare ultraljudsbehandling på cirka 20-40 W/L med en mycket ojämn fördelning. I skarp kontrast kan ultraljudssonder leverera häpnadsväckande 20 000 watt per liter till vätskan, vilket visar en effektivitet som överträffar ultraljudsbad med en faktor 1000. Denna markanta skillnad belyser den överlägsna förmågan hos sondultraljudsbehandling för att uppnå effektiv och enhetlig nanopartikeldispersion.

Ultraljud bad

I ett ultraljudsbad sker kavitation oformbart och okontrollerat fördelat genom tanken. Ultraljudsbehandlingen effekten är av låg intensitet och ojämnt fördelad. Repeterbarheten och skalbarheten i processen är mycket dålig.
Bilden nedan visar resultatet av ett folietest i en ultraljudstank. Därför placeras en tunn aluminium- eller aluminiumfolie i botten av en vattenfylld ultraljudstank. Efter ultraljudsbehandling är enstaka erosionsmärken synliga. De enkla perforerade fläckarna och hålen i folien indikerar de kavitationella heta fläckarna. På grund av den låga energin och den ojämna fördelningen av ultraljudet i tanken uppstår erosionsmärkena endast fläckvis. Därför används ultraljudsbad mest för rengöringsapplikationer.
 

I ett ultraljudsbad eller en tank uppträder den heta platsen för akustisk kavitation mycket ojämnt.

 
Figurerna nedan visar den ojämna fördelningen av kavitationella hot spots i ett ultraljudsbad. I fig. 2, ett bad med en bottenyta på 20×10 cm har använts.
 

Fig.2 visar den rumsliga fördelningen av ultraljudsfältet i ultraljudsbadet:
(a) använda 1 L vatten i badet och (b) använda den totala volymen av 2 L vatten i badet.
[Nascentes et al., 2010]

 
För mätningarna som visas i figur 3 har ett ultraljudsbad med ett bottenutrymme på 12x10 cm använts.

Fig. 3 visar den rumsliga fördelningen av ultraljudsfältet i ett ultraljudsbad:
(a) använda 1 L vatten i badet och (b) använda den totala volymen av 1.3 L vatten i badet.
[Nascentes et al., 2001]

 
Båda mätningarna visar att fördelningen av ultraljudsbestrålningsfältet i ultraljudstankarna är mycket ojämn. Studien av ultraljudsbestrålning på olika platser i badet visar signifikanta rumsliga variationer i kavitationsintensiteten i ultraljudsbadet.

Figur 4 nedan jämför effektiviteten hos ett ultraljudsbad och en ultraljudssondanordning, exemplifierad av avfärgningen av azofärgämnet metylviolett.

Fig. 4: Sond-typ sonikatorer distribuera lokaliserad mycket hög energiintensitet i jämförelse med den låga ultraljudsdensiteten hos ultraljudstankar och bad.

Dhanalakshmi et al. fann i sin studie att ultraljudsenheter av sondtyp har en hög lokal intensitet jämfört med tanktyp och därmed större lokal effekt som visas i figur 4. Detta innebär en högre intensitet och effektivitet i ultraljudsbehandlingsprocessen.
En ultraljudsinställning som visas på bild 4 möjliggör full kontroll över de viktigaste parametrarna, såsom amplitud, tryck, temperatur, viskositet, koncentration, reaktorvolym.

Fördelarna med sond-typ sonikatorer

Ultraljudssonder eller sonotroder är utformade för att koncentrera ultraljudsenergi till ett fokuserat område, vanligtvis vid spetsen av sonden. Denna fokuserade energiöverföring möjliggör exakt och effektiv behandling av prover. Eftersom sondens design säkerställer att en betydande del av ultraljudsenergin riktas mot provet, förbättras energiöverföringen avsevärt jämfört med ultraljudsbad. Denna fokuserade överföring av ultraljudseffekt är särskilt fördelaktig för applikationer som kräver exakt kontroll över ultraljudsbehandling parametrar, såsom cellstörning, nanodispersion, nanopartikelsyntes, emulgering och botanisk extraktion.
Därför erbjuder sond-typ sonikatorer distinkta fördelar jämfört med ultraljudsbad när det gäller precision, kontroll, flexibilitet, effektivitet och skalbarhet, vilket gör dem till oumbärliga verktyg för ett brett spektrum av vetenskapliga och industriella tillämpningar.

Sond-typ sonsonikatorer för bearbetning av öppen bägare

När prover sonikeras med hjälp av en ultraljudssondenhet, är den intensiva ultraljudsbehandling zonen direkt under sonotrode / sond. Ultraljudsbestrålningsavståndet är begränsat till ett visst område av sonotrodespetsen. (se bild 1)
Ultraljudsprocesser i öppna bägare används främst för genomförbarhetstestning och för provberedning av mindre volymer.

Sond-typ sonikatorer med Flow Cell för Inline Processing

De mest sofistikerade ultraljudsbehandlingsresultaten uppnås genom en kontinuerlig bearbetning i ett slutet genomströmningsläge. Allt material bearbetas med samma ultraljudsintensitet som flödesvägen och uppehållstiden i ultraljudsreaktorkammaren kontrolleras.

Ultraljudsrecirkulationsset: UIP1000hdT med flödescell, tank och pump

Processresultaten för ultraljudsvätskebearbetning för en given parameterkonfiguration är en funktion av energin per bearbetad volym. Funktionen ändras med ändringar i enskilda parametrar. Dessutom beror den faktiska uteffekten och intensiteten per yta av sonotroden hos en ultraljudsenhet på parametrarna.

Den kavitationella effekten av ultraljudsbearbetning beror på ytintensiteten som beskrivs av amplitud (A), tryck (p), reaktorvolymen (VR), temperaturen (T), viskositeten (η) och andra. Plus- och minustecknen indikerar en positiv eller negativ inverkan av den specifika parametern på ultraljudsbehandlingens intensitet.

Genom att kontrollera den viktigaste parametern i ultraljudsbehandlingsprocessen är processen helt repeterbar och de uppnådda resultaten kan skalas helt linjärt. Olika typer av sonotroder och ultraljudsflödescellsreaktorer möjliggör anpassning till specifika processkrav.

Sammanfattning: Sond-typ Sonicator vs ultraljud bad

Medan ett ultraljudsbad ger en svag ultraljudsbehandling med ca 20 watt per liter, endast och en mycket ojämn fördelning, kan sond-typ sonikatorer enkelt koppla ca. 20000 watt per liter i det bearbetade mediet. Detta innebär att en ultraljudssond typ sond överträffar ett ultraljudsbad med en faktor 1000 (1000x högre energitillförsel per volym) på grund av en fokuserad och enhetlig ultraljudseffektingång. Den fullständiga kontrollen över de viktigaste parametrarna för ultraljudsbehandling säkerställer helt reproducerbara resultat och den linjära skalbarheten av processresultaten.