Ultraljudsbehandling processer kan utföras med hjälp av en sond-typ ultraljud homogenisator eller ett ultraljud bad. Även om båda teknikerna tillämpar ultraljud på provet, finns det betydande skillnader i effektivitet, effektivitet och processkapacitet. Ultraljudsbilder av probetyp utmärker ultraljudsbad drastiskt när det gäller ultraljudsintensitet, amplitud, enhetlig bearbetning och reproducerbarhet.

De önskade effekterna från ultraljud av vätskor – Inklusive homogenisering, spridning, Deagglomeration, fräsning, emulgering, Extraktion, Lys, Upplösning och sonochemical effekter – orsakas av kavitation. Genom att införa hög effekt ultraljud i ett flytande medium, ljud vågorna överförs i vätskan och skapa omväxlande högtrycks (kompression) och lågtrycks (förtunning) cykler, med priser beroende på frekvensen. Under lågtrycks cykeln skapar hög intensiva ultraljudsvågor små vakuum bubblor eller håligheter i vätskan. När bubblorna uppnår en volym där de inte längre kan absorbera energi, kollapsar de våldsamt under en högtrycks cykel. Detta fenomen kallas kavitation. Under implosionen mycket höga temperaturer (ca. 5, 000K) och pressar (ca. 2, 000atm) nås lokalt. Implosion av kavitation bubblan resulterar också i flytande jets av upp till 280 m/s hastighet. [Suslick 1998]

Moholkar et al. (2000) fann att bubblorna i regionen av högsta kavitation intensitet genomgick en övergående rörelse, medan bubblorna i regionen lägsta kavitation intensitet genomgick stabil/oscillatorisk rörelse. Den övergående kollaps av bubblor som ger upphov till lokala temperatur och tryck maxima är roten till de observerade effekterna av ultraljud på kemiska system.
Intensiteten av ultraljud är en funktion av energi insatsen och sonotrode ytan. För en given energi ingång gäller: den större ytan av sonotrode, desto lägre intensitet ultraljud.
Ultraljud vågor kan genereras av olika typer av ultraljud system. I följande, skillnaderna mellan ultraljudsbehandling med ett ultraljud bad, ultraljud sond enhet i ett öppet kärl och ultraljud sond enhet med flöde cell kammare kommer att jämföras.

Jämförelse av den cavitational hot spot-distributionen

För ultraljud applikationer, ultraljud sonder (sonotrodes / horn) och ultraljud bad används. “Bland dessa två metoder för ultraljud är sond ultraljudsbehandling effektivare och kraftfull än ultraljud bad i tillämpningen av nanopartiklar dispersion; ultraljud bad enhet kan ge en svag ultraljud med cirka 20-40 W/L och en mycket ojämn fördelning medan ultraljud sond enhet kan ge 20,000 W /L i vätskan. Således betyder det att en ultraljudssondanordning utmärker ultraljudsbadenheten med faktorn 1000.” (jfr Asadi et al., 2019)

Ultraljudsbad

I ett ultraljudsbad, kavitation sker icke-överensstämliga och okontrollerat distribueras genom tanken. Ultraljudsbehandling effekten är låg intensitet och Ojämnt Sprida. Repeterbarheten och skalbarheten i processen är mycket dålig.
Bilden nedan visar resultaten av en folie testning i en ultraljudstank. Därför är en tunn aluminium eller aluminiumfolie placeras på botten av en vattenfylld ultraljudstank. Efter ultraljudsbehandling, enda erosion märken är synliga. Dessa enstaka perforerade fläckar och hål i folien indikerar cavitational hotspots. På grund av den låg energi förbrukning och Ojämn distributionen av ultraljud i tanken, erosion märken förekommer endast Spot-wise. Därför är ultraljudsbad oftast används för rengöring av applikationer.

Siffrorna nedan visar den ojämna fördelningen av cavitational heta fläckar i ett ultraljudsbad. I Fig. 2, ett bad med en botten yta på 20×10 cm har använts.

För mätningarna som visas i Fig. 3 har ett ultraljudsbad med en botten yta på 12x10cm använts.

Båda mätningarna visar att fördelningen av ultraljud bestrålning fältet i ultraljud tankarna är mycket ojämn.
Studiet av ultraljud bestrålning på olika platser i badet visar signifikanta rumsliga variationer i kavitation intensitet i ultraljudsbadet.

Fig. 4 nedan jämför effektiviteten i ett ultraljudsbad och en ultraljudssond enhet exemplifieras av avfärgning av azofärgämnet metyl Violet.

Dhanalakvore et al. fann i sin studie att sond-typ ultraljud enheter har en hög lokaliserad intensitet jämfört med tank typ och därmed större lokaliserad effekt som avbildas i Fig. 4. Detta innebär en högre intensitet och effektivitet av ultraljudsbehandling processen.
Ett ultraljud setup som visas i bild 4, möjliggör full kontroll över de viktigaste parametrarna-amplitud, tryck, temperatur, viskositet, koncentration, reaktor volym.

Ultraljud sond enhet i en öppen bägare

När proverna är sonicated med hjälp av en ultraljudssond enhet, den intensiva ultraljudsbehandling zonen är direkt under sonotrode/sond. Ultraljud bestrålning avståndet är begränsad till ett visst område av sonotrode spets. (se pic. 1)
Ultraljud processer i öppna bägare används främst för genomförbarhets test och för prov beredning av mindre volymer.

Ultraljud sond enhet i kontinuerligt flöde läge

De mest sofistikerade ultraljudsbehandling resultaten uppnås genom en kontinuerlig bearbetning i ett stängt genomflöde läge. Allt material bearbetas av samma ultraljud intensitet som flödet väg och uppehålls tid i ultraljud reaktor kammaren styrs.

Pic. 4:1kW ultraljud system UIP1000hd med flödes cell och pump

Processen resultaten av ultraljud flytande bearbetning för en given parameter konfiguration är en funktion av energin per bearbetad volym. Funktionen ändras med ändringar i enskilda parametrar. Dessutom, den faktiska uteffekten och intensitet per yta av sonotrode av ett ultraljud enhet beror på parametrarna.

Den cavitational effekten av ultraljud bearbetning beror på ytan intensitet som är beskrivna av amplitud (A), tryck (p), reaktorn volym (VR), temperaturen (T), viskositet (η) och andra. Plus-och minus tecknen indikerar en positiv eller negativ inverkan av den specifika parametern på ultraljudsbehandling intensitet.

Genom att kontrol lera den viktigaste parametern av ultraljudsbehandling processen processen är helt repeterbara och de uppnådda resultaten kan skalas helt linjär. Olika typer av sonotrodes och ultraljud flöde cell reaktorer möjliggör anpassning till specifika process krav.

Sammanfattning

Medan en Ultraljudsbad ger en Svag ultraljudsbehandling med ca. 20-40 W/L och en mycket icke-enhetliga Distribution ultraljud sond-typ enheter kan enkelt koppla ihop ca. 20,000 W/L i det bearbetade mediet. Detta innebär att en ultraljudssond-typ enhet utmärker ett ultraljud bad av faktor 1000 (1000X högre energi förbrukning per volym) på grund av en Fokuserade och Enhetlig ultraljud effekt ingång. Full kontroll över de viktigaste ultraljudsbehandling parametrarna säkerställer fullständigt reproducerbara resultat och Linjär skalbarhet av process resultaten.