Sond-typ sonikatorer vs. ultraljudsbad
För uppgifter som emulgering, dispersion, extraktion eller minskning av partikelstorlek, sond-typ sonikatorer genererar enhetliga skjuvkrafter och högintensiv kavitation. Detta direkta tillvägagångssätt hanterar tuffa applikationer och skalas enkelt från små laboratorietester till fullständiga produktionskörningar. Under tiden kan ultraljudsbad räcka för mild rengöring eller lågintensiva behandlingar, men de kämpar ofta med mer krävande jobb som kräver exakt kontroll över amplitud och temperatur. När du behöver tillförlitlighet, flexibilitet och robust prestanda, erbjuder Hielscher sond-typ sonikatorer en klar fördel jämfört med grundläggande ultraljudsbad.
Sond-typ sonikator vs ultraljudsbad – Utforska varför sond-typ sonikatorer utmärker sig i effektivitet och tillförlitlighet
Ultraljudsbehandling av kavitation intensitet
Sond-typ sonikatorer introducerar ultraljud med hög effekt direkt i det flytande mediet, där ljudvågorna skapar omväxlande högtrycks- och lågtryckscykler i vätskan. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor eller tomrum 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 och tryck lokalt. Implosionen av kavitationsbubblan resulterar också i extremt snabba vätskestrålar.
Bakgrund: Ultraljud kavitation
Moholkar (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 transienta 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.
Fig. 1: Skapande av stabila och övergående kavitationsbubblor. a) förskjutning, b) transient kavitation, c) stabil kavitation, d) tryck
[anpassad från Santos et al. 2009]
Jämförelse av kavitationsfördelningen
För ultraljudsapplikationer kan du använda ultraljudssonder (sondsonsonder) eller 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)
Sond-typ sonsonatorer vs ultraljudsbad: Jämförelse av kavitationsfördelning
När det gäller ultraljudstillämpningar spelar både sond-typ sonikatorer och ultraljudsbad viktiga roller. Emellertid, när det gäller nanopartikeldispersion, sond sonikatorer överträffar betydligt ultraljudsbad. Enligt Asadi (2019) genererar ultraljudsbad vanligtvis en svagare ultraljudsbehandling på cirka 20-40 watt per liter med en mycket ojämn fördelning. I skarp kontrast kan ultraljudssondenheter leverera häpnadsväckande 20000 watt per liter i vätskan, vilket visar en effektivitet som överträffar ultraljudsbad med en faktor 1000. Denna markanta skillnad belyser den överlägsna förmågan hos sond-typ sonikatorer 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. För detta placeras en tunn aluminium- eller aluminiumfolie i botten av en vattenfylld ultraljudstank. Efter ultraljudsbehandling är enstaka erosionsmärken synliga. Dessa enkla perforerade fläckar och hål 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.
Bild 1: Sonotrode som överför kraft ultraljud till vätska. Imman under sonotrode-ytan indikerar det kavitationella hot spot-området.
- intensiv
- fokuserad
- Fullt kontrollerbar
- Jämn fördelning
- Reproducerbara
- Linjär uppskalning
- Batch och in-line
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.
Sond-typ sond sond UP200St med sonotrode S26d7D för homogenisering av prover av satstyp
Litteratur/Referenser
- 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.
Vanliga frågor om ultraljudssonder (FAQs)
Vad är en ultraljudssond sonicator?
En ultraljudssond sonikator är en enhet som använder högfrekventa ljudvågor för att störa eller blanda prover. Den består av en sond som, när den sänks ner i en vätska, genererar ultraljudsvibrationer, vilket leder till kavitation och de önskade provbearbetningseffekterna.
Vad är principen för sondbehandling?
Sond ultraljudsbehandling fungerar enligt principen om ultraljud kavitation. När sonden vibrerar i provet skapar den mikroskopiska bubblor som snabbt expanderar och kollapsar. Denna process genererar intensiva skjuvkrafter och värme, vilket stör celler eller blandar komponenter på mikroskopisk nivå.
Är en ultraljudsrengörare detsamma som en ultraljudstvätt?
Nej, de är inte samma sak. En ultraljudsrengörare använder mycket milda ultraljudsvågor i ett bad för att rengöra föremål, främst genom vibrationer och mycket lätt kavitation. En sonikator, särskilt en ultraljudssondsond, är utformad för direkt, intensiv ultraljudsbehandling av prover, med fokus på störning eller homogenisering.
Vad är användningen av en ultraljudssond?
En ultraljudssond används främst för provberedningsuppgifter såsom cellstörning, homogenisering, emulgering och dispersion av partiklar i en mängd olika forsknings- och industriella tillämpningar inom kemi, biologi och materialvetenskap.
Vad är skillnaden mellan sond sonicator och cup-horn?
En sond sond sond sänker direkt ner sonden i provet för intensiv ultraljudsbehandling. En kopparhorn sonikator, å andra sidan, sänker inte ner sonden utan använder en indirekt metod där provet placeras i en behållare i ett vattenbad som överför ultraljudsenergin.
Varför använda en sond sonicator?
En sondsonikator används för sin förmåga att leverera direkt, högintensiv ultraljudsenergi till ett prov, vilket uppnår effektiv störning, homogenisering eller emulgering. Det är särskilt värdefullt för prover som är svåra att bearbeta eller när exakt kontroll över processen krävs.
Vilka är fördelarna med en sond sonikator?
Fördelarna omfattar effektiv och snabb provbearbetning, mångsidighet i applikationer, exakt kontroll över ultraljudsbehandling parametrar, och förmågan att bearbeta ett brett spektrum av provstorlekar och typer, från små volym laboratorieprover till större industriella batcher eller flödeshastigheter.
Hur använder du en ultraljudssond sonicator?
Att använda en ultraljudssond sond innebär att välja lämplig sondstorlek och ultraljudsbehandling parametrar, sänka ner sondens spets i provet och sedan aktivera sonsonikern för önskad tid och effektinställningar för att uppnå effektiv provbearbetning.
Vad är skillnaden mellan ultraljudsbehandling och ultraljud?
Ultraljudsbehandling avser den allmänna användningen av ljudvågor för bearbetning av material, som kan omfatta en rad frekvenser. Ultraljud specificerar användningen av ultraljudsfrekvenser (vanligtvis över 20 kHz), med fokus på applikationer som kräver högenergiljudvågor för provbehandling. Emellertid, de flesta människor faktiskt hänvisar till ultraljudsapparater, när de använder ordet sonikator.