Ultrasonik Bath vs Probe-Tipi Sonication: Bir Verimlilik Karşılaştırması

Sonication işlemleri bir prob tipi ultrasonik homojenizatör veya ultrasonik banyo kullanılarak gerçekleştirilebilir. Her iki teknik de numuneye ultrason uygulamasına rağmen, etkinlik, verimlilik ve süreç yeteneklerinde önemli farklılıklar vardır. Prob tipi ultrasonicators ultrason yoğunluğu, genlik, tekdüze işleme ve tekrarlanabilirlik söz konusu olduğunda ultrasonik banyo büyük ölçüde excel.

Sıvıların ultrasonikasyon istenen etkileri – dahil olmak üzere homojenizasyon, dispersiyon, Dağılmanın, değirmencilik, emülsifikasyon, ekstraksiyon, lizis, parçalanma ve sonochemical etkileri - den kaynaklanan kavitasyon. Yüksek enerjili ultrasonun sıvı bir ortama sokulmasıyla, ses dalgaları akışkan içinde iletilir ve frekansa bağlı olarak oranlar ile alternatif yüksek basınçlı (kompresyon) ve düşük basınçlı (azınlık) döngüleri oluşturur. Düşük basınçlı döngü sırasında, yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar sıvı içinde küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşturur. Baloncuklar artık enerjiyi ememeyeceği bir hacme eriştiğinde, yüksek basınçlı bir döngü sırasında şiddetli bir şekilde çökerler. Bu olguya kavitasyon denir. Patlama sırasında çok yüksek sıcaklıklar (yaklaşık 5.000K) ve basınçlar (yaklaşık 2.000atm) yerel olarak ulaşılır. Kavitasyon kabarcığının patlaması da 280m / s hıza kadar sıvı jetleri ile sonuçlanır. [Suslick 1998]

Moholkar ve diğ. (2000), düşük kavitasyon yoğunluğunun bölgesinde kabarcıklar kararlı / salınım hareketi uygulaması yapıldı yüksek kavitasyon yoğunluğunun bölgesinde kabarcıklar, bir geçici hareketi uygulandı bulundu. Yerel sıcaklık ve basınç maxima yol açmaktadır kabarcıkları geçici çöküşü kimyasal sistemlerde ultrason gözlenen etkileri kökünde olduğunu.
ultrasonikasyon yoğunluğu enerji girişi ve sonotrot yüzey alanının bir fonksiyonudur. Belirli bir enerji girişi için geçerlidir: daha büyük bir sonotrot yüzey alanı, ultrason düşük yoğunluğu.
Ultrason dalgalarının ultrason sistemlerinin farklı türleri tarafından üretilebilir. Aşağıda, bir ultrasonik banyo kullanılarak sonikasyon arasındaki farklar, akış hücresi bölmesi ile açık bir kap ve ultrasonik sonda cihazı ultrasonik prob cihazı karşılaştırılacaktır.

kavitasyonel sıcak nokta dağılımının karşılaştırılması

Ultrasonik uygulamalar için ultrasonik problar (sonotrodes / boynuzlar) ve ultrasonik banyolar kullanılır. “Ultrasonication bu iki yöntem arasında, prob sonication nanopartiküller dispersiyon uygulamasında ultrasonik banyodan daha etkili ve güçlüdür; ultrasonik banyo cihazı yaklaşık 20-40 W / L ile zayıf bir ultrasonication ve ultrasonik prob cihazı sıvı içine 20.000 W / L sağlayabilir iken çok düzgün olmayan bir dağılım sağlayabilir. Bu nedenle, ultrasonik bir prob cihazının ultrasonik banyo cihazını 1000 faktörüyle üstün olduğu anlamına gelir.” (cf. Asadi vd., 2019)

ultrasonik banyo

ultrasonik banyoda olarak, kavitasyon olarak uygunsuz ve kontrolsüz tankın üzerinden dağıtılan oluşur. Sonication etkisidir düşük yoğunluklu ve dengesiz YAYILMIŞ. sürecin tekrarlanabilirlik ve ölçeklenebilirlik çok kötü.
Aşağıdaki resimde bir ultrasonik tankında bir folyo test sonuçlarını gösterir. Bu nedenle, ince bir alüminyum ya da kalay folyo su dolu bir ultrasonik tankın altına yerleştirilir. Sonikasyondan sonra, tek erozyon izleri görülür. folyo olanlar, tek delikli noktalar ve delikler kavitasyonel sıcak noktalar göstermektedir. dolayı düşük enerji ve dengesiz tankın içindeki ultrason dağılımı, erozyon izleri tek nokta-bilge meydana gelir. Bundan dolayı, ultrasonik banyoları çok temizleme uygulamaları için kullanılır.

Aşağıdaki rakamlar ultrasonik banyoda kavitasyonal sıcak noktalar eşitsiz dağılımını göstermektedir. Şekil. 2, 20 bir alt kısmı olan bir banyo×10 cm kullanılmıştır.

Şekil. 3'te gösterilen ölçümler için, 12x10cm bir alt alan ile bir ultrasonik banyo kullanılmıştır.

Her iki ölçümler ultrasonik tanklarda ultrasonik ışınlama alanının dağılımı çok dengesiz olduğunu ortaya koymaktadır.
banyoda çeşitli konumlarda ultrasonik ışınlamanın çalışma ultrasonik banyoda kavitasyon yoğunluğunda önemli bir uzamsal farklılıklar gösterir.

Şek. 4, aşağıdaki ultrasonik bir banyo etkinliğini ve azo boyası Metil Violet renksizleşme ile örneklenen bir ultrasonik sonda cihazı karşılaştırır.

Dhanalakshmi ve diğ. yaptıkları çalışmada bulduğu Prob-tipi ultrasonik cihazlar var yüksek lokalize bu nedenle de tank-tipi ve, Şekil l'de gösterildiği gibi daha büyük bir lokalize etki ile karşılaştırıldığında yoğunluğu. 4. Bu sonikasyon işleminin daha yüksek bir yoğunluk ve verimliliği anlamına gelir.
genlik, basınç, sıcaklık, viskozite, konsantrasyon, reaktör hacmi - resim 4'te gösterildiği gibi, bir ultrasonik kurulum tam en önemli parametreleri üzerinde kontrol sağlar.

Açık bir behere Ultrasonik Probe Cihazı

Numuneler bir ultrasonik sonda cihazı kullanılarak sonike edildiğinde, yoğun sonikasyon bölgesi sonotrot / probu altında yer almaktadır. Ultrasonik ışınlama mesafesi sonotrode ucundan belirli bir bölgesiyle sınırlandırılmasıyla karakterize edilmektedir. (Res.1 bakınız)
açık kap içinde ultrasonik işlemleri çoğunlukla fizibilite testleri için ve daha küçük hacimlerin numune hazırlanması için kullanılmaktadır.

Sürekli akış modunda ultrasonik prob cihazı

En gelişmiş sonikasyon sonuçlar, kapalı bir akış modunda kesintisiz olarak işlenmesi ile elde edilir. Ultrasonik reaktör bölmesi içinde akış yolu ve kalma süresi kontrol olarak tüm malzeme, aynı ultrason yoğunluğu ile işlenir.

Pic. 4: 1 kW ultrasonik sistemi UIP1000hd akış hücresi ve pompalı

Belirli bir parametre konfigürasyonu için ultrasonik sıvı işleme süreci sonucu işlenmiş hacim başına enerji bir fonksiyonudur. fonksiyon bireysel parametrelerindeki değişiklikler ile değiştirir. Bundan başka, bir ultrasonik biriminin sonotrodun yüzey alanı başına gerçek güç çıkışı ve yoğunluğu parametrelere bağlıdır.

ultrasonik işlem kavitasyonel etki yüzeyi amplitüd (A) açıklanmakta olan yoğunluğu, basınç (p) reaktör hacmi (VR), sıcaklık (T), viskozite (η) ve diğerleri bağlıdır. artı ve eksi işaretleri sonikasyon yoğunluğuna spesifik parametre, pozitif veya negatif bir etki gösterir.

sonikasyon işleminin en önemli parametre kontrol ederek işlemi tamamen tekrar edilebilir ve elde edilen sonuçlar tamamen lineer ölçeklendirilebilir. sonotrot ve ultrasonik akış hücresi reaktör farklı tipte özel işlem şartlarına adaptasyon için izin verir.

özet

bir iken ultrasonik banyo sağlayan bir zayıf Yaklaşık ile sonikasyon. 20-40 B / l ve çok düzgün olmayan dağıtımı, ultrasonik prob tipi cihazlar kolaylıkla çift Yak can. 20.000 W / işlenmiş ortam içine L. Bu, bir ultrasonik sonda tipi cihaz nedeniyle 1000 faktör (hacim başına 1000x daha yüksek bir enerji girişi) ile bir ultrasonik banyo üstünlük anlamına gelir odaklı ve üniforma ultrasonik güç girişi. En önemli sonication üzerinde tam kontrol sağlar parametreleri Komple yeniden sonuçları ve doğrusal ölçeklenebilirlik işlem ile sonuçlanmaktadır.