Prob Tipi Sonikatörler ve Ultrasonik Banyolar

Prob tipi bir sonikatör ile ultrasonik banyo arasındaki farkları anlamak, uygulamanız için en verimli seçeneği seçmenize yardımcı olur. Hielscher prob tipi sonikatörler, yoğun ultrasonik enerjiyi doğrudan numunenize odaklar, bu da işlem sürelerini azaltır ve tutarlı, tekrarlanabilir sonuçlar sağlar. Buna karşılık, ultrasonik banyolar enerjiyi daha geniş bir alana dağıtır, bu da çok düşük yoğunluklu ve marjinal, düzensiz kavitasyona neden olur. Bu düşük sonikasyon yoğunluğu genellikle daha uzun işlem sürelerine ve daha düşük sonuçlara yol açar.

Emülsifikasyon, dispersiyon, ekstraksiyon veya partikül boyutu küçültme gibi görevler için prob tipi sonikatörler, düzgün kesme kuvvetleri ve yüksek yoğunluklu kavitasyon üretir. Bu doğrudan yaklaşım, zorlu uygulamaların üstesinden gelir ve küçük laboratuvar testlerinden tam üretim çalışmalarına kadar kolayca ölçeklenir. Bu arada, ultrasonik banyolar hafif temizlik veya düşük yoğunluklu tedaviler için yeterli olabilir, ancak sıklıkla genlik ve sıcaklık üzerinde hassas kontrol gerektiren daha zorlu işlerle mücadele ederler. Güvenilirlik, esneklik ve sağlam performansa ihtiyaç duyduğunuzda, Hielscher prob tipi sonikatörler temel ultrasonik banyolar üzerinde net bir kenar sunar.

Sonikatör Kavitasyon Yoğunluğu

Prob tipi sonikatörler, yüksek güçlü ultrasonu doğrudan sıvı ortama sokar, burada ses dalgaları sıvıda alternatif yüksek basınç ve düşük basınç döngüleri oluşturur. Düşük basınç döngüsü sırasında, yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar sıvıda küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşturur. Kabarcıklar artık enerjiyi ememeyecekleri bir hacme ulaştıklarında, yüksek basınç döngüsü sırasında şiddetli bir şekilde çökerler. Bu fenomene kavitasyon denir. Patlama sırasında yerel olarak çok yüksek sıcaklıklara ve basınçlara ulaşılır. Kavitasyon balonunun patlaması aynı zamanda son derece hızlı sıvı jetleri ile sonuçlanır.
 

Arka plan: Ultrasonik Kavitasyon

Moholkar (2000), en yüksek kavitasyon yoğunluğuna sahip bölgedeki kabarcıkların geçici bir harekete maruz kaldığını, en düşük kavitasyon yoğunluğuna sahip bölgedeki kabarcıkların ise kararlı, salınımlı harekete maruz kaldığını buldu. Yerel sıcaklık ve basınç maksimumuna neden olan kabarcıkların geçici çöküşü, ultrasonun kimyasal sistemler üzerinde gözlemlenen etkilerinin kökeninde yer alır.
Ultrasonication yoğunluğu, enerji girişinin ve sonotrot yüzey alanının bir fonksiyonudur. Belirli bir enerji girişi için geçerlidir: sonotrotun yüzey alanı ne kadar büyükse, ultrasonun yoğunluğu o kadar düşük olur.
Ultrason dalgaları, farklı ultrasonik sistem türleri tarafından üretilebilir. Aşağıda, ultrasonik bir banyo kullanılarak yapılan sonikasyon, açık bir kapta ultrasonik prob cihazı ve akış hücresi hazneli ultrasonik prob cihazı arasındaki farklar karşılaştırılacaktır.

Kavitasyon dağılımının karşılaştırılması

Ultrasonik uygulamalar için ultrasonik problar (prob tipi sonikatörler) veya ultrasonik banyolar kullanabilirsiniz. “Bu iki ultrasonikasyon yöntemi arasında, prob sonikasyonu, nanopartikül dağılımının uygulanmasında ultrasonik banyodan daha etkili ve güçlüdür; ultrasonik banyo cihazı yaklaşık 20-40 W / L ve çok düzgün olmayan bir dağılım ile zayıf bir ultrasonikasyon sağlayabilirken, ultrasonik prob cihazı sıvıya 20.000 W / L sağlayabilir. Bu nedenle, bir ultrasonik prob cihazının, ultrasonik banyo cihazını 1000 kat daha üstün olduğu anlamına gelir.” (bkz. asadi ve diğerleri, 2019)

Prob Tipi Sonikatörler ve Ultrasonik Banyolar: Kavitasyon Dağılımının Karşılaştırılması

Ultrasonik uygulamalar alanında, hem prob tipi sikiatörler hem de ultrasonik banyolar önemli roller oynar. Bununla birlikte, nanopartikül dağılımı söz konusu olduğunda, prob sonikatörleri ultrasonik banyolardan önemli ölçüde daha iyi performans gösterir. Asadi'ye (2019) göre, ultrasonik banyolar tipik olarak litre başına yaklaşık 20-40 Watt'lık daha zayıf bir ultrasonikasyon üretir ve oldukça homojen olmayan bir dağılım sağlar. Tam tersine, ultrasonik prob cihazları, sıvıya litre başına şaşırtıcı bir şekilde 20000 Watt verebilir ve ultrasonik banyoları 1000 kat aşan bir etkinlik sergiler. Bu belirgin fark, prob tipi sonikatörlerin verimli ve düzgün nanopartikül dağılımı elde etmedeki üstün kabiliyetini vurgulamaktadır.

Ultrasonik Banyolar

Ultrasonik bir banyoda, kavitasyon uyumsuz ve kontrolsüz bir şekilde tankın içinden dağılmış olarak meydana gelir. Sonikasyon etkisi düşük yoğunluklu ve düzensiz yayılmıştır. Sürecin tekrarlanabilirliği ve ölçeklenebilirliği çok zayıftır.
Aşağıdaki resim, ultrasonik bir tankta yapılan folyo testinin sonuçlarını göstermektedir. Bunun için su dolu bir ultrasonik tankın dibine ince bir alüminyum veya kalay folyo yerleştirilir. Sonikasyondan sonra, tek erozyon işaretleri görülebilir. Folyodaki bu tek delikli noktalar ve delikler kavitasyonel sıcak noktaları gösterir. Düşük enerji ve ultrasonun tank içindeki eşit olmayan dağılımı nedeniyle, erozyon izleri sadece nokta bazında ortaya çıkar. Bu nedenle, ultrasonik banyolar çoğunlukla temizlik uygulamaları için kullanılır.
 

 
Aşağıdaki şekiller, ultrasonik bir banyoda kavitasyonel sıcak noktaların eşit olmayan dağılımını göstermektedir. Res. 2'de, alt alanı 20 olan bir banyo×10 cm kullanılmıştır.
 

 
Şekil 3'te gösterilen ölçümler için, 12x10 cm'lik bir taban boşluğuna sahip bir ultrasonik banyo kullanılmıştır.

 
Her iki ölçüm de ultrasonik ışınlama alanının ultrasonik tanklardaki dağılımının çok düzensiz olduğunu ortaya koymaktadır. Banyonun çeşitli yerlerinde ultrasonik ışınlama çalışması, ultrasonik banyodaki kavitasyon yoğunluğunda önemli mekansal farklılıklar gösterir.

Aşağıdaki Şekil 4, azo-boya Metil Menekşe'nin renksizleştirilmesi ile örneklenen bir ultrasonik banyonun ve bir ultrasonik prob cihazının verimliliğini karşılaştırmaktadır.

Dhanalakshmi ve ark. çalışmalarında, prob tipi ultrasonik cihazların tank tipine kıyasla yüksek bir lokalize yoğunluğa sahip olduğunu ve dolayısıyla şekil 4'te gösterildiği gibi daha fazla lokalize etkiye sahip olduğunu bulmuşlardır. Bu, sonikasyon işleminin daha yüksek bir yoğunluğu ve verimliliği anlamına gelir.
Resim 4'te gösterildiği gibi bir ultrasonik kurulum, genlik, basınç, sıcaklık, viskozite, konsantrasyon, reaktör hacmi gibi en önemli parametreler üzerinde tam kontrol sağlar.

Prob tipi sonikatörlerin avantajları

Ultrasonik problar veya sonotrodlar, ultrasonik enerjiyi tipik olarak probun ucunda odaklanmış bir alana yoğunlaştırmak için tasarlanmıştır. Bu odaklanmış enerji iletimi, numunelerin hassas ve verimli bir şekilde işlenmesine olanak tanır. Prob tasarımı, ultrasonik enerjinin önemli bir kısmının numuneye doğru yönlendirilmesini sağladığından, enerji transferi ultrasonik banyolara kıyasla önemli ölçüde artar. Ultrason gücünün bu odaklanmış iletimi, hücre bozulması, nano dispersiyon, nanopartikül sentezi, emülsifikasyon ve botanik ekstraksiyon gibi sonikasyon parametreleri üzerinde hassas kontrol gerektiren uygulamalar için özellikle avantajlıdır.
Bu nedenle, prob tipi sonikatörler, hassasiyet, kontrol, esneklik, verimlilik ve ölçeklenebilirlik açısından ultrasonik banyolara göre belirgin avantajlar sunar ve bu da onları çok çeşitli bilimsel ve endüstriyel uygulamalar için vazgeçilmez araçlar haline getirir.

Açık Beher İşleme için Prob Tipi Sonikatörler

Numuneler ultrasonik bir prob cihazı kullanılarak sonikleştirildiğinde, yoğun sonikasyon bölgesi doğrudan sonotrot / probun altındadır. Ultrasonik ışınlama mesafesi, sonotrot ucunun belirli bir alanı ile sınırlıdır. (bkz. resim 1)
Açık beherlerdeki ultrasonik işlemler çoğunlukla fizibilite testi ve daha küçük hacimlerde numune hazırlama için kullanılır.

Satır İçi İşleme için Akış Hücreli Prob Tipi Sonikatörler

En sofistike sonikasyon sonuçları, kapalı bir akış modunda sürekli bir işleme ile elde edilir. Tüm malzeme, akış yolu ile aynı ultrason yoğunluğu ile işlenir ve ultrasonik reaktör odasında kalma süresi kontrol edilir.

Belirli bir parametre konfigürasyonu için ultrasonik sıvı işlemenin işlem sonuçları, işlenen hacim başına enerjinin bir fonksiyonudur. Fonksiyon, bireysel parametrelerdeki değişikliklerle değişir. Ayrıca, bir ultrasonik ünitenin sonotrotunun yüzey alanı başına gerçek güç çıkışı ve yoğunluğu parametrelere bağlıdır.

Sonikasyon işleminin en önemli parametresini kontrol ederek, işlem tamamen tekrarlanabilir ve elde edilen sonuçlar tamamen doğrusal olarak ölçeklendirilebilir. Farklı tipteki sonotrodlar ve ultrasonik akış hücresi reaktörleri, belirli proses gereksinimlerine adaptasyona izin verir.

Özet: Prob Tipi Sonikatör vs Ultrasonik Banyo

Ultrasonik bir banyo, litre başına yaklaşık 20 Watt ile zayıf bir sonikasyon sağlarken, sadece ve çok düzgün olmayan bir dağılım sağlarken, prob tipi sonikatörler, işlenmiş ortama litre başına yaklaşık 20000 Watt'ı kolayca birleştirebilir. Bu, ultrasonik prob tipi bir sonikatörün, odaklanmış ve düzgün bir ultrasonik güç girişi nedeniyle 1000 faktörü (hacim başına 1000 kat daha yüksek enerji girişi) ile ultrasonik bir banyoyu üstün kıldığı anlamına gelir. En önemli sonikasyon parametreleri üzerinde tam kontrol, tamamen tekrarlanabilir sonuçlar ve işlem sonuçlarının doğrusal ölçeklenebilirliğini sağlar.