Ультразвукова система зондового типу та ультразвукова ванна: порівняння ефективності
Процеси ультразвуку можуть проводитися за допомогою використання ультразвукового гомогенізатора зондового типу або ультразвукової ванни. Незважаючи на те, що обидві методики застосовують ультразвук до зразка, існують значні відмінності в ефективності, результативності та можливостях процесу.
Бажані ефекти ультразвукових рідин – У тому числі гомогенізація, диспергування, деагломерація, подрібнення, емульгування, екстракція, лізис, дезінтеграція, сонохімія – викликаються акустичною кавітацією. Завдяки введенню ультразвуку високої потужності в рідке середовище звукові хвилі передаються в рідині і створюють чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження) зі швидкістю в залежності від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності створюють невеликі вакуумні бульбашки або порожнечі в рідині. Коли бульбашки досягають об'єму, при якому вони більше не можуть поглинати енергію, вони сильно руйнуються під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією. Під час імплозії локально досягаються дуже високі температури (приблизно 5 000 К) і тиск (приблизно 2 000 атм). Імплозія кавітаційного міхура також призводить до утворення струменів рідини зі швидкістю до 280 м/с. [Suslick 1998]
Сонікатор зондового типу проти ультразвукової ванни – Дізнайтеся, чому ультразвукові апарати зондового типу вирізняються ефективністю та надійністю
Рисунок 1: Створення стабільних і перехідних кавітаційних бульбашок. а) зміщення, б) перехідна кавітація, в) стабільна кавітація, г) тиск
[адаптовано з Santos et al. 2009]
Moholkar et al. (2000) виявили, що бульбашки в області найвищої інтенсивності кавітації зазнали перехідного руху, тоді як бульбашки в області найнижчої інтенсивності кавітації зазнали стабільного/коливального руху. Тимчасове руйнування бульбашок, що призводить до місцевих максимумів температури і тиску, лежить в основі спостережуваного впливу ультразвуку на хімічні системи.
Інтенсивність ультразвуку залежить від вхідної енергії та площі поверхні сонотроду. Для заданої енергії застосовується вхід: чим більше площа поверхні сонотрода, тим менше інтенсивність ультразвуку.
Ультразвукові хвилі можуть генеруватися різними типами ультразвукових систем. Далі будуть порівняні відмінності між ультразвуковою ванною з використанням ультразвукової ванни, ультразвукового зондового пристрою у відкритій посудині та ультразвукового зондового пристрою з камерою проточної камери.
Порівняння розподілу кавітаційної гарячої точки
Для ультразвукових додатків використовуються ультразвукові зонди (сонотроди / ріжки) і ультразвукові ванни. “Серед цих двох методів ультразвуку зондова ультразвукова система є більш ефективною і потужною, ніж ультразвукова ванна, в застосуванні дисперсії наночастинок; ультразвуковий пристрій для ванни може забезпечити слабкий ультразвук з приблизно 20-40 Вт/л і дуже нерівномірним розподілом, тоді як ультразвуковий зондовий пристрій може забезпечити 20 000 Вт/л у рідину. Таким чином, це означає, що прилад для ультразвукової ванни перевершує ультразвуковий пристрій для ванни в 1000 разів.” (пор. Асаді та ін., 2019)
Порівняння розподілу кавітаційних гарячих точок
У сфері ультразвукових застосувань ключову роль відіграють як ультразвукові зонди (сонотроди/ріжки), так і ультразвукові ванни. Однак, коли справа доходить до дисперсії наночастинок, зондове ультразвукове дослідження значно перевершує ультразвукові ванни. За даними Asadi et al. (2019), ультразвукові ванни зазвичай генерують слабкіший ультразвук близько 20-40 Вт/л з дуже нерівномірним розподілом. На противагу цьому, ультразвукові зонди можуть подавати в рідину дивовижні 20 000 Вт на літр, демонструючи ефективність, яка перевершує ультразвукові ванни в 1000 разів. Ця помітна відмінність підкреслює чудову здатність зондового ультразвуку в досягненні ефективної та рівномірної дисперсії наночастинок.
Ультразвукові ванни
В ультразвуковій ванні кавітація відбувається неконформно і безконтрольно розподіляється по резервуару. Ефект ультразвуку має низьку інтенсивність і нерівномірно розподілений. Повторюваність і масштабованість процесу дуже погана.
На малюнку нижче показані результати тестування фольги в ультразвуковому резервуарі. Тому на дно наповненого водою ультразвукового резервуара кладуть тонку алюмінієву або олов'яну фольгу. Після ультразвукового дослідження видно поодинокі сліди ерозії. Ці поодинокі перфоровані плями та отвори у фользі вказують на кавітаційні гарячі точки. У зв'язку з низькою енергією і нерівномірним розподілом ультразвуку всередині резервуара, сліди ерозії виникають тільки точково. Отже, ультразвукові ванни в основному використовуються для чищення.
В ультразвуковій ванні або резервуарі гаряча точка акустичної кавітації виникає дуже нерівномірно.
Наведені нижче цифри показують нерівномірний розподіл кавітаційних гарячих точок в ультразвуковій ванні. На рис.2 ванна з площею дна 20×Було використано 10 см.
На рис.2 показаний просторовий розподіл ультразвукового поля в ультразвуковій ванні:
(a) використання 1 л води у ванні та (b) використання загального об'єму 2 л води у ванні.
[Nascentes та ін., 2010]
Для вимірювань, показаних на малюнку 3, використовувалася ультразвукова ванна з нижнім простором 12х10см.
3 показаний просторовий розподіл ультразвукового поля в ультразвуковій ванні:
(a) використання 1 л води у ванні та (b) використання загального об'єму 1,3 л води у ванні.
[Nascentes та ін., 2001]
Обидва вимірювання показують, що розподіл поля ультразвукового опромінення в ультразвукових резервуарах дуже нерівномірний. Дослідження ультразвукового опромінення в різних місцях ванни показує значні просторові варіації інтенсивності кавітації в ультразвуковій ванні.
На малюнку 4 нижче порівнюється ефективність ультразвукової ванни та пристрою для ультразвукового зонда, прикладом чого є знебарвлення азобарвника метилового фіолетового.
Рисунок 4: Ультразвукові апарати зондового типу розгортають локалізовану дуже високу енергетичну інтенсивність у порівнянні з низькою ультразвуковою щільністю ультразвукових резервуарів і ванн.
У своєму дослідженні Dhanalakshmi et al. виявили, що ультразвукові пристрої зондового типу мають високу локалізовану інтенсивність порівняно з резервуарним типом і, отже, більший локалізований ефект, як показано на малюнку 4. Це означає більш високу інтенсивність і ефективність процесу ультразвуку.
Ультразвукова установка, як показано на малюнку 4, дозволяє здійснювати повний контроль над найважливішими параметрами, такими як амплітуда, тиск, температура, в'язкість, концентрація, об'єм реактора.
Зондовий магнітор UP200St з сонотродом S26d7D для гомогенізації зразків методом періодичного типу
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Рисунок 1: Сонотроде, що передає потужність ультразвуку в рідину. Запотівання під поверхнею сонотроду вказує на зону кавітаційної гарячої точки.
- інтенсивний
- Зосереджена
- Повністю керований
- Рівномірний розподіл
- Відтворювані
- Лінійне масштабування
- Пакетні та рядні
Переваги ультразвукових апаратів зондового типу
Ультразвукові зонди або сонотроди призначені для концентрації ультразвукової енергії в сфокусованій області, як правило, на кінчику зонда. Ця цілеспрямована передача енергії дозволяє проводити точну та ефективну обробку зразків. Оскільки конструкція зонда гарантує, що значна частина ультразвукової енергії спрямована на зразок, передача енергії значно посилюється в порівнянні з ультразвуковими ваннами. Ця цілеспрямована передача ультразвукової потужності особливо вигідна для застосувань, що вимагають точного контролю параметрів ультразвуку, таких як руйнування клітин, нанодисперсія, синтез наночастинок, емульгування та ботанічна екстракція.
Таким чином, ультразвукові апарати зондового типу мають явні переваги перед ультразвуковими ваннами з точки зору точності, контролю, гнучкості, ефективності та масштабованості, що робить їх незамінними інструментами для широкого спектру наукових і промислових застосувань.
Зондові ультразвукові апарати для обробки відкритої мензурки
Коли зразки проходять ультразвукове дослідження за допомогою ультразвукового зондового пристрою, зона інтенсивного ультразвуку знаходиться безпосередньо під сонотродом/зондом. Відстань ультразвукового опромінення обмежена певною ділянкою наконечника сонотроде. (див. рис.1)
Ультразвукові процеси у відкритих мензурках в основному використовуються для техніко-економічного обґрунтування і для пробопідготовки невеликих обсягів.
Сонікатори зондового типу з проточною коміркою для вбудованої обробки
Найбільш витончені результати ультразвукового апарату досягаються при безперервній обробці в замкнутому проточному режимі. Весь матеріал обробляється за допомогою тієї ж інтенсивності ультразвуку, що і контролюється шлях потоку і час перебування в камері ультразвукового реактора.
Комплект ультразвукової рециркуляції: UIP1000hdT з проточною камерою, баком і насосом
Результати процесу ультразвукової обробки рідини для заданої конфігурації параметрів є функцією енергії на оброблюваний об'єм. Функція змінюється зі зміною окремих параметрів. Крім того, фактична вихідна потужність та інтенсивність на площу поверхні сонотрода ультразвукової установки залежить від параметрів.
Кавітаційний вплив ультразвукової обробки залежить від інтенсивності поверхні, яка описується амплітудою (А), тиском (р), об'ємом реактора (ВР), температурою (Т), в'язкістю (η) та іншими. Знаки плюс і мінус вказують на позитивний або негативний вплив конкретного параметра на інтенсивність ультразвуку.
Контролюючи найважливіший параметр процесу ультразвуку, процес повністю повторюється, а досягнуті результати можна масштабувати повністю лінійно. Різні типи сонотродів і ультразвукових реакторів з проточними елементами дозволяють адаптуватися до конкретних вимог процесу.
Резюме: Сонікатор зондового типу проти ультразвукової ванни
У той час як ультразвукова ванна забезпечує слабке ультразвукове випромінювання з приблизно 20 Вт на літр і дуже нерівномірним розподілом, зондові ультразвуки можуть легко поєднувати приблизно 20000 Вт на літр з оброблюваним середовищем. Це означає, що ультразвуковий зондовий апарат перевершує ультразвукову ванну в 1000 разів (у 1000 разів більше споживання енергії на об'єм) завдяки сфокусованій та рівномірній ультразвуковій вхідній потужності. Повний контроль над найважливішими параметрами ультразвуку забезпечує повністю відтворювані результати та лінійну масштабованість результатів процесу.
Література/Список літератури
- 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.
Часті питання про ультразвукові зонди (FAQ)
Що таке ультразвуковий зондовий ультразвуковий датчик?
Ультразвуковий зондовий сонікатор – це пристрій, який використовує високочастотні звукові хвилі для зриву або змішування зразків. Він складається з зонда, який при зануренні в рідину генерує ультразвукові коливання, що призводять до кавітації і бажаних ефектів обробки зразків.
Який принцип роботи зондового УЗД?
Зондова ультразвукова діагностика працює за принципом ультразвукової кавітації. Коли зонд вібрує в зразку, він створює мікроскопічні бульбашки, які швидко розширюються і руйнуються. Цей процес генерує інтенсивні сили зсуву та тепло, руйнуючи клітини або змішуючи компоненти на мікроскопічному рівні.
Ультразвукова мийка – це те саме, що ультразвуковий апарат?
Ні, це не одне й те саме. Ультразвуковий мийник використовує дуже м'які ультразвукові хвилі у ванні для очищення предметів, в основному за допомогою вібрації та дуже слабкої кавітації. Ультразвуковий апарат, зокрема ультразвуковий зондовий сонник, призначений для прямої, інтенсивної ультразвукової обробки зразків, орієнтуючись на порушення або гомогенізацію.
У чому користь ультразвукового зонда?
Ультразвуковий зонд в основному використовується для завдань з підготовки зразків, таких як руйнування клітин, гомогенізація, емульгування та диспергування частинок у різноманітних наукових і промислових застосуваннях у хімії, біології та матеріалознавстві.
У чому різниця між зондовим сонікатором і чашковим ріжком?
Зондовий ультразвуковий апарат безпосередньо занурює зонд у зразок для інтенсивного ультразвукового дослідження. З іншого боку, ультразвуковий апарат з чашковим рогом не занурює зонд, а використовує непрямий метод, коли зразок поміщається в ємність на водяній бані, яка передає ультразвукову енергію.
Навіщо використовувати зондовий ультразвуковий апарат?
Зондовий звуковий апарат використовується через його здатність доставляти пряму ультразвукову енергію високої інтенсивності до зразка, досягаючи ефективного руйнування, гомогенізації або емульгування. Це особливо цінно для зразків, які важко піддаються обробці, або коли потрібен точний контроль над процесом.
У чому переваги зондового ультразвукорежисера?
Переваги включають ефективну та швидку обробку зразків, універсальність у застосуванні, точний контроль параметрів ультразвукового випромінювання та можливість обробки широкого діапазону розмірів і типів зразків, від невеликих обсягів лабораторних зразків до більших промислових партій або швидкостей потоку.
Як користуватися ультразвуковим зондовим ультразвуковим апаратом?
Використання ультразвукового зондового сонікатора передбачає вибір відповідного розміру зонда та параметрів ультразвуку, занурення кінчика зонда в зразок, а потім активацію ультразвукового апарату на бажаний час і налаштування потужності для досягнення ефективної обробки зразка.
У чому різниця між ультразвуковим дослідженням і ультразвуком?
Під звуковим звуком мається на увазі загальне використання звукових хвиль для обробки матеріалів, яке може включати діапазон частот. Ультразвук визначає використання ультразвукових частот (зазвичай вище 20 кГц), зосереджуючись на додатках, які потребують високоенергетичних звукових хвиль для обробки зразків. Однак більшість людей насправді мають на увазі ультразвукові апарати, коли використовують слово ультразвуковий апарат.