Máy siêu âm kiểu đầu dò so với bồn tắm siêu âm
Đối với các nhiệm vụ như nhũ hóa, phân tán, chiết xuất hoặc giảm kích thước hạt, máy siêu âm kiểu đầu dò tạo ra lực cắt đồng đều và xâm thực cường độ cao. Cách tiếp cận trực tiếp này giải quyết các ứng dụng khó khăn và dễ dàng mở rộng quy mô từ các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhỏ đến chạy sản xuất toàn bộ. Trong khi đó, bồn tắm siêu âm có thể đủ để làm sạch nhẹ hoặc điều trị cường độ thấp, nhưng chúng thường phải vật lộn với các công việc đòi hỏi phải kiểm soát chính xác biên độ và nhiệt độ. Khi bạn cần độ tin cậy, tính linh hoạt và hiệu suất mạnh mẽ, máy siêu âm kiểu đầu dò Hielscher cung cấp một lợi thế rõ ràng so với các bể siêu âm cơ bản.
Máy siêu âm kiểu đầu dò so với bồn tắm siêu âm – Khám phá lý do tại sao máy siêu âm kiểu đầu dò vượt trội về hiệu quả và độ tin cậy
Cường độ xâm thực sóng âm thanh
Máy siêu âm kiểu đầu dò đưa siêu âm công suất cao trực tiếp vào môi trường lỏng, nơi sóng âm thanh tạo ra các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp xen kẽ trong chất lỏng. Trong chu trình áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bong bóng chân không nhỏ hoặc khoảng trống trong chất lỏng. Khi các bong bóng đạt đến thể tích mà chúng không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sẽ sụp đổ dữ dội trong chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Trong quá trình nổ mìn, nhiệt độ và áp suất rất cao đạt được cục bộ. Sự nổ tung của bong bóng xâm thực cũng dẫn đến các tia chất lỏng cực nhanh.
Bối cảnh: Cavitation siêu âm
Moholkar (2000) phát hiện ra rằng các bong bóng ở vùng có cường độ xâm thực cao nhất trải qua chuyển động thoáng qua, trong khi các bong bóng ở vùng có cường độ xâm thực thấp nhất trải qua chuyển động dao động, ổn định. Sự sụp đổ thoáng qua của các bong bóng làm phát sinh nhiệt độ và áp suất cực đại cục bộ là gốc rễ của các tác động quan sát được của siêu âm đối với các hệ thống hóa học.
Cường độ của ultrasonication là một chức năng của đầu vào năng lượng và diện tích bề mặt sonotrode. Đối với một đầu vào năng lượng nhất định được áp dụng: diện tích bề mặt của sonotrode càng lớn, cường độ siêu âm càng thấp.
Sóng siêu âm có thể được tạo ra bởi các loại hệ thống siêu âm khác nhau. Sau đây, sự khác biệt giữa siêu âm sử dụng bể siêu âm, thiết bị đầu dò siêu âm trong bình mở và thiết bị đầu dò siêu âm với buồng tế bào dòng chảy sẽ được so sánh.
Hình 1: Tạo ra các bong bóng xâm thực ổn định và thoáng qua. (a) dịch chuyển, (b) xâm thực thoáng qua, (c) xâm thực ổn định, (d) áp suất
[phỏng theo Santos et al. 2009]
So sánh phân phối hang động
Đối với các ứng dụng siêu âm, bạn có thể sử dụng đầu dò siêu âm (máy siêu âm kiểu đầu dò) hoặc bể siêu âm. “Trong số hai phương pháp siêu âm này, siêu âm thăm dò hiệu quả và mạnh mẽ hơn so với bể siêu âm trong ứng dụng phân tán hạt nano; thiết bị tắm siêu âm có thể cung cấp siêu âm yếu với khoảng 20-40 W / L và phân bố rất không đồng đều trong khi thiết bị đầu dò siêu âm có thể cung cấp 20.000 W / L vào chất lỏng. Do đó, điều đó có nghĩa là một thiết bị đầu dò siêu âm vượt trội hơn thiết bị tắm siêu âm hệ số 1000.” (xem Asadi và cộng sự, 2019)
Máy siêu âm kiểu đầu số so với bồn tắm siêu âm: So sánh sự phân bố hang động
Trong lĩnh vực ứng dụng siêu âm, cả máy siêu âm kiểu đầu dò và bể siêu âm đều đóng vai trò quan trọng. Tuy nhiên, khi nói đến sự phân tán hạt nano, máy siêu âm đầu dò vượt trội hơn đáng kể so với các bể siêu âm. Theo Asadi (2019), bồn tắm siêu âm thường tạo ra siêu âm yếu hơn khoảng 20-40 Watts mỗi lít với sự phân bố không đồng đều cao. Ngược lại, các thiết bị đầu dò siêu âm có thể cung cấp 20000 Watts mỗi lít đáng kinh ngạc vào chất lỏng, thể hiện hiệu quả vượt trội hơn bể siêu âm gấp 1000 lần. Sự khác biệt rõ rệt này làm nổi bật khả năng vượt trội của máy siêu âm kiểu đầu dò trong việc đạt được sự phân tán hạt nano hiệu quả và đồng đều.
Bồn tắm siêu âm
Trong bể siêu âm, hiện tượng xâm thực xảy ra không phù hợp và phân bố không kiểm soát qua bể. Hiệu quả siêu âm có cường độ thấp và lan truyền không đều. Khả năng lặp lại và khả năng mở rộng của quy trình rất kém.
Hình ảnh dưới đây cho thấy kết quả thử nghiệm lá trong bể siêu âm. Đối với điều này, một lá nhôm hoặc thiếc mỏng được đặt dưới đáy bể siêu âm chứa đầy nước. Sau khi siêu âm, các dấu xói mòn đơn lẻ có thể nhìn thấy. Những đốm và lỗ đục lỗ đơn lẻ trên giấy bạc cho thấy các điểm nóng xâm thực. Do năng lượng thấp và sự phân bố không đồng đều của siêu âm trong bể, các vết xói mòn chỉ xảy ra theo từng điểm. Do đó, bồn tắm siêu âm chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng làm sạch.
Trong bồn tắm hoặc bể siêu âm, điểm nóng của xâm thực âm thanh xảy ra rất không đồng đều.
Các hình dưới đây cho thấy sự phân bố không đồng đều của các điểm nóng xâm thực trong bể siêu âm. Trong Hình 2, một bồn tắm có diện tích đáy là 20×10 cm đã được sử dụng.
Hình 2 cho thấy sự phân bố không gian của trường siêu âm trong bể siêu âm:
(a) sử dụng 1 L nước trong bồn tắm và (b) sử dụng tổng thể tích 2 L nước trong bồn tắm.
[Nascentes và cộng sự, 2010]
Đối với các phép đo được hiển thị trong hình 3, một bể siêu âm có không gian đáy 12x10cm đã được sử dụng.
Hình 3 cho thấy sự phân bố không gian của trường siêu âm trong bể siêu âm:
(a) sử dụng 1 L nước trong bồn tắm và (b) sử dụng tổng thể tích 1,3 L nước trong bồn tắm.
[Nascentes và cộng sự, 2001]
Cả hai phép đo đều cho thấy sự phân bố của trường chiếu xạ siêu âm trong các bể siêu âm là rất không đồng đều. Nghiên cứu chiếu xạ siêu âm tại các vị trí khác nhau trong bồn tắm cho thấy sự thay đổi không gian đáng kể về cường độ xâm thực trong bể siêu âm.
Hình 4 dưới đây so sánh hiệu quả của bể siêu âm và thiết bị đầu dò siêu âm được minh họa bằng quá trình khử màu của thuốc nhuộm azo Methyl Violet.
Hình 4: Máy siêu âm kiểu đầu dò triển khai cường độ năng lượng rất cao cục bộ so với mật độ siêu âm thấp của bể siêu âm và bồn tắm.
Dhanalakshmi và cộng sự phát hiện ra trong nghiên cứu của họ rằng các thiết bị siêu âm kiểu đầu dò có cường độ cục bộ cao so với loại bể và do đó, hiệu ứng cục bộ lớn hơn như được mô tả trong hình 4. Điều này có nghĩa là cường độ và hiệu quả cao hơn của quá trình siêu âm.
Thiết lập siêu âm như trong hình 4, cho phép kiểm soát hoàn toàn các thông số quan trọng nhất, chẳng hạn như biên độ, áp suất, nhiệt độ, độ nhớt, nồng độ, thể tích lò phản ứng.
Hình 1: Siêu âm truyền công suất Sonotrode vào chất lỏng. Sương mù bên dưới bề mặt sonotrode cho thấy khu vực điểm nóng xâm thực.
- nồng nàn
- Tập trung
- hoàn toàn có thể kiểm soát
- Phân phối đều
- có thể tái sản xuất
- Mở rộng quy mô tuyến tính
- Hàng loạt và trong dây chuyền
Ưu điểm của máy siêu âm kiểu đầu dò
Đầu dò siêu âm hoặc sonotrodes được thiết kế để tập trung năng lượng siêu âm vào một khu vực tập trung, thường là ở đầu của đầu dò. Việc truyền năng lượng tập trung này cho phép xử lý mẫu chính xác và hiệu quả. Vì thiết kế đầu dò đảm bảo rằng một phần đáng kể năng lượng siêu âm được hướng về phía mẫu, nên sự truyền năng lượng được tăng cường đáng kể khi so sánh với bể siêu âm. Việc truyền công suất siêu âm tập trung này đặc biệt thuận lợi cho các ứng dụng yêu cầu kiểm soát chính xác các thông số siêu âm, chẳng hạn như phá vỡ tế bào, phân tán nano, tổng hợp hạt nano, nhũ hóa và chiết xuất thực vật.
Do đó, máy siêu âm kiểu đầu dò mang lại những lợi thế khác biệt so với bể siêu âm về độ chính xác, khả năng kiểm soát, tính linh hoạt, hiệu quả và khả năng mở rộng, khiến chúng trở thành công cụ không thể thiếu cho một loạt các ứng dụng khoa học và công nghiệp.
Máy siêu âm kiểu đầu dò để xử lý cốc mở
Khi các mẫu được siêu âm bằng thiết bị đầu dò siêu âm, vùng siêu âm cường độ cao nằm ngay bên dưới sonotrode / đầu dò. Khoảng cách chiếu xạ siêu âm được giới hạn ở một khu vực nhất định của đầu sonotrode. (xem hình 1)
Các quy trình siêu âm trong cốc mở chủ yếu được sử dụng để kiểm tra tính khả thi và chuẩn bị mẫu với khối lượng nhỏ hơn.
Máy siêu âm kiểu đầu dò với Flow Cell để xử lý nội tuyến
Kết quả siêu âm phức tạp nhất đạt được bằng cách xử lý liên tục ở chế độ dòng chảy kín. Tất cả vật liệu được xử lý bằng cùng cường độ siêu âm khi đường dẫn dòng chảy và thời gian lưu trú trong buồng lò phản ứng siêu âm được kiểm soát.
Bộ tuần hoàn siêu âm: UIP1000hdT với tế bào dòng chảy, bể chứa và bơm
Kết quả quá trình xử lý chất lỏng siêu âm cho một cấu hình tham số nhất định là một hàm của năng lượng trên mỗi thể tích được xử lý. Chức năng thay đổi với những thay đổi trong các thông số riêng lẻ. Hơn nữa, công suất đầu ra thực tế và cường độ trên mỗi diện tích bề mặt của sonotrode của một thiết bị siêu âm phụ thuộc vào các thông số.
Tác động xâm thực của xử lý siêu âm phụ thuộc vào cường độ bề mặt được mô tả bởi biên độ (A), áp suất (p), thể tích lò phản ứng (VR), nhiệt độ (T), độ nhớt (η) và các loại khác. Các dấu cộng và trừ cho thấy ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực của thông số cụ thể đến cường độ sonication.
Bằng cách kiểm soát thông số quan trọng nhất của quá trình siêu âm, quá trình hoàn toàn có thể lặp lại và kết quả đạt được có thể được chia tỷ lệ hoàn toàn tuyến tính. Các loại sonotrodes khác nhau và lò phản ứng tế bào dòng siêu âm cho phép thích ứng với các yêu cầu quy trình cụ thể.
Tóm tắt: Máy siêu âm kiểu đầu dò so với bồn tắm siêu âm
Trong khi bồn siêu âm cung cấp siêu âm yếu với khoảng 20 Watts mỗi lít, chỉ và phân bố rất không đồng đều, máy siêu âm kiểu đầu dò có thể dễ dàng ghép nối khoảng 20000 Watts mỗi lít vào môi trường đã qua xử lý. Điều này có nghĩa là một máy siêu âm kiểu đầu dò siêu âm vượt trội hơn một bể siêu âm theo hệ số 1000 (đầu vào năng lượng cao hơn 1000 lần trên mỗi thể tích) do đầu vào công suất siêu âm tập trung và đồng đều. Kiểm soát hoàn toàn các thông số siêu âm quan trọng nhất đảm bảo kết quả hoàn toàn có thể tái tạo và khả năng mở rộng tuyến tính của kết quả quy trình.
Máy siêu âm loại đầu dò UP200St với sonotrode S26d7D để đồng nhất mẫu kiểu lô
Văn học/Tài liệu tham khảo
- 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.
Câu hỏi thường gặp về đầu dò siêu âm (FAQ)
Máy siêu âm đầu dò siêu âm là gì?
Máy siêu âm đầu dò siêu âm là một thiết bị sử dụng sóng âm thanh tần số cao để làm gián đoạn hoặc trộn các mẫu. Nó bao gồm một đầu dò, khi ngâm vào chất lỏng, tạo ra các rung động siêu âm, dẫn đến xâm thực và các hiệu ứng xử lý mẫu mong muốn.
Nguyên tắc siêu âm thăm dò là gì?
Siêu âm đầu dò hoạt động theo nguyên tắc xâm thực siêu âm. Khi đầu dò rung động trong mẫu, nó tạo ra các bong bóng cực nhỏ nhanh chóng giãn nở và sụp đổ. Quá trình này tạo ra lực cắt và nhiệt mạnh, phá vỡ các tế bào hoặc trộn các thành phần ở cấp độ vi mô.
Máy làm sạch siêu âm có giống với máy siêu âm không?
Không, chúng không giống nhau. Máy làm sạch siêu âm sử dụng sóng siêu âm rất nhẹ trong bồn tắm để làm sạch các vật dụng, chủ yếu thông qua rung động và xâm thực rất nhẹ. Máy siêu âm, cụ thể là máy siêu âm đầu dò siêu âm, được thiết kế để xử lý siêu âm trực tiếp, chuyên sâu các mẫu, tập trung vào sự gián đoạn hoặc đồng nhất.
Công dụng của đầu dò siêu âm là gì?
Đầu dò siêu âm chủ yếu được sử dụng cho các nhiệm vụ chuẩn bị mẫu như phá vỡ tế bào, đồng nhất, nhũ hóa và phân tán các hạt trong nhiều ứng dụng nghiên cứu và công nghiệp trong hóa học, sinh học và khoa học vật liệu.
Sự khác biệt giữa máy siêu âm đầu dò và còi cốc là gì?
Máy siêu âm đầu dò nhúng trực tiếp đầu dò vào mẫu để siêu âm cường độ cao. Mặt khác, máy siêu âm sừng cốc không nhúng đầu dò mà sử dụng phương pháp gián tiếp trong đó mẫu được đặt trong một thùng chứa trong bể nước truyền năng lượng siêu âm.
Tại sao sử dụng máy siêu âm đầu dò?
Máy siêu âm đầu dò được sử dụng vì khả năng cung cấp năng lượng siêu âm cường độ cao, trực tiếp cho mẫu, đạt được sự gián đoạn, đồng nhất hoặc nhũ hóa hiệu quả. Nó đặc biệt có giá trị đối với các mẫu khó xử lý hoặc khi cần kiểm soát chính xác quy trình.
Ưu điểm của máy siêu âm đầu dò là gì?
Ưu điểm bao gồm xử lý mẫu hiệu quả và nhanh chóng, tính linh hoạt trong các ứng dụng, kiểm soát chính xác các thông số siêu âm và khả năng xử lý nhiều loại và kích thước mẫu, từ mẫu phòng thí nghiệm khối lượng nhỏ đến các lô công nghiệp lớn hơn hoặc tốc độ dòng chảy.
Làm thế nào để bạn sử dụng một máy siêu âm đầu dò siêu âm?
Sử dụng máy siêu âm đầu dò liên quan đến việc chọn kích thước đầu dò và các thông số siêu âm thích hợp, nhúng đầu dò vào mẫu, sau đó kích hoạt máy siêu âm trong cài đặt thời gian và công suất mong muốn để đạt được quá trình xử lý mẫu hiệu quả.
Sự khác biệt giữa siêu âm và siêu âm là gì?
Siêu âm đề cập đến việc sử dụng sóng âm thanh chung để xử lý vật liệu, có thể bao gồm một dải tần số. Siêu âm quy định việc sử dụng tần số siêu âm (thường trên 20 kHz), tập trung vào các ứng dụng yêu cầu sóng âm thanh năng lượng cao để xử lý mẫu. Tuy nhiên, hầu hết mọi người thực sự đề cập đến máy siêu âm, khi họ sử dụng từ máy siêu âm.