Bồn tắm siêu âm siêu âm Probe-Sonication: Sự so sánh hiệu quả

Quá trình sonication có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một homogenizer siêu âm loại đầu dò hoặc một bồn tắm siêu âm. Mặc dù, cả hai kỹ thuật đều áp dụng siêu âm cho mẫu, có sự khác biệt đáng kể về hiệu quả, hiệu quả và khả năng xử lý. Máy siêu âm kiểu đầu dò vượt trội tắm siêu âm mạnh mẽ khi nói đến cường độ siêu âm, biên độ, xử lý đồng đều và khả năng tái tạo.

Các hiệu ứng mong muốn từ ultrasonication của chất lỏng – Bao gồm đồng nhất, Phân tán, sự phóng đại, phay, nhũ tương, Khai thác, lysis, Sự tan rã và hiệu ứng sonochemical – là do Cavitation. Bằng cách giới thiệu siêu âm công suất cao vào môi trường lỏng, sóng âm được truyền trong chất lỏng và tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (rarefaction), với mức giá tùy thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra bong bóng chân không nhỏ hoặc khoảng trống trong chất lỏng. Khi các bong bóng đạt được một khối lượng mà tại đó họ không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là cavitation. Trong quá trình nổ nhiệt độ rất cao (xấp xỉ. 5.000 k) và áp suất (xấp xỉ 2.000 ATM) đạt được tại địa phương. Sự nổ của bong bóng cavitation cũng kết quả trong máy bay phản lực chất lỏng lên đến 280m/s vận tốc. [Suslick 1998]

Moholkar et al. (2000) phát hiện ra rằng các bong bóng trong khu vực cường độ cavitation cao nhất trải qua một chuyển động thoáng qua, trong khi các bong bóng trong khu vực của cường độ cavitation thấp nhất đã trải qua chuyển động ổn định/dao động. Sự sụp đổ thoáng qua của các bong bóng làm tăng nhiệt độ địa phương và áp suất Maxima là ở gốc của các hiệu ứng quan sát của siêu âm trên các hệ thống hóa học.
Cường độ 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 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. Trong phần sau đây, sự khác biệt giữa sonication bằng cách sử dụng một bồn tắm siêu âm, thiết bị thăm dò siêu âm trong một tàu mở và thiết bị thăm dò siêu âm với buồng di động dòng chảy sẽ được so sánh.

So sánh phân phối tại chỗ cavitational nóng

Đối với các ứng dụng siêu âm, đầu dò siêu âm (sonotrodes / sừng) và bồn tắm siêu âm được sử dụng. “Trong số hai phương pháp siêu âm này, sonication đầu dò hiệu quả và mạnh mẽ hơn so với bồn tắm siêu âm trong việc áp 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 phối rất không đồng đều trong khi thiết bị thăm dò siêu âm có thể cung cấp 20.000 W / L vào chất lỏng. Do đó, nó có nghĩa là một thiết bị thăm dò siêu âm vượt trội thiết bị tắm siêu âm theo hệ số 1000.” (xem. Asadi et al., 2019)

Bồn tắm siêu âm

Trong bồn tắm siêu âm, cavitation xảy ra không phù hợp và không kiểm soát được phân phối thông qua bể. Hiệu ứng sonication là cường độ thấp và không đồng đều Lây lan. Sự lặp lại và khả năng mở rộng của quá trình này là rất nghèo.
Hình ảnh dưới đây cho thấy các kết quả của một thử nghiệm lá trong một bể siêu âm. Do đó, một nhôm mỏng hoặc thiếc được đặt ở dưới cùng của một bình chứa nước siêu âm. Sau khi sonication, vết xói mòn đơn có thể nhìn thấy. Những điểm đục và lỗ duy nhất trong lá chỉ ra các điểm nóng cavitational. Do năng lượng thấp và các không đồng đều phân phối siêu âm trong bể, vết xói mòn chỉ xảy ra ở vị trí khôn ngoan. Do đó, Phòng tắm siêu âm chủ yếu được sử dụng để làm sạch các ứng dụng.

Những con số dưới đây cho thấy sự phân bố không đồng đều của cavitational điểm nóng trong một bồn tắm siêu âm. Trong hình 2, một bồn tắm với một khu vực dưới cùng của 20×10 cm đã được sử dụng.

Đối với các phép đo được hiển thị trong hình 3, một bồn tắm siêu âm với một không gian dưới cùng của 12x10cm đã được sử dụng.

Cả hai phép đo cho thấy rằng sự phân bố của trường chiếu xạ siêu âm trong bể siêu âm là rất không đồng đều.
Việc nghiên cứu chiếu xạ siêu âm tại các địa điểm khác nhau trong bồn tắm cho thấy các biến thể không gian đáng kể trong cường độ cavitation trong bồn tắm siêu âm.

Hình 4 dưới đây so sánh hiệu quả của một bồn tắm siêu âm và một thiết bị thăm dò siêu âm được minh họa bởi sự biến dạng của thuốc nhuộm AZO methyl Violet.

Dhanalakshmi et al. tìm thấy trong nghiên cứu của họ rằng đầu dò-loại siêu âm thiết bị có cao bản địa hóa cường độ so với loại xe tăng và do đó, hiệu ứng bản địa hóa lớn hơn như được mô tả trong hình 4. Điều này có nghĩa là cường độ và hiệu quả cao hơn của quá trình sonication.
Một thiết lập siêu âm như minh hoạ trong hình 4, cho phép kiểm soát hoàn toàn các thông số quan trọng nhất-biên độ, áp suất

Thiết bị thăm dò siêu âm trong một cốc mở

Khi các mẫu được sonicated bằng cách sử dụng một thiết bị thăm dò siêu âm, vùng sonication cường độ cao nằm ngay bên dưới sonotrode/thăm dò. Khoảng cách chiếu xạ siêu âm được giới hạn ở một khu vực nhất định của mũi sonotrode. (xem pic. 1)
Quy trình siêu âm trong cốc mở chủ yếu được sử dụng để thử nghiệm tính khả thi và chuẩn bị mẫu các khối lượng nhỏ hơn.

Thiết bị thăm dò siêu âm ở chế độ dòng chảy liên tục

Kết quả sonication tinh vi nhất đạt được bằng cách xử lý liên tục trong chế độ dòng chảy khép kín. Tất cả các vật liệu được xử lý bởi cùng một cường độ siêu âm như đường dẫn dòng chảy và thời gian cư trú trong buồng lò phản ứng siêu âm được kiểm soát.

Pic. 4:1kW hệ thống siêu âm UIP1000hd với tế bào dòng chảy và bơm

Các kết quả của quá trình xử lý chất lỏng siêu âm cho một cấu hình tham số nhất định là một chức năng của năng lượng cho mỗi khối lượng xử lý. Chức năng thay đổi theo các tham số riêng lẻ. Hơn nữa, sản lượng điện thực tế và cường độ cho mỗi diện tích bề mặt của sonotrode của một đơn vị siêu âm phụ thuộc vào các thông số.

Tác động cavitational của việc xử lý siêu âm phụ thuộc vào cường độ bề mặt được decribed bởi biên độ (A), áp suất (p), khối lượng lò phản ứng (VR), Temperature (T), nhớt (η) và những người khác. Các dấu cộng và trừ chỉ ra một ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực của các thông số cụ thể trên cường độ sonication.

Bằng cách kiểm soát các tham số quan trọng nhất của quá trình sonication, quá trình này hoàn toàn lặp lại và kết quả đạt được có thể thu nhỏ hoàn toàn tuyến tính. Các loại lò phản ứng di động dòng chảy siêu âm sonotrodes khác nhau cho phép thích nghi với các yêu cầu quy trình cụ thể.

Tóm tắt

Trong khi một Bồn tắm siêu âm cung cấp một Yếu sonication với xấp xỉ. 20-40 W/L và rất không thống nhất Phân phối siêu âm thăm dò loại thiết bị có thể dễ dàng vài khoảng. 20,000 W/L vào phương tiện xử lý. Điều này có nghĩa rằng một thiết bị loại đầu dò siêu âm vượt trội một bồn tắm siêu âm theo yếu tố của 1000 (1000x năng lượng cao hơn cho mỗi khối lượng) do một Tập trung và đồng phục đầu vào công suất siêu âm. Việc kiểm soát hoàn toàn các thông số sonication quan trọng nhất đảm bảo hoàn toàn sanh sản kết quả và Khả năng mở rộng tuyến tính của kết quả quá trình.