برای استفاده از امواج مافوق صوت از حسگرهایی استفاده می شود که این حسگرها بر اساس محدوده فرکانسی خود به دو دسته صنعتی و غیر صنعتی تقسیم بندی می شوند. حسگرهای مافوق صوت غیر صنعتی در محدوده فرکانسی کیلو هرتز ۴۰ می باشند.
امواج مافوق صوت بر حسب توان، در کاربرد های صنعتی بر دو دسته توان کم و توان بالا تقسیم می شوند. از امواج مافوق صوت توان کم برای بررسی ساختاری مواد، کاربردهای پزشکی و ارزیابی های غیر مخرب استفاده می شود. حال آنکه امواج مافوق صوت توان بالا در فرآیندهایی همچون ماشین کاری، جوشکاری، شکل دهی و… کارایی دارد. در کاربردهای گوناگون، دامنه موج و فرکانس امواج مافوق صوت جز مشخصات منبع مافوق صوت است “Cheek.J. D.N.2002″.
حسگرهای مافوق صوت معمولا دارای یک فرستنده و یک گیرنده مافوق صوت هستند. امواج فرستاده شده از حسگر پس از برخورد با یک مانع به حسگر بر می گردند و توسط گیرنده حسگر دریافت می شوند. از این طریق و با در نظر گرفتن زمان بازگشت موج و کیفیت امواج بازتابی می توان به اطلاعاتی راجع به عمق، نوع و سرعت مانع به دست آورد. حسگرهای فرا صوت مزیتهای فراوانی دارند مانند نویز پذیری کم، استفاده در شرایط نوری مختلف و…
امواج فرا صوت همانند امواج دیگر خواص شکست، پراش، انعکاس، نفوذ، بازتاب و عبور دارند. این امواج به سه روش مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی ایجاد می شوند. دستگاه های مافوق صوت معمولا از سه بخش کلی تشکیل میشوند ۱- مبدل ۲- بوستر ۳- تقویت کننده. مبدل نقش تولید امواج مکانیکی و تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی را دارد، بوستر و تقویت کننده نیز وظیفه انتقال و تقویت دامنه حرکت و رساندن آن به مصرف کننده را به عهده دارند “عصار زادگان- ملاحسینی،۱۳۸۸، ص ۲۹ ، ۳۸".
۲- ۵- ۳ کاربردهای امواج مافوق صوت
امروزه تکنولوژی مافوق صوت در بسیاری از صنایع و فنون گوناگون کاربردهای قابل توجهی دارد. در اینجا به برخی از آنها اشاره شده است :
یکی از مهم ترین کاربردهای امواج مافوق صوت در شستشوی با امواج مافوق صوت است. برای این کار قطعه مورد نظر برای شستشو در مایعی که معمولا آب است، غوطه ور می کنند. مایعی که قطعه در آن غوطه ور است با فرکانس و شدت بسیار بالایی به ارتعاش در می آید و این ارتعاشات منجر به مرتعش شدن قطعه درون مایع شده و آلودگیها را از آن جدا می کند .
هم چنین به منظور اتصال قطعات پلاستیکی، پلاستیکی به فلزات و به طور کل، جوش و اتصال مواد غیر هم جنس از امواج مافوق صوت استفاده می شود. در این نوع جوشکاری با قرار دادن قطعات در معرض حرکت ارتعاشی با فرکانس ثابت حرارت داده می شوند و به هم متصل می شوند و یا به اصطلاح جوش می خورند .
جالب است بدانید از امواج مافوق صوت در پزشکی نیز استفاده های فراوانی می شود. از جمله می توان به جراحی توسط چاقوی مافوق صوت ، تخریب سلول های بدخیم، عمل آب مروارید چشم، پیشگیری از پوسیدگی، جرم گیری و عصب کشی دندان ها، شکستن سنگ کلیه، مثانه و کبد، برداشتن چربی اضافی بدن[۳۲]، برداشتن بافت های مرده و مواد خارجی زخم و هم چنین استفاده در سونوگرافی اشاره کرد .
صوت پدیده ای فیزیکی است که انرژی را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می کند. به همین دلیل، صوت مشابه یک پرتو است. با این حال، صوت با پرتو تفاوت دارد چرا که تنها می تواند از طریق محیط های مادی انتقال یابد و همانند یک پرتو از خلاء عبور نمی کند. دلیل این مسأله انتقال صوت از طریق به ارتعاش در آوردن محیط مادی است؛ از این رو اگر ماده ای وجود نداشته باشد، چیزی نیست که به ارتعاش در آید و انرژی را انتقال دهد.
یکی از رشته هایی که در آن از امواج آلتراسونیک می توان به خوبی استفاده نمود، شیمی است. امروزه محققین و پژوهشگران این شاخه علمی توجه خاص و ویژه ای را نسبت به کاربردهای امواج التراسونیک معطوف داشته اند. شاهد این مدعا ظهور شاخه های جدیدی موسوم به ” سونو شیمی" [۳۳]و “سونو الکتروشیمی”[۳۴] طی چند دهه گذشته می باشد. امواج آلتراسونیک با توجه به خواص منحصر به فرد خود و توانایی ایجاد پدیده کاویتاسیون در مایعات، جایگاه ویژه ای در پیشبرد و تسریع واکنش های شیمیایی دارند. همچنین استفاده از این امواج می تواند باعث تسهیل و ساده شدن شرایط بسیاری از واکنش های شیمیایی شود که در دما و فشار بالا انجام می شوند. از سوی دیگر، این امواج در شناسایی مواد مختلف نیز کاربرد دارند که از آن تحت عنوان sono luminescenc یاد می شود. یکی دیگر از کاربردهای امواج آلتراسونیک که مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته است، استفاده از این امواج در تولید مواد نانو و یا فرآوری این مواد است. همچنین استفاده از امواج آلتراسونیک می تواند باعث بهبود بازده واکنش های کاتالیزوری نیز بشود “عصارزادگان- ملاحسینی،۱۳۸۸، ص ۲۹ ، ۳۸".
۲- ۵- ۴ اساس کار امواج مافوق صوت در رنگرزی منسوجات
یک فشردگی[۳۵] یا ترقیق[۳۶] (حجم) در طی هر دوره موج وجود دارد. وقتی امواج مافوق صوت در یک سیستم مایع[۳۷] جذب می شوند، پدیده ایجاد حباب روی می دهد، که متبادل[۳۸] تشکیل موج[۳۹] است و در پی آن نوسان و از هم پاشیدگی حباب های کوچک اتفاق می افتد. در طی ترقیق قسمتی از چرخه موج، مولکول های گاز حل شده به عنوان مرکز شارژ شده ای برای تشکیل حباب جدید عمل می نماید، که قطر این حباب ها می تواند به آرامی به حدود ۱/۰ سانتی متر نیز برسد که این حباب ها به هنگام تراکم دوباره موج، می ترکند.
۲- ۵- ۵ منبع امواج مافوق صوت
۱- مبدلهای مکانیک[۴۰]
۲- مبدل های فیزوالکتریک[۴۱]
۳- مبدل های مغناطیسی[۴۲]
۴- حفره سازی(حباب سازی) [۴۳]
۲- ۵- ۶ رنگرزی به کمک امواج مافوق صوت
استفاده از سیستم مافوق صوت در رنگرزی منسوجات می تواند به صورت زیر توضیح داده شود:
وقتی امواج مافوق صوت در سیستم مایع جذب می شوند پدیده ایجاد حباب روی می دهد. ایجاد حباب و متلاشی شدن آن می تواند گازهای گیر افتاده را از مایع یا سطوح خلل وفرج دار منسوجات یا مواد رنگزا آزاد نماید. تاثیر امواج مافوق صوت روی رنگرزی به سه طریق زیر خواهد بود :
۱- انتشار:[۴۴] شکسته شدن تجمعات مولکولی با وزن بالا که باعث انتشار یکنواخت مواد در سطح حمام کالا می شود.
۲- دفع گازها:[۴۵] رها شدن گازهای گیر افتاده یا مولکول های هوا از سطوح خلل و فرج دار لیف به مایع و حباب های آزاد شده.
۳- نفوذ :[۴۶] تسریع بخشیدن به نرخ نفوذ رنگ به داخل لیف با رخنه به داخل لایه محافظ لیف و تسریع در بر هم کنش بین رنگ و لیف.
۲- ۵- ۶- ۱ مکانیزم نفوذ
نفوذ رنگ به داخل لیف در محدوده امواج مافوق صوت افزایش می یابد. سرعت نفوذ رنگ به داخل لیف بسته به سایز مولکول رنگ و حالت فیزیکی لیف دارد، به عنوان مثال، هرچه مولکول رنگ کوچکتر و تورم لیف بیشتر باشد، تحرک مولکول های رنگ بیشتر و مولکول ها سریعتر می توانند به داخل لیف نفوذ نمایند.
تاثیرات انتشار و دفع گازها بافعالیت مکانیکی فرایند تخریب حباب افزایش می یابد. در حالی که تأثیر عملیات نفوذ ناشی از فعالیت مکانیکی و حرارت سطح لیف خواهد بود. وقتی رنگزا قابل حل در آب باشد.، فرایند مافوق صوت بیشتر از نقش یک تحریک کننده مکانیکی عمل می نماید، در حالی که برای پیگمنت ها، که در آب قابل حل نیستند، نقش اولتر اسوند انتشار پیگمنت ها (جلوگیری از تجمع ) و نفوذ آنها خواهد بود که این امر با روش های مرسوم قابل دستیابی نیست . نتایج رنگرزی متأثر از فرکانس تابش امواج مافوق صوت استفاده شده خواهد بود. پرتو افکنی در فرکانس های خیلی پایین در محدوده cps 50 تا۱۰۰ تاثیر چندانی ایجاد نخواهد کرد. فرکانس های در محدوده بین ۲۲ تا ۱۷۵ کیلو هرتز بیشترین تأثیر ها را در آزمایشات نشان داده است و بیشترین تأثیر برای ابریشم، پشم و نایلون گزارش شده است.
فاکتور دیگری که می تواند بر نفوذ رنگ بداخل لیف تأثیر گذارد کیفیت فعالیت آن می باشد. رنگ به داخل منافذ لیف نفوذ می کند، که قبل از آن پر از آب بوده و همزمان مولکول رنگ توسط ماکرو مولکول های مجاور نیز به خود جذب می شود. بدلیل این جذب فقط یک بخش کوچکی از رنگ می تواند به صورت آزادانه بداخل لیف (منافذ ) وارد شود. مولکول های رنگ بیشترین زمان خود را به حرکت (ارتعاش) داخل و خارج شدن به منافذ می گذرانند قبل از اینکه روی سطح لیف جذب گردند. به دلیل همزمان بودن جذب سطحی و نفوذ، با کاهش نرخ جذب سطحی نفوذ نیز کاهش می یابد. هرچند بدلیل نیروی حباب زایی زیاد در محدوده امواج مافوق صوت مولکول های رنگ به سطح الیاف با سرعت سریع تر وارد می گردند چرا که آنها انرژی جنبشی بیشتری را دریافت می کنند. رنگ می بایست برای نفوذ در حالت فعال شده باشد. این حالت با انرژی امواج مافوق صوت حاصل می شود بدین صورت که مولکول های مرتعش با انرژی بحرانی[۴۷] مورد نیاز برای شکستن تعادل ایستای[۴۸] مجهز گردیده و در نتیجه اقدام به نفوذ می نمایند.
فشار تابش امواج مافوق صوت روی سطح لیف فاکتور دیگر است، که بر روی پروسه نفوذ تأثیر دارد. بر روی ساختار کریستالی لیف حالت نرم شدگی ایجاد می گردد که هر چند زود گذر است اما اهمیت زیادی در افزایش سرعت نفوذ دارد. بنابراین، آزمایشات نشان می دهد که با حضور تابش امواج مافوق صوت جذب سطحی در درجه حرارت کمتر صورت می پذیرد (در مقایسه با عدم حضور تابش امواج مافوق صوت).
۲- ۵- ۷ تجهیزات مورد نیاز برای ایجاد تابش امواج مافوق صوت
مبدل و تبدیل کننده[۴۹] یا حمام شستشو[۵۰] دو جزء مهم از تجهیزات امواج مافوق صوت هستند. ژنراتور جریان متناوب ۵۰ تا ۶۰ هرتز را به انرژی الکتریکی با فرکانس بالا تبدیل می نماید. این انرژی الکتریکی به یک مبدل انرژی تغذیه گردیده که در نتیجه انرژی مذکور به ارتعاش مکانیکی تبدیل می شود. مبدل انرژی به صورت طولی شروع به ارتعاش نموده و امواج تولید شده را به محیط مایع منتقل می نماید. همانطور که امواج تولید و تکثیر می گردند عملیات ایجاد و متلاشی شدن حباب ها[۵۱]روی می دهد. ماشین رنگرزی اولیه (آزمایش) برای رنگرزی ممتد نخ و پارچه طراحی گردید . سیستم مذکور مشتمل بر تانک[۵۲]، سیستم حمل[۵۳] و ریز پردازنده[۵۴] برای کنترل فرایند است. تانک مافوق صوت به ابعاد ۶۰×۹۲ سانتیمتر بوده و ظرفیت حدود ۲۰۰ لیتر را دارد. درجه حرارت می تواند تا ۱۰۰ درجه سانتی گراد با کنترل ترمواستاتیک رسانیده شود .
۲- ۵- ۸ رنگرزی به کمک امواج مافوق صوت دارای مزایایی می باشد:
۱- ذخیره انرژی با رنگرزی در درجه حرارت های پایین تر و زمان کمتر.
۲- بهبود محیط زیست با کاهش مصرف مواد شیمیایی کمکی در فرایند .
۳- بهبود فرایند با امکان کنترل شید رنگی .
۴- کاهش تدریجی هزینه فرایند، در نتیجه افزایش رقابت پذیری صنعت “حدادیان تفت،۱۳۸۷".
در تحقیقی که کمل[۵۵] و همکاران با رنگهای طبیعی بر روی پارچه پنبه با بهره گرفتن از مافوق صوت انجام داده اند، نتایج حاضر اشاره به شرایط مطلوب رنگرزی پارچه پنبه ای در شرایط مافوق صوت و رنگهای طبیعی دارد. همچنین پارچه رنگرزی شده از خواص های ثباتی خوبی برخوردار بودند “Kamel.M.M.et,al.2007″.
۲- ۵- ۹ استخراج با امواج مافوق صوت
همانطور که در قسمت قبل توضیح داده شد توسط امواج مافوق صوت حباب هایی تشکیل می شوند، رشد می کنند و سرانجام متلاشی می شوند و تولید جت های مایع ( جریان های سریع ) با سرعت بالا را می کنند. جت های مایع ضربه شدیدی را به سطح جامد می زنند. همچنین هنگام متلاشی شدن حباب در مرکز آن گرادیان دمایی ایجاد می شود و باعث بالا رفتن دما و در نتیجه افزایش ضریب نفوذ می شود که در نهایت باعث افزایش انتقال جرم می شود. عوامل مکانیکی فراصوت نفوذ بیشتر حلال داخل بافت سلولی ماده را القا می کند و باعث بهبود انتقال جرم می شود. امواج صوتی در استخراج می تواند دیواره های سلولی بیولوژیکی را تخریب کند و آزاد شدن محتویات درونی آن ها را آسان کند. بنابراین تخریب کارآمد سلولی و انتقال جرم مفید به عنوان دو فاکتور اصلی هستند که ما را در جهت استخراج با قدرت امواج صوتی هدایت می کند “Luque Garcia J.L.and Castro.M.D.2003″. با بررسی کردن نمایش های زیر الکترونی[۵۶] ، دلیل اثرات مکانیکی فراصوت مهیا می شود، که بیشتر تخریب دیواره های سلولی و آزاد شدن محتویات سلول نشان داده می شود. در مقایسه با شیوه های مرسوم، امواج صوتی باعث تخریب دیواره سلولی در یک مدت زمان کوتاه می شود و عصاره گیاهی در طول دیواره سلولی نفوذ می کند. مشخصات گیاهی مثل مقدار رطوبت، اندازه ذره و حلال استفاده شده به منظور بدست آوردن استخراج کارآمد و موثر، مهم هستند. به علاوه فاکتورهای زیادی از اثر امواج صوتی شامل فرکانس، فشار، دما و زمان امواج صوتی نیز وجود دارند “Romdhane,M.,and Gourdon,C,2002″.
فواید و معایب استخراج با امواج مافوق صوت عبارتند از: این استخراج در مقایسه با شیوه های مرسوم ارزان، ساده و کارآمد است. مزیت اصلی استفاده امواج صوتی در استخراج جامد -مایع شامل افزایش بازده استخراج و سینتیک سریع تر است. امواج صوتی می توانند دمای فرایند را کاهش دهند و اجازه استخراج ترکیبات ناپایدار در برابر حرارت را دهند. در مقابل شیوه های جدید استخراج مثلا استخراج با حلال کمک شده با امواج ماکروویو، دستگاه های امواج صوتی ارزان تر و عملیاتش ساده تر است. به علاوه استخراج کمک شده با امواج صوتی، شبیه استخراج سوکسله می تواند با هر حلالی برای استخراج محدوده وسیع متفاوتی از ترکیبات استفاده شود “Kaufmann.B.et,al.2001″.
طی تحقیقی که برای استخراج و رنگرزی پشم با رنگزای طبیعی لاک به کمک امواج مافوق صوت و به روش متداول توسط کمل و همکاران انجام گرفت قدرت رنگی، رنگ استخراج شده از لاک که منشاء طبیعی دارد به کمک امواج مافوق صوت و با روش معمول مقایسه و بررسی شد. نتایج حاصل از استخراج رنگ به کمک امواج مافوق صوت نه تنها دارای قدرت رنگی مؤثرتری نسبت به شرایط معمول می باشد، همچنین در دمای کمتر و زمان کوتاه تر استخراج انجام گرفت. در این آزمایش اثر pH رنگ، غلظت رنگ، قدرت مافوق صوت، زمان رنگرزی و درجه حرارت مورد بررسی قرار گرفت و نتایج با روش معمول مقایسه شد. نتایج حاصل خواص ثباتی خوبی برای پارچه های رنگرزی شده نشان می دهد. ایزوترم جذب رنگ نیز افزایش جذب رنگ در فاز دوم رنگرزی آلتراسونیک (انتشار) را نشان می دهد"Kamel.M.M.et, al.2004″.
در تحقیق دیگری که توسط رستگاری و همکاران بر روی ” رنگرزی پشم با پوست پیاز به عنوان یک رنگ طبیعی با بهره گرفتن از روش مافوق صوت و روش معمول ” را مورد مطالعه قرار دادند. نتایج حاصل از استخراج رنگ نشان می دهد که مافوق صوت قدرت گرمایشی موثر در عملیات استخراج دارد و استخراج در درجه حرارت کم و زمان کوتاه انجام شد. همچنین اثر مافوق صوت،pH حمام رنگرزی و درجه حرارت مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که رنگرزی در شرایط مافوق صوت نسبت به روش معمول دارای قدرت رنگی بیشتر و خواص ثباتی رنگ کالای پشمی خوب بوده است “Rastkari.N.et,al.2008″.
تحقیقی دیگری توسط هاریشس[۵۷] و همکاران بر روی “بررسی تکنیک های مختلف برای استخراج رنگ طبیعی از پوست انار به کمک امواج مافوق صوت ” انجام شد. در این طرح زمان های متفاوت برای استخراج،pH های مختلف مورد مطالعه قرار گرفتند. سپس رنگرزی بر روی لیف های پشم و پنبه و ابریشم مقایسه شد نتایج نشان داد که تکنیک آلتراسونیک بهره وری را افزایش می دهد. دمای آن برای پشم و پنبه مناسب بوده اما برای ابریشم بازدهی نداشته است. همچنین خواص ثباتی پشم بسیار خوب و خواص پنبه تنها رضایت بخش بود ” Harishc .T.,et.al.2010″.
طی تحقیق دیگری که توسط پرادپ[۵۸] انجام شد، به کار گیری روش استخراج مافوق صوت برای استخراج رنگینه (یا ماده رنگزا) از انواع کوکب با روش سنتی و استفاده از حلال مقایسه شده است. طبق نتایج بدست آمده مشاهده شد که عصاره گیری به کمک اولتراسونیک کارایی بیشتری در مقایسه با استخراج به روش حلال دارد. همچنین رنگ استخراج شده با FTIR و UV اسپکتروفتومتر مورد مطالعه قرار گرفت. رنگ استخراج شده برای رنگرزی خامه پشم نیز استفاده شد، که معمولا در صنعت فرش مورد استفاده است. ویژگیهای ثبات مناسب خامه های رنگ شده مفید بودن آن را در صنعت نساجی و رنگرزی هماهنگ با محیط زیست به اثبات می رساند “Pradeep.K.M.et,al.2012″.
از مقالات مطالعه شده به نظر می رسد امواج مافوق صوت برای استخراج گیاهان و رنگرزی انواع مختلفی از کالا ها کاربرد دارد. حفره سازی آلتر اسونیک سرعت استخراج و رنگرزی راشتاب بخشیده و برداشت رنگ و قدرت رنگی را افزایش می دهد. در فرایند های رنگرزی با بهره گرفتن از مواد شیمیایی و انرژی حرارتی، میزان انرژی می تواند با بهره گرفتن از انرژی مافوق صوت کاهش یابد. درمیان فرآیندهای مربوط، استفاده از این روش برای رنگرزی بهتر می باشد و امکان کاهش آلودگی پساب وجود دارد.
دانلود مطالب پژوهشی در رابطه با بهینه سازی فرآیند استخراج، رنگرزی و خواص ثباتی رنگزاهای روناس ...