описание конструкции и область применения, устройство и принцип действия

Времена научно-технического прогресса не проходят даром. Техника работает, выходит из строя, загрязняется. Иногда продлить срок службы изделия можно простой очисткой деталей от накопившейся грязи. Поэтому всё большую популярность набирают ультразвуковые ванны.

Основное место использования этих приборов — автосервис. Но и во многих других отраслях они бывают необходимы. В мастерских по ремонту компьютеров такая штука может пригодиться для очистки головок засохших картриджей от принтеров. В больницах с помощью ультразвуковой ванночки можно очищать хирургические и оптические инструменты, а также приборы. Да и дома бывает необходимость иметь такое приспособление всегда под рукой. Вот и возникает у многих людей вопрос: где взять схему ультразвуковой ванны, чтобы сделать её своими руками?

Что такое ультразвуковая ванна?

Звуковые высокочастотные волны, которые не может распознать человеческий слух, называются ультразвуком. Частота таких волн начинается от 18 килогерц. При воздействии ультразвуком на жидкости появляется большое количество маленьких пузырьков. Повышая давление

Как следует из названия, ультразвуковая ванна нужна для очистки предметов от загрязнения ультразвуком. Сама по себе ванна — это чаша из нержавеющей стали. Объём такой чаши составляет один литр. Исходя из этого уже понятно, что очищать в ванночке можно небольшие предметы. Но это если речь идёт о бытовом аппарате. Для промышленных нужд объем ванны может достигать несколько десятков литров. Диапазон волн, применяемый в установке от 18 до 120 килогерц.

Схема устройства

Главным элементом по праву можно назвать излучатель, который необходим для преобразования колебаний электрического тока в механические. Механические колебания через стенки ёмкости, попадая в жидкую среду, воздействуют на очищаемый предмет.

Чтобы излучатель мог производить описанный процесс, необходим генератор частот. Генератор формирует ультразвук при помощи электрических колебаний, которые поступают в излучатель.

Для улучшения эффекта очистки металлическая ёмкость постоянно подогревается. Под чашей расположены нагревательные элементы, поддерживающие постоянную температуру жидкости. Так как

Процесс очистки происходит следующим образом:

• в специальную ёмкость наливается очищающий раствор;
• в раствор опускается предназначенный для очистки предмет;
• включается прибор, генерирующий волны, в результате этого на поверхности должны появиться пузырьки;
• эти пузырьки воздействуют на деталь так, что как бы съедают грязь. Причём происходит это даже в самых труднодоступных местах.

Сфера применения ультразвука

Сегодня спектр применения ванночек на основе ультразвука достаточно широк. Если в промышленности принцип ультразвука известен давно, то теперь список областей, где он используется постоянно растёт. С точностью можно сказать, что чистка ультразвуком стала родной для следующих отраслей промышленности:

• ювелиры взяли этот метод себе на вооружение. Ювелирное дело то же трудоёмкое производство, особенно если надо почистить камни или старые изделия;
• всё что связано с оптикой эффективно поддаётся очистке в ёмкостях с очищающим раствором;
• кремниевые пластины и платы в электронной промышленности, очищаются подобным методом;
• в химической промышленности кавитацией увеличивают скорость реакций;
• автопром и типография промывают детали и узлы механизмов;
• оказалось, что таким способом очень хорошо очищаются мобильные телефоны, ведь там столько труднодоступных мест. Даже печатные головки принтеров, которые не удавалось ранее очистить, после частотного воздействия становятся как новые.

Как собрать ультразвуковые ванны своими руками?

Можно купить технику с ультразвуком, а можно сделать самому по схеме. Необходимость собрать ультразвуковые ванны своими руками возникает потому, что на рынке в основном представлены китайские модели. Если что и попадается поприличней, то цена в несколько раз превышает китайский аналог.

Чтобы самому собрать ультразвуковой прибор для очистки, нужно хоть немного разбираться в физике. Тем, кто в школе собирал радиоприёмники, будет намного проще сделать своими руками такой прибор.

Итак, приступаем к сборке ультразвуковой ванны. В схеме прибора, собранного собственноручно должны присутствовать следующие компоненты:

• стальной каркас для крепления в нём всех элементов;
• насос для нагнетания жидкости в ванну;
• импульсный трансформатор для повышения напряжения;
• любой сосуд из керамики;
• магниты от старого динамика;
• катушку с ферритовым стержнем;
• небольшая трубка из стекла или пластмассы;
• и, конечно же, жидкость, которая будет использоваться в работе.

Если все детали в наличии, можно приступать к сборке. Пошаговая сборка ультразвуковой ванны своими руками, особенно когда есть некоторые навыки, занимает всего-навсего в несколько этапов.

1. На пластмассовую (стеклянную) трубку наматывается катушка. Ферритовый стержень не надо никуда убирать или приматывать: он так и остаётся висеть. Один конец ферритового стержня должен быть свободным. На него одевается магнит от динамика. Таким образом, получается магнитострикционный преобразователь или излучатель ультразвука.
2. Керамический сосуд крепится в стальном каркасе. Это и будет нашей ванночкой.
3. В дне керамического сосуда сверлится отверстие, в которую вставляется получившийся магнитострикционный преобразователь.
4. В ванночке (керамическом сосуде) делаются два отверстия для залива и слива жидкости.
5. В зависимости от того какой объём нужен в ультразвуковой ванне, своими руками можно установить и насос. В больших ёмкостях насос придётся ставить для ускорения поступления жидкости.
6. Так как напряжение в сети постоянно, понадобиться импульсный трансформатор. Такой трансформатор можно найти в старом компьютере или телевизоре.
7. Схема готова — осталось её испытать. Если возникнут недоделки их сразу же можно устранить.

Что надо знать при работе с ультразвуковыми ваннами?

Ультразвуковые ванны своими руками можно собрать и они будут работать. Но, как и в случае с изделиями заводской сборки, не стоит забывать о некоторых правилах.

1. В первую очередь соблюдать правила электрической и пожарной безопасности.
2. Перед началом работ обязательно провести внешний осмотр агрегата, тем более, если он сделан самостоятельно.
3. Во время работы установки нельзя руками трогать жидкость или очищаемую деталь. Если такое необходимо сделать, то обязательно на руках должны быть резиновые перчатки.
4. Без жидкости в ванночке работать с установкой нельзя. Собранные ультразвуковые ванны своими руками имеют открытый ферритовый стержень, который сам по себе очень хрупкий. При отсутствии рабочей среды ферритовый стержень просто разлетится на куски. В этом случае можно пострадать и от осколков, и от поражения электрическим током.
5. Если проводится чистка мелких изделий, то их лучше всего поместить в ванночку в стакане с чистящей жидкостью, а саму ёмкость заполнить простой водопроводной водой.

Ванна для ультразвуковой очистки

12.09.2016 Электронная техника

Вряд ли данный ролик возможно выяснить как рекламу китайского товара, обзор занимательный потому, что на протяжении ролика изучим данный прибор, осознаем как трудится, какие конкретно изюминкой схемы и сделаем тесты. Продается ванна, которая превосходно справляется с работой ультразвуковой чистки ювелирных и других изделий, недорого в этом китайском магазине. Плагин на Google Хром для экономии в нём: 7 процентов с приобретений возвращается вам.

Это миниатюрная ультразвуковая ванна для очистки всякой всячины, к примеру, ювелирных украшений, печатных плат, столовых устройств и др. Ванна достаточно компактная. Стоит всего 26 долларов.

Очень востребовано у людей, каковые занимаются ремонтом сотовых телефонов. Корпус всецело пластиковый, не считая крышку и ванну. Они из нержавейки.

Простенькая панель управления. 3 кнопки, 2 индикатора. Повер — Включение.

Двумя кнопками возможно выставить мощность 30 либо 50 ватт, и выставить время работы в случае каждого диапазона мощности.

Индикатор кнопки повер горит неизменно. в случае если ванна включена. Остальные два индикатора показывают определенный режим работы.

Вместимость всего 600 миллилитров. Для плат ювелирных украшений и мобильников больше не требуется. Имеется материал, как пользоваться DADI DA-968.

Для разборки необходимо открутить всего четыре самореза снизу и приобретаем вольный доступ к начинке. Плата также укреплена 4 на саморезами на самом дне конструкции. Все откручиваем, дабы подробно изучить схем Кидается в глаза громадной пьезоизлучатель.

Это ультразвуковая очистка.

Это обычный электронной трансформатор. Все легко и ясно, при поломке возможно починить практически без затрат. Схема для того чтобы рода не имеет никаких защит.

Но под стабильную нагрузку трудится продолжительно и без поломок.

Сходу кидается в глаза трансформатор. Маленькая колечко в действительности имеется он, лишь делает чуть иную функцию. Это трансформатор обратной связи с тремя обмотками, две из них являются задающими для транзисторов, а третья — обмотка обратной связи.

Силовые транзисторы высоковольтные, обратной проводимости. Установлены на радиаторы. Схема из себя является автогенераторный полумостовой преобразователь. Низковольтная часть, а правильнее, мозги, питаются от отдельного напряжения. Для этих целей организовано бестрансформаторная схема с гасящим конденсатором. Питание по окончании диодного моста сглаживается, после этого стабилизируется.

Сперва стабилитроном, а после этого линейным стабилизатором на 5 вольт. И только затем подается на схему управления. От этого же источника берется напряжение для питания реле.

Переключение мощности организовано легко. При мощности в 30 ватт реле подает на вход схемы напряжение, которое в 2 раза ниже сетевого. На плате управления установлен управляющий микроконтроллер, конопки, пара и индикаторы транзисторов, каковые руководят реле.

Таймер. При мощности 30 ватт время работы ванной возможно выставить до 60 мин. при мощности 50 ватт до 30 мин..

Тест ультразвуковой ванны

Соберем ванну обратно и начнем тесты. Первый тест именуется фольга и ультразвук. Для чистки различных вещей применяют различные растворы.

Потому, что мы собираются лишь протестировать ванну, зальев в нее простую водопроводную воду и закинем в том направлении кусочек алюминиевой фольги. Мощность ванной выставим 30 ватт, время работы 5 мин..

Сейчас то же, мощность на этот раз 50 ватт. При большой мощности фольга пострадала куда больше, потому обратно окунем фольгу, а таймер на 15 мин..

Пришла очередь ювелирных украшений. Время выставим около 10 мин.. Не идеально, но повторные процессы смогут улучшить итог.

Для более действенной очистки необходимо применять промывочную жидкость, средство для мытья посуды. Кое-какие кроме того применяют медицинский спирт, ацетон а также бензин.

Вердикт.

В принципе, не нехорошая вещь. Радует цена. Уровень качества сборки так себе. Нареканий нет, но низкая стоимость чувствуется.

Порадовало простое управление.

Случайные записи:

Самодельная ультразвуковая ванна

Похожие статьи, которые вам понравятся:

Новотех-ЭКО :: Ультразвуковые ванны

Ультразвуковая очистка — современный передовой способ очистки поверхностей твёрдых тел. Технология основана на эффектах, возникающих в жидкости под действием мощных ультразвуковых колебаний. Главный из этих эффектов — кавитация, то есть образование многочисленных микроскопических пузырьков, которые, схлопываясь и пульсируя, разрушают загрязнения. Благодаря тому, что возникающие пузырьки очень малы и распространяются по всему объёму, такой способ позволяет удалять сложные загрязнения из самых труднодоступных мест.

Кроме того, возникающие акустические течения способствуют перемешиванию растворённых и взвешенных веществ, тем самым ускоряя физико-химические процессы.

Компания «Новотех-ЭКО» производит серию функциональных, надёжных и простых в использовании ультразвуковых ванн.

Ванны «Новотех-ЭКО» могут быть использованы для очистки изделий любой сложности в машиностроительной, металлургической, электронной промышленности, в полупроводниковой технике и в приборостроении для очистки прецизионных деталей точных приборов, часов и ювелирных изделий, интегральных схем, металлокерамических фильтров, металлургического проката и др. Ультразвуковые ванны могут быть с успехом применены в лабораториях при проведении аналитических и научных работ для дегазации жидкостей, для ускоренного растворения веществ,

приготовления мелкодисперсных эмульсий и суспензий, в том числе для смешивания несмешиваемых в обычных условиях веществ, для ускорения химических реакций.

Специально для лабораторий мы разработали ультразвуковые ванны со встроенными ультрафиолетовыми лампами.

Модельный ряд ультразвуковых ванн «Новотех-ЭКО» насчитывает сорок типоразмеров ёмкостей — от 0,7 до 37 литров — и три варианта исполнения: простой, с нагревом и с нагревом и ультрафиолетом. Всего больше ста моделей.

Все ванны оборудованы высокоэффективными ультразвуковыми преобразователями собственного производства. Надёжность и долговечность обеспечивается особым способом их крепления к ёмкостям ванн. В ваннах «Новотех-ЭКО» применяются ультразвуковые генераторы и контроллеры собственной разработки. Электроника имеет несколько степеней защиты от перепадов напряжения. Генераторы имеют функцию автоподстройки рабочей частоты. В результате ультразвуковые ванны работают стабильно и надежно в течение длительного времени.

Ванны имеют понятный дружественный интерфейс в виде панели с кнопками и индикаторами времени и температуры.

Ёмкости ванн изготовлены из качественной нержавеющей стали толщиной 1,5 мм, устойчивой к кавитации. Никаких тонкостенных штампованных ёмкостей! Только честный толстый, долговечный металл!

Все ванны оснащены съемными крышками и корзинками для загрузки очищаемых изделий. Начиная с серии 1514, ванны оснащены сливными кранами. Крышки, корзинки и краны — также из нержавеющей стали. Все ванны оснащены электронным таймером, отсчитывающим время работы, которое можно задать в пределах от 1 до 99 минут.

Ванны в исполнении с нагревом имеют три режима работы:

1. Без нагрева. Запуск ультразвука нажатием кнопки на панели. Остановка по таймеру. Температура не регулируется.

2. Полуавтоматический. Запуск ультразвука нажатием кнопки на панели. Остановка по таймеру. Автоматический подогрев и поддержание заданной температуры.

3. Автоматический. Запуск ультразвука при достижении заданной температуры. Остановка по таймеру. Автоматическое отключение ультразвука при снижении температуры ниже заданной с последующим автоматическим включением при нагреве раствора. В первые 10 секунд работы ультразвука автоматически включается режим дегазации.

Все ванны автоматически отключаются после 12 часов простоя.

Название ультразвуковой ванны при заказе:

UZV-X.Y-T-UV

где: UZV — ультразвуковая ванна;

X — номер серии определяемый размерами дна рабочей емкости в сантиметрах;

Y — глубина емкости;

T — наличие подогрева;

UV — наличие ультрафиолета.

Пример названия: UZV-3014.3-T — ультразвуковая ванна, размер рабочей емкости 300×140×150 мм с подогревом без ультрафиолета

Если по каким-то причинам не удалось подобрать подходящую под ваши условия ультразвуковую ванну, мы готовы ее изготовить по вашему техническому заданию. Примеры нестандартных ультразвуковых ванн нашего производства можно посмотреть в разделе нестандартные ультразвуковые ванны.

Все ванны оснащены крышками из нержавеющей стали и корзинками для загрузки очищаемых изделий.

Скачать актуальный: Прайс на 09.01.2020

Ультразвуковая ванна TDR-TM30-2 30Вт 1л

В связи с празднованием Дня Города 28.07.18, магазин будет работать для 
покупателей до 18:40

с пн-пт с 9.00 до 20.00.В 
сб с 10-20,вск с 10-19.

Установки для ультразвуковой очистки деталей

Ультразвук применяют для мойки деталей и узлов различной техники, сварки различных материалов. Ультразвук используют для получения суспензий, жидких аэрозолей и эмульсий. Для получения эмульсий выпускают, например, смеситель-эмульгатор УГС-10 и другие аппараты. Методы, основанные на отражении ультразвуковых волн от границы раздела двух сред, применяют в приборах для гидролокализации, дефектоскопии, медицинской диагностики и т. п. Из других возможностей ультразвука следует отметить его способность обработки твердых …

Применение ультразвука

Ультразвук применяют для мойки деталей и узлов различной техники, сварки различных материалов. Ультразвук используют для получения суспензий, жидких аэрозолей и эмульсий. Для получения эмульсий выпускают, например, смеситель-эмульгатор УГС-10 и другие аппараты. Методы, основанные на отражении ультразвуковых волн от границы раздела двух сред, применяют в приборах для гидролокализации, дефектоскопии, медицинской диагностики и т. п.

Из других возможностей ультразвука следует отметить его способность обработки твердых хрупких материалов под заданный размер. В частности, весьма эффективна ультразвуковая обработка при изготовлении деталей и отверстий сложной формы в таких изделиях, как стекло, керамика, алмаз, германий, кремний и др., обработка которых другими методами затруднена.

Применение ультразвука при восстановлении изношенных деталей уменьшает пористость наплавляемого металла и увеличивает его прочность. Кроме того, снижается коробление наплавленных удлиненных деталей, например коленчатых валов двигателей.

Ультразвуковая очистка деталей

Ультразвуковую очистку деталей или предметов применяют перед ремонтом, сборкой, окраской, хромированием и другими операциями. Особенно эффективно ее применение для очистки деталей, имеющих сложную форму и труднодоступные места в виде узких щелей, прорезей, мелких отверстий и т. п.

Промышленность выпускает большое число установок для ультразвуковой очистки, различающихся конструктивными особенностями, вместимостью ванн и мощностью, например транзисторные: УЗУ-0,25 с выходной мощностью 0,25 кВт, УЗГ-10-1,6 с мощностью 1,6 кВт и др., тиристорные УЗГ-2-4 с выходной мощностью 4 кВт и УЗГ-1-10/22 с мощностью 10 кВт. Рабочая частота установок — 18 и 22 кГц.

Ультразвуковая установка УЗУ-0,25 предназначена для очистки мелких деталей. Она состоит из ультразвукового генератора и ультразвуковой ванны.

Технические данные ультразвуковой установки УЗУ-0,25

• Частота сети — 50 Гц

• Мощность, потребляемая от сети — не более 0,45 кВа

• Частота рабочая — 18 кГц

• Мощность выходная — 0,25 кВт

• Внутренние габариты рабочей ванны — 200 х 168 мм при глубине 158 мм

На передней панели ультразвукового генератора размещены тумблер включения генератора и лампа, сигнализирующая о наличии напряжения питания.

На задней стенке шасси генератора находятся: патрон для предохранителя и два штепсельных разъема, посредством которых генератор соединяется с ультразвуковой ванной и питающей сетью, клемма для заземления генератора.

В дно ультразвуковой ванны вмонтированы три пакетных пьезоэлектрических преобразователя. Пакет одного преобразователя состоит из двух пьезоэлектрических пластин из материала ЦТС-19 (цирконат-титанат свинца), двух частотно-понижающих накладок и центрального стержня из нержавеющей стали, головка которого является излучающим элементом преобразователя.

На кожухе ванны расположены: штуцер, ручка крана с надписью «Слив», клемма для заземления ванны и штепсельный разъем для соединения с генератором.

На рисунке 1 показана принципиальная электрическая схема ультразвуковой установки УЗУ-0,25.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема ультразвуковой установки УЗУ-0,25

Первая ступень представляет собой задающий генератор, работающий на транзисторе VT1 по схеме с индуктивной обратной связью и колебательным контуром.

Электрические колебания ультразвуковой частоты 18 кГц, возникающие в задающем генераторе, подаются на вход предварительного усилителя мощности.

Предварительный усилитель мощности состоит из двух ступеней, одна из которых собрана на транзисторах VT2, VT3, вторая — на транзисторах VT4, VT5. Обе ступени предварительного усиления мощности собраны по последовательно-двухтактной схеме, работающей в режиме переключения. Ключевой режим работы транзисторов позволяет получить при достаточно большой мощности высокий КПД.

Цепи баз транзисторов VT2, VT3. VT4, VT5 подключены к отдельным, включенным встречно обмоткам трансформаторов TV1 и TV2. Это обеспечивает двухтактную работу транзисторов, то есть поочередное включение.

Автоматическое смещение этих транзисторов обеспечивается резисторами R3 — R6 и конденсаторами С6, С7 и С10, С11, включенными в цепь базы каждого транзистора.

Переменное напряжение возбуждения подается на базу через конденсаторы С6, С7 и С10, С11, а постоянная составляющая базового тока, проходя через резисторы R3 — R6, создает на них падение напряжения, обеспечивающее надежное закрывание и открывание транзисторов.

Четвертая ступень — усилитель мощности. Он состоит из трех двухтактных ячеек на транзисторах VT6 — VT11, работающих в режиме переключения. Напряжение от предварительного усилителя мощности подается на каждый транзистор с отдельной обмотки трансформатора ТVЗ, причем в каждой ячейке эти напряжения противофазны. С транзисторных ячеек переменное напряжение подается на три обмотки трансформатора TV4, где происходит сложение мощности.

С выходного трансформатора напряжение подается на пьезоэлектрические преобразователи АА1, АА2иААЗ.

Так как транзисторы работают в режиме переключения, то выходное напряжение, содержащее гармоники, имеет прямоугольную форму. Для выделения первой гармоники напряжения на преобразователях к выходной обмотке трансформатора TV4 последовательно с преобразователями включена катушка L, индуктивность которой рассчитана таким образом, что с собственной емкостью преобразователей она составляет колебательный контур, настроенный на 1-ю гармонику напряжения. Это позволяет получить на нагрузке синусоидальное напряжение, не меняя энергетически выгодного режима транзисторов.

Питание установки осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В с частотой 50 Гц с помощью силового трансформатора TV5, имеющего первичную обмотку и три вторичные, одна из которых служит для питания задающего генератора, а две другие служат для питания остальных ступеней.

Питание задающего генератора осуществляется от выпрямителя, собранного по двухпериодной схеме с нулевой точкой (диоды VD1 и VD2).

Питание предварительных ступеней усиления осуществляется от выпрямителя, собранного по мостовой схеме (диоды VD3 — VD6). Вторая мостовая схема на диодах VD7 — VD10 питает усилитель мощности.

В зависимости от характера загрязнения и материалов следует выбрать моющую среду. В случае отсутствия тринатрийфосфата для очистки стальных деталей может быть использована кальцинированная сода.

Время очистки в ультразвуковой ванне колеблется от 0,5 до 3 мин. Максимально допустимая температура моющей среды — 90 ^оС.

Перед сменой моющей жидкости генератор следует выключить, не допуская работы преобразователей без жидкости в ванне.

Очистку деталей в ультразвуковой ванне осуществляют в следующей последовательности: тумблер питания ставят в положение «Выкл.», сливной кран ванны — в положение «Закрыто», в ультразвуковую ванну заливают моющую среду до уровня 120 — 130 мм, вилку питающего кабеля включают в розетку электрической сети напряжением 220 В.

Проводят опробование установки: включают тумблер в положение «Вкл.», при этом должна загореться сигнальная лампа и появиться рабочий звук кавитирующей жидкости. О появлении кавитации можно судить также по образованию на преобразователях ванны мельчайших подвижных пузырьков.

После опробования установки ее следует отключить от сети, загрузить в ванну загрязненные детали и начать обработку.

10.12.2016 Без рубрики

Без колебания о колебаниях

18 Марта 2018

Автор статьи инженер-технолог компании «Диполь», к.х.н. Татьяна Кузнецова

Использование ультразвука в процессе отмывки

Успех выполнения процесса отмывки в электронике зависит от огромного количества составляющих. И немалый вклад в положительный результат вносит оборудование. Причиной этого является наличие в оборудовании агитации — воздействия, которое ускоряет и увеличивает эффективность операции отмывки. Основным видом агитации при отмывке погружением считается ультразвук. Очень часто в своей практике я вижу принципиально разные отношения к ультразвуку: одни специалисты считают, что ультразвук моет все и это самый лучший вид агитации, другие уверены, что ультразвук портит все и использовать его категорически нельзя. Но, как обычно, истина где-то посередине, и тому, где именно ее искать, и посвящена эта статья.

Ну и начнем мы с обсуждения того, что же такое ультразвук

Ультразвук — звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемых человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20 кГц. По физической природе ультразвукпредставляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и УЗ-волнами условна.

Главное, что нам надо понять, что ультразвуковые колебания перемещаются в виде волны и, по сути, к ним применимы все те законы, что мы с Вами учили в курсе оптики. Но в отличие от световых волн ультразвук распространяется в упругой среде (это в первую очередь жидкости и твердые тела) в вакууме ультразвук не распространяется (так как по сути передача ультразвука — это смещение частиц вещества под действием УЗ излучения и так как в вакууме вещества нет, а в газах его очень мало, то условно считаем, что там ультразвук не распространяется). Колебания, вызываемые источником ультразвука, вызывают смещение среды в направлении перпендикулярном движению волны (рис.1).

Если наполнить ультразвуковую ванночку чистой водой и включить ультразвук мы можем визуально увидеть круги, расходящиеся по воде (рис. 2).

Рис. 1. Смещение среды вследствие колебаний, вызываемых источником ультразвука

Рис. 2. Воздействие ультразвука на воду в ультразвуковой ванночке

В однородной среде ультразвук распространяется прямолинейно и равномерно; на границе двух сред он будет отражаться, преломляться и рассеиваться; а также будет затухать на определенной длине от источника и поглощаться средой, превращаясь в тепло. Также, колебания ультразвука могут вызывать резонанс, что является причиной повреждения кварцевых генераторов, частота которых близка к частоте колебаний ультразвука (а именно часовых кварцев с частотой 32,768 кГц). Тут же сразу хочется оговорится, что частота используемого в целях отмывки ультразвука лежит в области 25-45 кГц и никак не может вступать в резонанс с мегагерцовыми колебаниями, а все остальные резонаторы, за исключением часовых кварцев, работают именно в Мегагерцовом диапазоне). Т.е. те резонаторы, чья частота далека от 25-45 кГц никак не повреждаются ультразвуком, если конечно их корпус выдерживает отмывку (рис. 3).

Рис. 3. Воздействие ультразвука на резонаторы: а) мегагерцевый резонатор не повреждается ультразвуком; б) часовые кварцы могут повреждаться при использовании частоты ультразвука 35 кГц, но не будут повреждаться при 40 или 25 кГц

Встретив препятствие, ультразвук либо обогнет его (если размеры препятствия существенно меньше длины волны), либо отразится от препятствия (если размеры сопоставимы или больше длины волны). Для частоты 35 кГц длина волны УЗ волн в воде будет порядка 4.2 см (вычислено по формуле λ=с/f, при помощи данных о скорости УЗ в воде – 1480 м/с, взятых из [3]).Таким образом,от крупных компонентов, лежащих на дне ванне изделий и т.п., ультразвук будет отражаться, а вот мелкие загрязнения в растворе, и мелкие компоненты для волны препятствием являться не будут, т.е. очистка будет происходить и под ними. Также из вышенаписанного следует, что для обеспечения прохождения волны, изделия в ультразвуковую ванну следует помещать вертикально, причем категорически нельзя использовать корзины, дно которых закрыто, толщина сетки которых больше 5мм, а также нельзя класть платы параллельно излучателю (все это относится к большинству оборудования, у которого излучатели располагаются на дне ванны либо сам корпус является резонатором). Возможно, если класть изделия навалом на дно, то их помещается больше, возможно высота ванночки меньше высоты платы, но все это не отменяет того, что Вы таким образом вместо отмывки просто портите свою ванну (рис. 4).

Рис. 4. Помещение изделий в ультразвуковую ванну: а) правильно; б) неправильно

В продолжение разговора о корзинах, надо добавить, что «правильная» корзина никогда не стоит на дне ванны, она стоит на ножках на высоте 15-30 мм над дном, причем так, чтобы ножки не попадали на излучатели. Нахождение посторонних предметов на излучателях вызывает избыточный шум, неправильную работу и в конечном итоге порчу излучателей.

Так что же происходит в УЗ ванне?Если говорить простыми словами, то под действием ультразвука частички жидкости двигаются вправо-влево, образуя разрывы, в которых пустота (вакуум), а также пары жидкости и области, где этот разрыв схлопывается с достаточно большой силой. Т. е. по ходу движения волны в первой фазе, фазе разрыва, жидкость расходится, а во второй фазе при схлопывании возникает локальное повышение давления и температуры. Такое явление называется «кавитация». Кавитационные пузырьки возникают преимущественно в граничных поверхностях между жидкостью и очищаемыми изделиями, так как дефекты поверхности и загрязнения в растворе способствуют разрыву жидкости. И собственно то механическое очищающее действие, которое оказывает ультразвук, осуществляется по большей части за счет этого явления, которое является механическим воздействием на очищаемое изделие. Надо понимать, что такое явление выражено тем сильнее, чем меньше частота (количество колебаний в единицу времени), так как размер пузырька с уменьшением длины волны и увеличением частоты будет сильно падать (он примерно равен 1/6πλ3 и значит, при уменьшении длины волны в 2 раза уменьшится в 8 раз).

Рис. 5. Фазы разрыва и схлопывания жидкости

Описанное явление кавитации происходит только при определенной мощности, которая зависит от частоты ультразвука и применяемой жидкости. Для воды в низкочастотном диапазоне при атмосферном давлении – это 300-1000 Вт/л. Сравнивая эти цифры, с цифрами из таблицы 1, можно сделать вывод, что при отмывке электроники кавитации не происходит. А что же еще нам дает эффективную отмывку?Как было отмечено выше – скорость ультразвука в воде 1480 м/с (1,5 км в секунду!!!) и если на пути его встречается препятствие, то при его огибании возникают акустические течения. Природа акустических течений объясняется законом сохранения импульса. Звуковая волна, проходящая через среду, несёт в себе импульс, который постепенно передаётся частицам среды, вызывая их упорядоченное движение. Такие течения способны «отколотить» препятствие, если оно плохо держится на поверхности и ускорить процесс растворения растворимых загрязнений на поверхности. Также свой вклад вносит звуковое давление, создающее периодические импульсы на границе отмывочной среды и препятствия.

Таблица 1

Рекомендуемые для очистки электроники частоты лежат в диапазоне 30-45 кГц (больше не эффективно, меньше слишком разрушительно). Стоит также отметить, что не желательно включать ультразвук совместно с барботажем, потому что иначе у нас вместо областей вакуума, будут области с воздухом, на сжатие которого будет тратится наша механическая энергия. Никакой нормальной очистки при этом происходить не будет, а вот перегрев жидкости гарантирован.

Очень часто в рекламе оборудования мы можем увидеть, что воздух в жидкости мешает работать ультразвуку, поэтому «покупайте у нас оборудование с функции дегазации». Гнаться за кнопкой Degas не надо,дегазация выполнится сама собой, если мы просто включим ванночку с ультразвуком минут на 10-20 до начала работы.

В стандарте IPC-СН-65 написано, что наибольшая эффективность ультразвука достигается в водных растворах и при температурах от 40 до 75 градусов. Но объяснения почему именно так, нет, хотя, на мой взгляд, это объяснение примитивно просто. Если вновь мы обратимся к рис. 5 и вспомним, что ультразвук вызывает колебания жидкости и в результате этих колебаний происходит образование и схлопывание полостей, то нам станет понятно, что наиболее легко раздвигаться и схлопываться будут наиболее плотные и наименее вязкие жидкости. А если обратится к справочникам, то можно увидеть, что наиболее плотной и наименее вязкой средой является вода и водные растворы. Для того, чтобы понять почему рекомендуют использовать ультразвук при температурах выше 45 мы посмотрим на рис 6. Как мы видим, после температуры 40 градусов, вязкость всех показанных на рисунке веществ падает и становится меньше 1.5 мПа/с, т. е. все растворители при такой температуре становятся маловязкими, а плотность их все еще достаточно велика. (Например для воды плотность при 20°С – 999,2 кг/м3, а при 50°С – 988 кг/м3).

Рис. 6. Зависимость вязкости веществ от температуры

Также коротко остановимся на мощности ультразвуковой ванны. Обратим внимание, что для разных объемов и разных генераторов мы видим разные цифры удельной мощности (таблица 1), причем видно, что тем больше объем ванны, тем меньше значение мощности в Вт/л, рекомендуемой для отмывки. Это связано с тем, что не вся энергия уходит на создание колебаний в жидкости, и чем больше ванна тем выше КПД передачи мощности в жидкость.

После того, как небольшой экскурс в физику явления мы сделали, надо бы ответить на вопрос: а что же мы реально можно повредить ультразвуком и как это проверить?

Следует сразу обозначить ряд элементов, которые могут быть повреждены при отмывке ультразвуком:

• реле за счет «залипания» контактов;
• предохранители в стеклянном корпусе;
• часовые кварцы, при использовании частоты 35 кГц;
• «советские» микросхемы в металлическом корпусе.

Что касается последних, то именно из-за них бытует мнение, что никакие микросхемы нельзя мыть в ультразвуке, но это совсем не соответствует действительности. Лет 40 назад «в те далекие времена, когда компьютеры были большими, а программы меленькими», микросхемы делались так: на подложку помещался кристалл, разваривали его золотыми проводками к «ногам» микросхемы и одевали металлический кожух.(рис. 7) Именно эти микросхемы боялись и продолжают бояться ультразвука, потому что вибрации ультразвука, передаваясь на корпус микросхемы повреждают эти самые тонкие золотые разварки, действуя на них, подобно пальцам гитариста на струны гитары.

Но с тех пор изменился не только размер компьютеров и программ для них, изменился и подход к корпусированию. Теперь большиснство схем, особенно импортного производства,заливается компаундом, делающим разварки неподвижными, а во многих микросхемах исчезли и разварки как таковые. Поэтому прежде чем начать бояться мыть микросхему в ультразвуке есть смысл внимательно посмотреть на нее и на ее даташит, в котором как правило есть раздел Cleaning – очень рекомендую читать этот раздел заранее, в нем бывает много неприятных неожиданностей, связанных отнюдь не только с ультразвуком. Если же у Вас остались сомнения, то в стандарте IPC-TM-650 тест 2.6.9.2. описана следующая процедура проверки: налить в УЗ ванну, работающую на частоте примерно 40 кГц и с мощностью УЗ как в таблице 1 деионизованную воду (причина использования воды, как тестовой жидкости уже обсуждалась выше), нагреть до 60°С, включить ультразвук на примерно 15 минут для дегазации жидкости, после чегов корзину положить статистически достоверное количество каждого типа микросхем, устойчивость которых к ультразвуку мы хотим проверить (не забываем, что один и два статистически достоверным количеством не является) и включить ультразвук.Время воздействия ультразвука выбирается как предполагаемое время воздействия в процессе отмывки х10 (т.е. если мы полагаем что время отмывки будет 5 минут, мы помещаем микросхемы в ванну с УЗ на 50 минут.

По окончании теста вынимаем микросхемы, сушим, осматриваем на предмет визуальных повреждений и проводим функциональный тест. По результатам этого теста и принимается решение о «мыть или не мыть».

Оборудование для ультразвуковой очистки от Greco

Ультразвуковая очистка Системы

резервуары для ультразвуковой очистки

индивидуальное уборочное оборудование, разработанное с учетом индивидуальных требований наших клиентов к уборке.

Мы также предлагаем оборудование для очистки промывочной воды, которое закроет цикл ваших ополаскивающих станций и обеспечит чистую деионизированную воду для последнего ополаскивания.

Наши системы транспортировки материалов могут быть сконфигурированы для ручного, полуавтоматического или программируемого конфигурирования.

Требуется ли вам простой

ультразвуковой очиститель

Емкости для ультразвуковой очистки

Полный процесс очистки

В большинстве случаев очистки требуется ополаскивание детали. и высыхает после очистки. Это может быть выполнено с помощью индивидуальные системы ополаскивания и сушки или в комплексной очистке скамейка.

Отдельно стоящие станции:

Ультразвуковые очистители отдельно стоящие

сушилки горячим воздухом

Консолидированная конструкция скамейки: Уборочные столы компании Greco Brothers обладают рядом преимуществ по сравнению с отдельными станциями. Уборка, станции ополаскивания и сушки встроены в раму из нержавеющей стали и подключен к общей электрической панели, так что электрическая часть установки сводится к одному подключению.Все электрические компоненты подключены к утопленной панели управления на передней панели скамейка. Вода входы и выходы на каждой станции подключены к общему питанию и дренажные коллекторы для дальнейшего упрощения установки. Панели доступа на передней части скамейки упрощают выполнение повседневных работ по техническому обслуживанию, а съемная столешница из нержавеющей стали с каплозащитной кромкой упростит замену бака, если она когда-либо понадобится.

Скамейки по индивидуальному заказу: В дополнение к стандартным моделей, перечисленных выше, наши Консоли для уборки могут быть изготовлен по индивидуальному заказу и включает только очистку, ополаскивание и сушку станций, необходимых вашему процессу.Они могут быть сконструированы с рабочими станциями, размер и конфигурация которых соответствуют вашим конкретным требованиям. Так что, если стандартная система не подходит, звоните. Вы будете удивлены тем, насколько экономичной может быть индивидуальная система очистки.

Анализ ультразвукового источника питания eBay | Детали

Сводка

1) Платы питания ультразвукового преобразователя, которые можно найти на eBay, — это, мм… не подходит для использования хакерами.

2) Несмотря на осторожность, удалось сжечь одну.

3) Видимо, заставить их работать тоже никому не удавалось.

4) Я полный трус, когда дело касается высоковольтных измерений.

Hackaday Fail

Для проекта я изначально планировал построить и описать два типа ультразвуковых экспериментальных комплектов: «простой» блок на основе платы источника питания eBay с реле времени, который было бы просто купить и собрать, и «разработанный» блок питания с регулируемой мощностью и микропроцессорным управлением.

С тех пор я поигрался с платой ультразвукового источника питания, поставляемой с моим датчиком, и пришел к выводу, что они бесполезны для хакерских целей. Вдобавок мне удалось сжечь одного, несмотря на осторожность.

Мое объяснение того, почему эти платы так легко перегорают, приводится ниже, после некоторой справочной информации о настроенных схемах.

(NB: извиняюсь за большие изображения — система http://hackaday.io не сохраняет размер изображения должным образом. Он выглядит хорошо при редактировании, но после публикации изображения возвращаются к «полному размеру».»)

Питание резонансного контура

Как упоминалось в предыдущем посте, ультразвуковой преобразователь фактически представляет собой последовательный резонансный LC-контур: электроды с пьезопластиной образуют конденсатор, а резонирующая масса действует как индуктивность.

Так как преобразователь представляет собой LC-цепь, он представляет разные импедансы управляющей цепи на разных частотах. На своей резонансной частоте (28 кГц) он будет иметь нагрузку 25 Ом, и при отклонении от резонанса он будет выглядеть как 1000.А управление устройством на промежуточной частоте приведет к тому, что сопротивление будет где-то между крайними значениями.

(Высокие пики на графике — это параллельные резонансные моды, которых следует избегать. Большая часть нерезонансных областей составляет около 1000 Ом.)

Преобразователи eBay рассчитаны на 100 Вт, поэтому следующий вопрос: «Какой уровень напряжения привода необходим, чтобы через устройство протолкнуть 100 Вт?»

Мощность представляет собой квадрат напряжения, деленный на сопротивление, которое в данном случае является сопротивлением управляющему напряжению переменного тока, поэтому необходимое напряжение зависит от частоты возбуждения:

Настроенные рупоры и ванны для очистки

В большинстве ультразвуковых приложений используется металлический рожок, прикрепленный к преобразователю, чтобы фокусировать энергию на небольшой площади, в зависимости от области применения.Рупор вибрирует на собственной резонансной частоте, поэтому резонансная частота всей системы (преобразователь + рупор) представляет собой сочетание двух. Обычно рупор делают очень длинным и «обрезают» его в соответствии с резонансом преобразователя.

Ультразвуковой очиститель подключает датчик непосредственно к металлической камере ванны, где ультразвуковая энергия сильно отражается.

1) Камера квадратная, со скругленными углами

2) Вы не знаете заранее, сколько жидкости в камере

3) Вы не знаете плотность жидкости (это может быть не чистая вода)

4) Вы не знаете, что и сколько вещей находится в воде для очистки.

Из-за этого ванна для очистки никогда не будет находиться в резком резонансе, как это было бы с настроенным рупором. Система ультразвуковой очистки должна во всех случаях обеспечивать высокий импеданс управляющей цепи.

Описание драйвера ультразвукового преобразователя eBay

Вот полная схема платы драйвера eBay.

Вход 120 В выпрямляется (плохо) до 160 В, затем делится на сбалансированный +/- 80 В с помощью C3 / C4. Один конец первичной обмотки T1 удерживается на общей средней точке, в то время как Q1 и Q2 поочередно переключают другой конец на высокий (+80 вольт) и низкий (-80 вольт).Вторичная обмотка T1 усиливает это напряжение, а T2 действует как грубый фильтр для выходного сигнала. Обратите внимание, что T2 используется только в качестве индуктора — первичная обмотка закорочена и заземлена, чтобы она не генерировала какое-либо напряжение.

Колебания преобразователя улавливаются L1-1 и передаются в Q1 и Q2 через L1-3 и L1-2. Когда Q1 включает датчик, обратная связь от L1 в конечном итоге отключит его, а Q2 включит, чтобы преобразователь запитался в другом направлении. Когда Q2 включает датчик, обратная связь от L1 в конечном итоге выключает * его *, а Q1 снова включается.

Выходное напряжение на T1 примерно в 4 раза больше входного напряжения от выпрямителя / разветвителя (как осторожно измерено с помощью вариатора). При полном переменном напряжении 80 вольт превращаются в 320 вольт на выходе, что примерно подходит для нерезонансной системы.

Я считаю, что это разновидность генератора Ройера. Система найдет и сохранит резонансную частоту «преобразователь плюс система», какой бы она ни была.

Проблемы со схемой eBay

1) Она легко выгорает

Самая большая проблема с схемой eBay заключается в том, что она имеет тенденцию выгорать.

Ссылаясь на приведенные выше вычисления, схема генерирует напряжение, подходящее для довольно высокого импеданса. Голый преобразователь (ничего не прикрепленный) будет представлять собой тщательно настроенную схему с низким импедансом, потребляющую примерно в 6 раз больше тока, чем ожидают транзисторы. Транзисторы перегорают за несколько секунд (например, за три секунды).

(Кстати, вот почему в руководствах по ультразвуковой очистке предупреждают о работе с небольшим количеством жидкости или без нее. Например, в руководстве пользователя ультразвуковой очистки Брэнсона есть зловещее: «Не позволяйте раствору опускаться более чем на 3/8 дюйма ниже линия рабочего уровня с включенным обогревом или ультразвуком.Несоблюдение этих требований может привести к повреждению преобразователя и / или нагревателя и аннулированию гарантии. «)

2) Сгенерированная форма волны некачественная

Форма выходного сигнала далеко не синусоида.

Глядя на схему, Обратите внимание, что переменный ток выпрямляется, но не сглаживается. Без конденсаторов фильтра в источнике питания система переключает бодрый переменный ток с частотой 29 кГц через высокочастотный трансформатор SMPS. щебень больше отскакивает, но это плохо для домашней лаборатории.

3) Нет хорошего способа отрегулировать мощность.

Возможно, вы могли бы запустить плату от вариатора, одновременно измеряя ток, но это требует больших усилий. Кроме того, если система по какой-либо причине выйдет из строя (например, нагревается датчик), мощность упадет, и если вы отрегулируете мощность, и система вернется в строй, вы рискуете сжечь свою плату.

Это много хлопот, и вам нужно постоянно следить за этим.

Кроме того, вариак не имеет большого разрешения при 1/6 полной шкалы, и неясно, будет ли схема обратной связи работать даже при таком низком напряжении.

4) Цепь практически невозможно измерить

Зонд осциллографа практически в любом месте изменит поведение цепи в плохом смысле.

На прощание

Насколько я могу судить, никто не размещал на YouTube видео, демонстрирующее самодельный ультразвуковой очиститель. (Есть несколько постов, в которых используются моторы и орбитальные шлифовальные машины, но ни один из них не является одновременно самодельным и фактически ультразвуковым.)

Кроме того, эта ссылка предполагает, что * никто * не смог успешно изготовить самодельный ультразвуковой очиститель.Этот инструктаж — единственный настоящий домашний ультразвуковой очиститель, который я смог найти, и он использует профессиональную доску за 200 долларов (а не плату eBay) * и * в процессе * сжег одну.

Я понимаю, что использованные чистящие средства начинаются примерно с 50 долларов на eBay, но все же доступные 100-ваттные ультразвуковые преобразователи имеют хороший хакерский потенциал. Я удивлен, что никто другой не использует их для проектов.

Сейчас я проектирую блок питания на базе ШИМ-контроллера 3525. У них есть вход синхронизации, который можно использовать для подчинения устройства внешним часам.Я думаю, что обратная связь преобразователя может быть использована в качестве этого входа, что сделает систему резонансной.

Ультразвуковые очистители | Ультразвуковые очистители Soltec

Полный список наших ультразвуковых очистителей SONICA®

Ультразвуковая прецизионная очистка — это современный, безопасный, эффективный, самый экономичный и самый быстрый способ эффективного удаления загрязнений и стойких отложений с объектов сложной геометрии. Преимущества ультразвуковой очистки заключаются в глубокой очистке объектов и устранении риска травм или заражения при ручной очистке.

Механизм ультразвуковой очистки состоит из электронного генератора, соединенного с одним или несколькими пьезоэлектрическими преобразователями (в зависимости от модели), которые прикреплены к внешнему основанию резервуара из нержавеющей стали, содержащего очищающую жидкость. Электронный ультразвуковой генератор вырабатывает непрерывный сигнал с частотой около 40 кГц и управляет пьезоэлектрическими преобразователями, которые преобразуют электрический сигнал в механическую вибрацию с частотой 40 000 колебаний в секунду в очищающей жидкости в резервуаре.
Эти колебания давления и вакуума создают огромное количество микропузырьков в очищающей жидкости, которые, схлопываясь в чрезвычайно быстрой последовательности, создают огромную энергию удара между жидким моющим средством и очищаемой поверхностью. Это известно как «кавитация» и обеспечивает эффективный и безопасный метод очистки за меньшее время.
Эта высокая ультразвуковая акустическая энергия удаляет грязь, масло, жир, опилки, мелкие стружки, поверхностную пыль, биопленку, органические вещества и загрязнения различного рода с предметов различной формы, таких как механические детали, шестерни, формы, хирургические инструменты, прецизионные инструменты.
В настоящее время SOLTEC производит более 20 моделей с более чем 50 различными версиями. Каждый компонент ультразвукового очистителя SONICA был разработан и произведен для достижения наилучших результатов в области точной очистки.

Технология системы уборки SONICA®

Новая SONICA S3 содержит все лучшее, что вы можете получить от оборудования для ультразвуковой очистки.

Современный ультразвуковой генератор включает в себя специальный ультразвуковой генератор с использованием технологии Sweep System Technology.

На приведенной ниже диаграмме показана разница между ультразвуковым очистителем для ванны с обычным ультразвуковым генератором энергии (традиционная система) и новым ультразвуковым генератором, оснащенным специальным ультразвуковым генератором с технологией Sweep System Technology.Две системы сравниваются и показывают различное распределение ультразвуковых волн в очищающей жидкости, их осциллограмму и, наконец, практические результаты, полученные на образце алюминия.

Как работает технология Sweep System при ультразвуковой очистке?

С технологией Sweep System выходная частота ультразвукового генератора модулируется вокруг центральной частоты, поэтому ультразвуковые преобразователи смещаются между 39 и 41 кГц.
Sweep System Technology предлагает следующие преимущества:

• Быстрая очистка
• Чистка без повреждений
• Повышенное распределение ультразвуковой энергии, устраняющее стоячие волны
• Улучшенная кавитация
• Облегчить прохождение ультразвуковой волны через проволочную сетку и сложные предметы, подлежащие очистке

Скачать PDF-файл с каталогом ультразвуковых очистителей SONICA® (3Мб)

Магнитный адсорбент двойного гидроксида со слоем Fe 3 O 4 @ Mg / Al для концентрирования металлических следов в водных матрицах

Характеристика нанокомпозита

Дифракция рентгеновских лучей (XRD)

На рис. Нанокомпозит MgAl-LDH, Fe ₃ O _4, и Fe ₃ O ₄ @MgAl LDH.Появление пиков при 2θ 11 (003), 24 (006), 35 (012), 40 (0 15), 47 (018), 62 (110) и 64 (113) на рис. 1а было отнесено к расстояние между слоями Mg – Al-LDH в композите ^7,33,34 . Эти пики такие же, как на рис. 1б. Пики при значениях тета и индексы Миллера (в скобках) 20 (111), 30 (220), 38 (311), 43 (400), 55 (442) и 58 (511) подтверждают включение Fe ₃ O ₄ наночастиц в композите ^31,35 .Подобные пики можно наблюдать для исходных наночастиц Fe ₃ O ₄ . Эти результаты доказали, что приготовленный адсорбент был кристаллическим, и они были аналогичны тем, о которых сообщалось в другом месте ³⁵ .

Рентгенограммы ( a ) магнитного Fe ₃ O ₄ / нанокомпозит MgAl LDH, ( b ) MgAl-LDH.

Морфологические свойства и элементный состав нанокомпозита

Приготовленный магнитный Fe ₃ O ₄ @MgAl LDH был охарактеризован с помощью сканирующего электронного микроскопа / (SEM / EDS) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM) для изучения морфологических свойств а также элементный состав (рис.2а, б). Нанокомпозит Fe ₃ O ₄ @MgAl LDH показывает различные размеры частиц, что позволяет предположить, что адсорбент имеет несколько активных центров сорбции, которые могут привести к более высокой адсорбционной емкости ³⁰ . Спектр EDS (рис. 2c) показывает, что нанокомпозит состоял из Fe (31,58%), Mg (0,97%), Al (3,14%) и O (38,80%), что подтверждает успешный синтез Fe ₃ O ₄ @MgAl LDH адсорбент и C (25,20%), который был из углеродного покрытия.

( a ) SEM (10 мкм) и ( b ) EDS и ( c ) ПЭМ Fe ₃ O ₄ @ Al – Mg LDH.

Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ)

Изотерма адсорбции / десорбции азота и последующее распределение пор по размерам (полученное из изотермы адсорбции / десорбции) для композита Fe ₃ O ₄ @MgAl LDH представлены на рис. 3. Как показано на рис. 3a, кривая имеет отчетливую петлю гистерезиса, которая наблюдалась в диапазоне давлений 0,4–1,0 p / p ₀ , что является типичной изотермой IV типа. Это означало, что полученный композит был мезопористым.Удельная поверхность по БЭТ, объем пор и размер пор (рис. 3b – d) мезопористого композита составляли 143 мкм ² / г, 0,049 см ³ / г и 5,34 нм, соответственно. Площадь поверхности по БЭТ для MgAl LDH и Fe ₃ O ₄ составляла 101 и 36,5 м ² / г, соответственно. Увеличение площади поверхности композита по сравнению с Fe ₃ O ₄ показывает, что магнитный Fe ₃ O ₄ был успешно покрыт MgAl LDH. Эти результаты сопоставимы с литературными данными ^7,24,33 , и они были лучше, чем те, о которых сообщалось в других источниках ^7,31 .Относительно высокая удельная поверхность доказала, что полученный адсорбент подходит для адсорбции следов металлов.

( a ) N ₂ изотерма адсорбции-десорбции, ( b , c ) объем пор с удельной поверхностью и ( d ) размер пор Fe ₃ O ₄ композит @MgAl LDH.

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR)

Метод инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) был использован для оценки функциональных групп, присутствующих на поверхности нанокомпозита Fe ₃ O ₄ @ MgAl-LDH и результатов представлены на рис.4. Широкий пик при 3434 см ^-1 был приписан O – H-растяжению слоев LDH и межслоевых молекул воды ^7,33,36 . Клинок на 1374 см ^-1 был отнесен к валентному колебанию интеркалированного –NH ₃ , полученного при синтезе магнетита. Колебания при 1636 см ⁻¹ , 783 см ⁻¹ и 641 см ⁻¹ были приписаны присутствию ионов CO ₃ ^— в прослойке СДГ ³⁶ . Результаты сопоставимы с литературой ^31,36 .

FTIR-спектры магнитного нанокомпозита Fe ₃ O ₄ / MgAl LDH до и после адсорбции.

Выбор адсорбента

Выбор подходящего и эффективного адсорбента является одним из критических аспектов экстракции и концентрирования следов металлов. Поэтому в данном исследовании сорбционная и экстракционная способность нанокомпозита Fe ₃ O ₄ / MgAl LDH оценивалась в сравнении с адсорбентами Fe ₃ O ₄ и MgAl-LDH.Рисунок 5 демонстрирует, что нанокомпозит Fe ₃ O ₄ / MgAl LDH и MgAl LDH показали лучшую эффективность экстракции, чем наночастицы Fe ₃ O ₄ . Однако из-за магнетизма нанокомпозит Fe ₃ O ₄ / MgAl LDH показал лучшую разделяемость по сравнению с MgAl-LDH. Таким образом, в качестве адсорбента для концентрирования следов металлов был выбран нанокомпозит Fe ₃ O ₄ / MgAl LDH.

Выбор адсорбента: условия эксперимента: масса адсорбента 50 мг; pH образца 7.5; время экстракции 10 мин; концентрация элюента 1,0 моль л ^-1 .

Оптимизация процедуры концентрирования с использованием центральной композитной конструкции

ПЗС-матрица и соответствующие извлечения (аналитический отклик) для каждого аналита представлены в дополнительных данных (Таблица S1). Дисперсионный анализ (ANOVA) был проведен для исследования качества модели RSM и оценки наиболее значимых параметров, а также для изучения взаимодействия между независимыми переменными.Результаты ANOVA, воспроизведенные в виде диаграммы Парето (рис. 6), показали, что p-значения отдельных переменных были меньше 0,05, что означает, что они значимы при уровне достоверности 95%.

Диаграммы Парето стандартизованных эффектов для оптимизации процедуры концентрирования.

Методология поверхности отклика

Трехмерные графики поверхности отклика полиномиального уравнения второго порядка использовались для изучения взаимодействий между независимыми переменными и их совокупного влияния на аналитический отклик.Комбинированный эффект двух переменных оценивался путем их варьирования в пределах определенных диапазонов при сохранении двух других переменных на нулевом уровне (центральная точка) (рис. 7). Графики поверхности отклика для влияния pH и концентрации элюента, pH и времени экстракции, а также pH и массы адсорбента на предварительное концентрирование целевых аналитов показывают, что% извлечения увеличивается при небольшом увеличении pH образца. Эти наблюдения согласуются с иллюстрацией диаграммы Парето, которая демонстрирует, что pH образца оценивается как наименее значимый фактор.Графики поверхности отклика, показывающие влияние массы адсорбента и pH, массы адсорбента и концентрации элюента, а также массы адсорбента и времени экстракции, показали, что аналитический отклик для целевых аналитов увеличивается с увеличением массы адсорбента. . Это может быть связано с наличием участков адсорбции на поверхности адсорбента, что увеличивает эффективность извлечения адсорбента. Наконец, увеличение времени экстракции и концентрации элюента также оказало положительное влияние на аналитический отклик.

Трехмерные графики поверхности отклика для оптимизации независимых переменных.

Оптимизация с помощью функции желательности

Функция желательности использовалась для оптимизации отдельных переменных (pH образца, время экстракции, концентрация элюента и масса адсорбента), которые влияют на процесс предварительного концентрирования. Значения желательности 0,0, 0,5 и 1,0 соответствуют минимальной, средней и максимальной функциям. Значения в профиле желательности (рис.8), которые ближе к 1,0, означают, что соответствующий параметр или условие переменной является оптимальным ³⁷ . Оптимальные условия для одновременного концентрирования ионов As (III), Cd (II), Cr (III), Co (II), Ni (II) и Pb (II) были выбраны 6.5, 84 мг, 10 мин. и 2,0 моль л ^-1 для pH образца, массы адсорбента, времени экстракции и концентрации элюента, соответственно.

Профиль для прогнозируемых значений и функция желательности для процентного содержания ионов As (III), Cd (II), Cr (III), Co (II), Ni (II) и Pb (II) .

Адсорбционная способность

Адсорбционная способность нанокомпозита была исследована в оптимальных условиях. Аликвоту синтетических растворов объемом 100 мл, содержащих 10–250 мг / л ^–1 ионов As (III), Cd (II), Cr (III), Co (II), Ni (II) и Pb (II), использовали. обработаны с использованием оптимизированного метода концентрирования. После достижения равновесия растворы определяли с помощью ICP-OES. Адсорбционная способность измерялась по следующей формуле:

$$ q_ {e} = \ frac {{\ left ({C_ {0} — C_ {e}} \ right) V}} {m} $$

(4)

где q _e — адсорбционная способность, C ₀ и C _e — начальная и равновесная концентрации аналитов, m и V — масса адсорбента и объем синтетического раствора.Данные равновесия были подогнаны к нелинейным уравнениям Ленгмюра и Фрейндлиха (уравнения 5, 6). Параметры вместе с коэффициентом корреляции, полученные в результате подбора двух моделей, перечислены в таблице 1.

$$ {{\ text {q}}} _ {{\ text {e}}} = \ frac {{{\ text {q}}} _ {{\ text {max}}} {{\ text {K}}} _ {{\ text {L}}} {{\ text {C}}} _ {{\ text {e}}}} {1 + {{\ text {K}}} _ {{ \ text {L}}} {{\ text {C}}} _ {{\ text {e}}}} $$

(5)

$$ {{\ text {q}} _ {\ text {q}}} = {{\ text {K}} _ {\ text {F}}} {{\ text {C}} _ ​​{\ текст {e}} ^ {1 / \ text {n}}} $$

(6)

где q _e : количество адсорбированного; q _max : максимальная однослойная адсорбция; K _L : постоянная Ленгмюра; С _и ; концентрация адсорбата при равновесии; RL: коэффициент разделения; K _F : адсорбционная способность; 1 / n: интенсивность адсорбции.

Изотермы адсорбции СДГ Fe ₃ O ₄ @MgAl для As, Cd, Co, Cr, Ni и Pb были выполнены в оптимизированных условиях. Результаты показаны в таблице 1. Как показано в таблице 1, значения R ² и RSE моделей Ленгмюра были выше, чем значения R ² и RSE Фрейндлиха. Это говорит о том, что процессы адсорбции хорошо согласуются с моделью Ленгмюра. Экспериментальные максимальные адсорбционные емкости для изотерм Ленгмюра As, Cd, Co, Cr, Ni и Pb составили (124, 122, 138, 116, 120, 130), а для Фрейндлиха — 0, 24.6, 22,6, 21,6, 23,5 и 25,2).

Механизм адсорбции

Несмотря на то, что спектры FTIR нанокомпозита Fe ₃ O ₄ / MgAl LDH до и после адсорбции As (III), Cd (II), Cr (III), Co (II), Ni (II) и Pb (II) (рис. 9а) не претерпели заметных изменений. Картины XRD, EDS и TEM, соответственно, были использованы для выяснения механизмов удаления (рис. 9b – d). Это можно наблюдать из рентгенограмм, показанных (фиг. 9b), которые показали высокую кристалличность соединений до и после адсорбции.Типичные дифракционные пики СДГ Fe ₃ O ₄ @MgAl до адсорбции и после адсорбции все еще были сильными и острыми. EDX нанокомпозита Fe ₃ O ₄ @MgAl LDH после адсорбции показывает (рис. 9d, e), что он в основном состоит из элементов O, Fe, Mg, Al, As, Ni, Cd, Cr, Co, и Pb — это подтверждает, что адсорбция аналитов адсорбентом была успешной.

( a ) FTIR-спектры ( b ) XRD ( c ) TEM-изображение и ( d , e ) EDS-спектры.

Обзорные спектры нанокомпозитов Fe ₃ O ₄ @MgAl СДГ подтверждают наличие атомов Al, Mg, Fe, O и C на нанокомпозитах до и после адсорбции. Примечательно, что обзорные спектры нанокомпозита СДГ Fe ₃ O ₄ @MgAl СДГ после адсорбции ионов металлов показывают увеличение интенсивности сигнала по сравнению с до адсорбции, что свидетельствует о возможной адсорбции ионов металлов в растворе (рис. 10а) ³⁸ . Затем рентгеновские фотоэлектронные спектры Fe2p высокого разрешения (рис.10d) демонстрирует два основных пика при 711,25 и 724,41 эВ, соответствующих Fe2p3 / 2 и Fe2p1 / 2, соответственно. Спектры деконволюции Fe2p до и после адсорбции показали Fe ²⁺ и Fe ³⁺ при 710,24 и 712,27 эВ, подтверждая существование Fe ₃ O ₄ в нанокомпозите ¹⁹ . Никаких значительных сдвигов в пиках Fe2p не наблюдалось с учетом энергии связи до и после адсорбции, что указывает на то, что Fe ₃ O ₄ сохранил свою химическую структуру на композите.Как и ожидалось, спектры высокого разрешения Al2p (рис. 10b) и Mg1s (рис. 10e) с энергиями связи 73,8 и 1304,2 эВ показывают незначительные изменения до и после адсорбции.

( a — f ) XPS Fe ₃ O ₄ @ Al – Mg LDH после адсорбции.

Спектры C1s с высоким разрешением после деконволюции (рис. 10c) показывают вклады трех атомов углерода, соответствующие C – C, C – O и O – C = O при энергиях связи 284,5, 286,1 и 288.5 до и после адсорбции соответственно. В дальнейшем сигнал C1s увеличился после адсорбции с 22,5 до 23,9%. Увеличению сигнала C1s может быть подвержено увеличение межслоевого CO ₃ ^2- анионов ³⁹ . Более того, увеличение сигнала C1s коррелирует со снижением сигнала O1s, поскольку уменьшение на поверхности гидроксильных групп дополнялось увеличением интеркалированных анионов CO3 ^2-, которые являются одним из сайтов адсорбции, которые могут эффективно адсорбируют интересующие катионы металлов ^39,40,41 .Интересно, что содержание Ols (рис. 10f) снизилось после адсорбции, что указывает на возможную адсорбцию металлов As, Pb, Cd, Cr, Co и Ni за счет взаимодействия с присутствующими гидроксильными группами на поверхности композита, что подтверждает Результаты ЭЦП. Хотя адсорбция в основном происходит за счет взаимодействия аналита с поверхностными гидроксильными группами, сообщалось о другом месте адсорбции интеркалированного CO ₃ ^{2- 40} .Это означает, что адсорбция As, Pb, Cd, Cr, Co и Ni происходит как на интеркалированном MgAl-CO ₃ ^2-, так и на поверхности MgAl-OH _x / депротонированный MgAl-O ^{— 40} . С этой целью возможные механизмы адсорбции, связанные с этими взаимодействиями, перечислены ниже:

Аналитические показатели качества и валидация метода

Аналитические показатели качества метода UASPME / ICP-OES, такие как линейный диапазон, коэффициент корреляции ( R ² ), коэффициент концентрирования (PF), коэффициент усиления (EF), прецизионность (дневная и дневная), LOD и LOQ определялись, как описано в разделе «Экспериментальная часть» для целевых аналитов.Уравнения калибровочной кривой, линейность, R ² и коэффициенты обогащения для каждого аналита представлены в таблице 2.

Коэффициент концентрирования, рассчитанный как отношение объема образца (100 мл) к объему элюента (2,5 мл), оказался равным 40. Значения LOD и LOQ метода UASPME / ICP-OES показаны в таблице 3.Прецизионность (выраженная (% RSD)) метода была исследована с точки зрения внутридневной (повторяемость, n = 10) и дневной (воспроизводимость n = 5 рабочих дней). % RSD для анализа As, Cd, Co, Cr, Ni и Pb методом UASPME / ICP-OES был менее 5% (таблица 3).

В таблице 4 представлены результаты, полученные для определения As (III), Cd (II), Cr (III), Co (II), Ni (II) и Pb (II) из NIST SRM 1643e (микроэлементы в воде). ), CRM ERM-CA713 (следы металлов в сточных водах) и NIST SRM 1640a (следовые элементы в природной воде).Значения относительной погрешности (% RE) составляли от — 2,4 до 1,7%, что свидетельствует о высокой точности разработанного метода. Кроме того, полученные значения согласуются с сертифицированными значениями с доверительной вероятностью 95%.

Кроме того, валидность и применимость разработанной процедуры UASPME / ICP-OES были оценены путем анализа As (III), Cd (II), Cr (III), Co (II), Ni (II) и Pb ( II) ионы в сложных матрицах, таких как водопроводная и речная вода.Точность метода оценивалась путем добавления в пробы воды 10 мкг л ^-1 целевых аналитов. Аналитические результаты представлены в таблице 5. Как видно, извлечение микроэлементов в пробах воды каждого типа были выше 95%, стандартные отклонения менее 3%.

Анализ проб воды методом UASPME / ICP-OES

Разработанный метод UASPME / ICP-OES применялся для определения следов As (III), Cd (II), Cr (III), Co (II), Ионы Ni (II) и Pb (II) в кислых сточных водах шахт (SB, WB и Участок 3), и результаты показаны в Таблице 6.Эти данные свидетельствуют о том, что предлагаемый метод позволяет извлекать, концентрировать и определять следовые количества ионов металлов в реальных образцах со сложными матрицами.

Сравнение аналитических характеристик метода UASPME / ICP-OES для концентрирования As (III), Cd (II), Cr (III), Co (II), Ni (II) и Pb (II) ) ионы с ранее исследованными процедурами концентрирования, в частности (твердофазная экстракция), описанные в литературе, сведены в Таблицу 7.Было замечено, что предложенный метод имел лучшие LOD, EF, RSD и линейный диапазон по сравнению с теми, о которых сообщалось в других источниках ^42,43 . Кроме того, такие параметры, как диапазон калибровки лайнера, LOD, EF и RSD для метода UASPME / ICP-OES, были сопоставимы с указанными в литературе ⁴⁴ . Однако аналитические характеристики разработанного метода были относительно низкими, чем в работах ^32,45 .

Исследования регенерации

Повторное использование и регенерация композита Fe ₃ O ₄ @MgAl LDHs были выполнены путем проведения последующих экспериментов по адсорбции / десорбции. Азотная кислота (2,0 моль л ¹ ) использовалась для регенерации отработанного композита Fe ₃ O ₄ @MgAl СДГ. Количество следов металлов после каждого цикла адсорбции / десорбции выражали в процентах извлечения (% R). Рисунок 11. иллюстрирует процент извлечения каждого исследуемого иона металла.Как показано на рисунке, композит Fe ₃ O ₄ @MgAl СДГ сохранял свои адсорбционные способности до шестого цикла. После шестого цикла эффективность адсорбции постепенно снижалась с небольшим запасом. В конце восьмого цикла адсорбции / десорбции% R составляли 85,3%, 88,1%, 83,6%, 79,9%, 88,5% и 86,7% для As, Cd, Cr, Pb, Co и Ni соответственно. Тем не менее, можно сделать вывод, что композит Fe ₃ O ₄ @MgAl LDH продемонстрировал исключительную регенерацию и возможность повторного использования, поскольку процент извлечения снижается лишь незначительно после шестого цикла.Кроме того, исследование стабильности полученного магнитного адсорбента Fe ₃ O ₄ @MgAl LDH в адсорбционной системе было выполнено путем тестирования на присутствие Fe, Mg и Al для оценки долгосрочной стабильности. Во всех десяти параллельных циклах не было обнаружено Fe, Mg и Al, что указывает на отсутствие выщелачивания Fe ₃ O ₄ @MgAl LDH. Также приготовленный адсорбент показал стабильные магнитные свойства до и после использования.

% каждого исследуемого иона металла.

АМПЛИТУДА СОНИКАТОРА