Ứng dụng siêu âm công suất cao bằng sừng siêu âm

Sừng siêu âm hoặc đầu dò siêu âm được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng xử lý chất lỏng, bao gồm đồng nhất hóa, phân tán, nghiền ướt, nhũ hóa, chiết xuất, phân rã, hòa tan và loại bỏ không khí. Tìm hiểu kiến thức cơ bản về sừng siêu âm, đầu dò siêu âm và các ứng dụng của chúng.

Sừng siêu âm và đầu dò siêu âm

Các thuật ngữ sừng siêu âm và đầu dò siêu âm thường được dùng thay thế cho nhau để chỉ thanh siêu âm truyền sóng siêu âm vào chất lỏng. Các thuật ngữ khác dùng để chỉ đầu dò siêu âm là sừng âm học, sonotrode, ống dẫn sóng âm hoặc ngón siêu âm. Tuy nhiên, về mặt kỹ thuật, sừng siêu âm và đầu dò siêu âm có sự khác biệt.
Cả sừng siêu âm và đầu dò siêu âm đều là các bộ phận của thiết bị được gọi là máy siêu âm dạng đầu dò. Sừng siêu âm là bộ phận kim loại của bộ chuyển đổi siêu âm, được kích thích bởi các dao động tạo ra nhờ hiệu ứng áp điện. Sừng siêu âm dao động ở một tần số nhất định, ví dụ 20kHz, nghĩa là 20.000 dao động mỗi giây. Titan là vật liệu được ưu tiên để chế tạo sừng siêu âm nhờ đặc tính truyền âm tuyệt vời, độ bền mỏi cao và độ cứng bề mặt.

Đầu dò siêu âm còn được gọi là sonotrode hoặc ngón siêu âm. Đây là một thanh kim loại, thường được làm từ titan và nối với sừng siêu âm bằng ren. Đầu dò siêu âm là bộ phận thiết yếu của thiết bị xử lý siêu âm, có chức năng truyền sóng siêu âm vào môi trường được xử lý siêu âm. Đầu dò siêu âm / sonotrode có nhiều hình dạng khác nhau (ví dụ: hình nón, có đầu mút, thuôn hoặc dạng Cascatrode). Mặc dù titan là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho đầu dò siêu âm, cũng có các sonotrode làm từ thép không gỉ, gốm, thủy tinh và các vật liệu khác.

Do sừng siêu âm và đầu dò siêu âm liên tục chịu nén hoặc kéo trong quá trình xử lý siêu âm, việc lựa chọn vật liệu cho sừng và đầu dò có vai trò rất quan trọng. Hợp kim titan chất lượng cao (cấp 5) được xem là kim loại đáng tin cậy nhất, bền bỉ nhất và hiệu quả nhất để chịu ứng suất, duy trì biên độ cao trong thời gian dài và truyền các đặc tính âm học và cơ học.

Hòa tan là một ứng dụng phổ biến của xử lý siêu âm. Video trình diễn quá trình hòa tan nhanh các tinh thể đường trong nước bằng Hielscher UP200St.

Các máy siêu âm hiệu năng cao chủ yếu hoạt động trong dải tần 20–30kHz. Ở 20 kHz, đầu dò siêu âm thường là một thanh cộng hưởng có chiều dài bằng nửa bước sóng, liên tục giãn ra và co lại 20.000 lần mỗi giây. Các chuyển động giãn và co được truyền dưới dạng siêu âm công suất cao vào môi trường xử lý, tức là lưu chất hoặc huyền phù, để thực hiện các ứng dụng như

• trộn với lực cắt cao bằng siêu âm
• nghiền ướt bằng siêu âm
• phân tán hạt nano bằng siêu âm
• nhũ hóa nano bằng siêu âm
• chiết xuất bằng siêu âm
• phân rã bằng siêu âm
• phá vỡ và ly giải tế bào bằng siêu âm
• khử khí và loại bỏ không khí bằng siêu âm
• hóa học siêu âm (tổng hợp bằng siêu âm, xúc tác bằng siêu âm)

Siêu âm công suất cao hoạt động như thế nào? – Nguyên lý hoạt động của hiện tượng xâm thực âm học

Đối với các ứng dụng siêu âm hiệu năng cao như đồng nhất hóa, giảm kích thước hạt, phân rã hoặc phân tán nano, siêu âm cường độ cao, tần số thấp được tạo ra bởi bộ chuyển đổi siêu âm và truyền qua sừng siêu âm cùng đầu dò (sonotrode) vào chất lỏng. Siêu âm công suất cao được xem là siêu âm trong dải 16–30kHz. Đầu dò siêu âm giãn ra và co lại, ví dụ ở 20kHz, qua đó truyền tương ứng 20.000 dao động mỗi giây vào môi trường. Khi sóng siêu âm truyền qua chất lỏng, các chu kỳ áp suất cao (nén) / áp suất thấp (giãn loãng / giãn nở) luân phiên tạo ra các khoang rỗng cực nhỏ (bọt chân không), phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất. Trong pha nén của chất lỏng và các bọt, áp suất là dương, còn pha giãn loãng tạo ra chân không (áp suất âm). Trong các chu kỳ nén và giãn nở, các khoang rỗng trong chất lỏng phát triển cho đến khi đạt kích thước mà chúng không thể hấp thụ thêm năng lượng. Tại thời điểm này, chúng sụp đổ dữ dội. Sự sụp đổ của các khoang rỗng này tạo ra nhiều hiệu ứng có năng lượng rất cao, được gọi là hiện tượng xâm thực âm học / siêu âm. Xâm thực âm học có đặc trưng là nhiều hiệu ứng có năng lượng rất cao, tác động đến chất lỏng, hệ rắn/lỏng cũng như hệ khí/lỏng. Vùng có mật độ năng lượng cao hay vùng xâm thực được gọi là vùng điểm nóng, có mật độ năng lượng cao nhất ở ngay gần đầu dò siêu âm và giảm dần khi khoảng cách đến sonotrode tăng lên. Các đặc trưng chính của xâm thực siêu âm bao gồm nhiệt độ và áp suất cục bộ rất cao cùng các chênh lệch tương ứng, dòng chảy rối và dòng chảy chất lỏng. Trong quá trình sụp đổ của các khoang xâm thực siêu âm tại các điểm nóng siêu âm, có thể đo được nhiệt độ lên đến 5000 kelvin, áp suất lên đến 200 át-mốt-phe và các tia chất lỏng có tốc độ lên đến 1000km/h. Những điều kiện có năng lượng cực cao này góp phần tạo ra các hiệu ứng cơ học siêu âm và hóa học siêu âm, giúp tăng cường các quá trình và phản ứng hóa học theo nhiều cách khác nhau.
Các tác động chính của xử lý siêu âm lên chất lỏng và huyền phù như sau:

• Lực cắt cao: Các lực cắt cao do siêu âm phá vỡ chất lỏng và các hệ lỏng–rắn, gây khuấy trộn mạnh, đồng nhất hóa và truyền khối.
• Va đập: Các tia chất lỏng và dòng chảy do xâm thực siêu âm tạo ra làm tăng tốc các chất rắn trong chất lỏng, từ đó dẫn đến va chạm giữa các hạt. Khi các hạt va chạm ở tốc độ rất cao, chúng bị mài mòn, vỡ vụn, được nghiền và phân tán mịn, thường xuống đến kích thước nano. Đối với vật chất sinh học như nguyên liệu thực vật, các tia chất lỏng tốc độ cao và các chu kỳ áp suất luân phiên phá vỡ thành tế bào và giải phóng vật chất nội bào. Điều này mang lại hiệu quả chiết xuất rất cao đối với các hợp chất có hoạt tính sinh học và giúp trộn đồng nhất vật chất sinh học.
• Khuấy trộn: Xử lý siêu âm tạo ra dòng chảy rối mạnh, lực cắt và chuyển động vi mô trong chất lỏng hoặc huyền phù. Nhờ đó, xử lý siêu âm luôn tăng cường truyền khối và qua đó đẩy nhanh các phản ứng và quá trình.

Các máy đồng nhất hóa siêu âm và máy trộn có lực cắt cao được sử dụng trong hầu hết mọi ngành công nghiệp chế biến có làm việc với chất lỏng hoặc huyền phù. Các lực xâm thực siêu âm mạnh tạo ra sự khuấy trộn mạnh, lực cắt, sự phá vỡ hạt và truyền khối. Nhờ đó, chất lỏng được đồng nhất hóa, phân tán, nhũ hóa, chiết xuất, hòa tan và/hoặc các phản ứng hóa học được khởi phát. Nhìn chung, xử lý siêu âm là phương pháp tăng cường quá trình, giúp tăng hiệu suất thu hồi, cải thiện tỷ lệ chuyển hóa và làm cho các quá trình hiệu quả hơn.
Các ứng dụng siêu âm phổ biến trong công nghiệp trải rộng trên nhiều lĩnh vực thực phẩm và dược phẩm, hóa chất tinh khiết, năng lượng và hóa dầu, tái chế, nhà máy lọc sinh học, v.v. và bao gồm:

• tổng hợp dầu diesel sinh học bằng siêu âm
• đồng nhất hóa nước ép trái cây bằng siêu âm
• sản xuất vắc-xin bằng siêu âm
• tái chế pin Li-ion bằng siêu âm
• tổng hợp vật liệu nano bằng siêu âm
• bào chế dược phẩm bằng siêu âm
• nhũ hóa nano CBD bằng siêu âm
• chiết xuất nguyên liệu thực vật bằng siêu âm
• chuẩn bị mẫu bằng siêu âm trong phòng thí nghiệm
• khử khí chất lỏng bằng siêu âm
• khử lưu huỳnh trong dầu thô bằng siêu âm
• và nhiều ứng dụng khác …

Sừng siêu âm và đầu dò siêu âm cho các ứng dụng hiệu năng cao

Hielscher Ultrasonics là nhà sản xuất và phân phối có nhiều năm kinh nghiệm về máy siêu âm công suất cao, được sử dụng trên toàn thế giới cho các ứng dụng có cường độ làm việc cao trong nhiều ngành công nghiệp.
Với các thiết bị xử lý siêu âm ở mọi kích cỡ có công suất từ 50 oát đến 16kW cho mỗi thiết bị, các đầu dò có nhiều kích thước và hình dạng, cùng các thiết bị phản ứng siêu âm có thể tích và hình học khác nhau, Hielscher Ultrasonics có thiết bị phù hợp để cấu hình hệ thống siêu âm lý tưởng cho ứng dụng của bạn.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi: