Xâm thực siêu âm trong chất lỏng
Xâm thực siêu âm là động lực của quá trình xử lý chất lỏng bằng siêu âm cường độ cao. Khi siêu âm công suất lớn được truyền vào chất lỏng, các bọt hơi cực nhỏ hình thành, phát triển và sụp đổ dữ dội. Hiện tượng xâm thực âm học này tạo ra lực cắt cục bộ mạnh, các vi tia chất lỏng, sóng xung kích, biến đổi áp suất và hiệu ứng vi trộn có thể đẩy nhanh quá trình đồng nhất hóa, phân tán, nhũ hóa, chiết xuất, khử khí, phá vỡ tế bào và các phản ứng hóa siêu âm.
Các máy siêu âm dạng đầu dò của Hielscher sử dụng hiện tượng xâm thực âm học có kiểm soát để truyền năng lượng siêu âm trực tiếp vào chất lỏng, huyền phù và bùn nhão. Từ các mẫu nhỏ trong phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp liên tục theo dòng chảy, các hệ thống Hielscher cho phép bạn điều chỉnh biên độ, hình dạng đầu sonotrode, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và thời gian lưu để đạt được kết quả xâm thực có khả năng tái lập.
- Dành cho phòng thí nghiệm: xây dựng và tối ưu hóa các thông số xử lý siêu âm ở thể tích nhỏ.
- Dành cho cơ sở thí điểm: kiểm chứng các quy trình dựa trên hiện tượng xâm thực trong điều kiện xử lý thực tế.
- Dành cho sản xuất: mở rộng quy mô ứng dụng xâm thực siêu âm sang các quy trình theo mẻ, tuần hoàn hoặc liên tục trên đường ống.
Hãy cho chúng tôi biết loại chất lỏng, thể tích mẻ hoặc lưu lượng, độ nhớt, hàm lượng chất rắn, giới hạn nhiệt độ và kết quả xử lý mong muốn của bạn. Chúng tôi sẽ đề xuất cấu hình máy siêu âm, đầu sonotrode và buồng xử lý dòng chảy tối ưu cho ứng dụng xâm thực của bạn.
Các máy siêu âm dạng đầu dò như UP400St sử dụng nguyên lý hoạt động của hiện tượng xâm thực âm học.
Nguyên lý hoạt động của hiện tượng xâm thực siêu âm
Khi xử lý chất lỏng bằng siêu âm cường độ cao, các sóng âm truyền vào môi trường chất lỏng tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (giãn) luân phiên, với tốc độ phụ thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bọt chân không nhỏ hoặc khoảng rỗng trong chất lỏng. Khi các bọt đạt đến thể tích mà tại đó chúng 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 xâm thực. Trong quá trình sụp đổ, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K) và áp suất rất cao (khoảng 2.000atm) xuất hiện cục bộ. Sự sụp đổ của bọt xâm thực cũng tạo ra các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280m/s.
Xâm thực âm học (do siêu âm công suất lớn tạo ra) tạo nên các điều kiện cực đoan cục bộ, được gọi là các hiệu ứng cơ siêu âm và hóa siêu âm. Nhờ những hiệu ứng này, quá trình xử lý siêu âm thúc đẩy các phản ứng hóa học, mang lại hiệu suất phản ứng cao hơn, tốc độ phản ứng nhanh hơn, các con đường phản ứng mới và hiệu quả tổng thể được cải thiện.
Máy siêu âm dạng đầu dò hay bể siêu âm: Phương pháp xâm thực nào phù hợp?
Máy siêu âm dạng đầu dò và bể siêu âm đều tạo ra hiện tượng xâm thực âm học, nhưng khác nhau đáng kể về cường độ, khả năng kiểm soát và độ tin cậy của quá trình. Trong khi bể siêu âm hữu ích cho việc làm sạch, máy siêu âm dạng đầu dò truyền năng lượng siêu âm trực tiếp vào chất lỏng và tạo ra vùng xâm thực tập trung, mạnh hơn nhiều. Điều này khiến máy siêu âm dạng đầu dò trở thành lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng xử lý chất lỏng có khả năng tái lập như đồng nhất hóa, nhũ hóa, chiết xuất, phá vỡ tế bào, phân tán hạt nano và các phản ứng hóa siêu âm.
| Tiêu chí so sánh | Máy siêu âm dạng đầu dò | Bể siêu âm |
|---|---|---|
| Cường độ xâm thực | Tạo ra hiện tượng xâm thực âm học cường độ cao ngay tại đầu mút sonotrode. | Tạo ra hiện tượng xâm thực yếu hơn, phân bố khắp thể tích bể. |
| Truyền năng lượng | Truyền năng lượng siêu âm trực tiếp vào chất lỏng, huyền phù hoặc bùn nhão. | Truyền năng lượng gián tiếp qua chất lỏng trong bể và thành bình chứa. |
| Kiểm soát quá trình | Cho phép điều chỉnh chính xác biên độ, công suất đầu vào, chế độ xung, nhiệt độ và thời gian xử lý. | Khả năng kiểm soát năng lượng siêu âm thực tế truyền đến mẫu còn hạn chế. |
| Khả năng tái lập | Mang lại kết quả xử lý siêu âm có khả năng tái lập khi các thông số quá trình được xác định và giám sát. | Kết quả có thể thay đổi do sự phân bố xâm thực không đồng đều, vị trí bình chứa, vật liệu bình chứa, mức chất lỏng và lượng vật chứa được đặt trong bể. |
| Hiệu quả xử lý | Hiệu quả cao trong đồng nhất hóa, phân tán, nhũ hóa, chiết xuất, phá vỡ tế bào và hóa học siêu âm. | Chủ yếu phù hợp để làm sạch. |
| Thể tích mẫu | Có các thiết bị dành cho mẫu phòng thí nghiệm thể tích nhỏ cũng như các thể tích ở quy mô thí điểm và công nghiệp. | Thường được sử dụng cho các bình nhỏ hoặc nhiều vật chứa đặt bên trong bể. |
| Mở rộng quy mô | Có thể mở rộng quy mô từ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đến thử nghiệm thí điểm và xử lý công nghiệp liên tục trên đường ống. | Khó mở rộng quy mô một cách đáng tin cậy vì sự phân bố năng lượng và cường độ xâm thực không dễ chuyển sang quy mô khác. |
| Môi trường phù hợp | Hiệu quả đối với chất lỏng, nhũ tương, huyền phù, huyền phù đặc và các công thức có hàm lượng chất rắn cao. | Phù hợp nhất với chất lỏng có độ nhớt thấp và các tác vụ làm sạch hoặc khử khí đơn giản. |
| Ứng dụng điển hình | Phân tán hạt nano, tạo nhũ tương nano, chiết xuất, ly giải tế bào, đồng nhất hóa, phá kết tụ, nghiền ướt và các phản ứng hóa học siêu âm. | Làm sạch dụng cụ thủy tinh, khử khí trong chất lỏng, hòa tan bột và khuấy mẫu nhẹ. |
| Lựa chọn tốt nhất cho | Xử lý chất lỏng bằng siêu âm mạnh mẽ, có kiểm soát và có khả năng tái lập. | Làm sạch đơn giản hoặc xử lý siêu âm cường độ thấp. |
Các ứng dụng chính của thiết bị siêu âm và hiện tượng xâm thực âm
Thiết bị siêu âm dạng đầu dò, còn được gọi là đầu dò siêu âm, tạo ra hiện tượng xâm thực âm mạnh trong chất lỏng một cách hiệu quả. Vì vậy, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng thuộc các ngành công nghiệp khác nhau. Một số ứng dụng quan trọng nhất của hiện tượng xâm thực âm do thiết bị siêu âm dạng đầu dò tạo ra bao gồm:
- Đồng nhất hóa: Đầu dò siêu âm có thể tạo ra hiện tượng xâm thực mạnh, được đặc trưng bởi một trường dao động và lực cắt có mật độ năng lượng cao. Các lực này mang lại hiệu quả vượt trội trong khuấy trộn, phối trộn và giảm kích thước hạt. Đồng nhất hóa bằng siêu âm tạo ra các huyền phù được trộn đều. Vì vậy, xử lý siêu âm được sử dụng để tạo ra huyền phù keo đồng nhất có các đường cong phân bố hẹp.
- Phân tán hạt nano: Thiết bị siêu âm được sử dụng để phân tán, phá kết tụ và nghiền ướt các hạt nano. Sóng siêu âm tần số thấp có thể tạo ra hiện tượng xâm thực có tác động mạnh, phá vỡ các khối kết tụ và giảm kích thước hạt. Đặc biệt, tác động cắt mạnh của các tia chất lỏng làm tăng tốc các hạt trong chất lỏng, khiến chúng va chạm với nhau (va chạm giữa các hạt), từ đó làm các hạt vỡ ra và bị bào mòn. Điều này tạo ra sự phân bố hạt đồng đều và ổn định, ngăn ngừa lắng đọng. Đây là yếu tố then chốt trong nhiều lĩnh vực, bao gồm công nghệ nano, khoa học vật liệu và dược phẩm.
- Nhũ hóa và khuấy trộn: Thiết bị siêu âm dạng đầu dò được sử dụng để tạo nhũ tương và khuấy trộn chất lỏng. Năng lượng siêu âm gây ra hiện tượng xâm thực, tức sự hình thành và sụp đổ của các bọt cực nhỏ, tạo ra lực cắt cục bộ mạnh. Quá trình này hỗ trợ nhũ hóa các chất lỏng không hòa lẫn vào nhau, tạo ra nhũ tương ổn định và phân tán mịn.
- Chiết xuất: Nhờ lực cắt do hiện tượng xâm thực tạo ra, thiết bị siêu âm có hiệu quả cao trong việc phá vỡ cấu trúc tế bào và cải thiện truyền khối giữa pha rắn và pha lỏng. Vì vậy, chiết xuất bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi để giải phóng các chất nội bào như các hợp chất có hoạt tính sinh học nhằm sản xuất các dịch chiết thực vật chất lượng cao.
- Khử khí và loại bỏ không khí: Thiết bị siêu âm dạng đầu dò được sử dụng để loại bỏ bọt khí hoặc khí hòa tan khỏi chất lỏng. Việc ứng dụng hiện tượng xâm thực siêu âm thúc đẩy các bọt khí hợp lại, khiến chúng lớn lên và nổi lên bề mặt chất lỏng. Hiện tượng xâm thực siêu âm giúp quá trình khử khí diễn ra nhanh chóng và hiệu quả. Điều này có giá trị trong nhiều ngành công nghiệp, chẳng hạn như sơn, chất lỏng thủy lực hoặc chế biến thực phẩm và đồ uống, nơi sự hiện diện của khí có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng và độ ổn định của sản phẩm.
- Xúc tác siêu âm: Đầu dò siêu âm có thể được sử dụng cho xúc tác siêu âm, một quá trình kết hợp xâm thực âm với chất xúc tác để thúc đẩy các phản ứng hóa học. Hiện tượng xâm thực do sóng siêu âm tạo ra cải thiện quá trình truyền khối, tăng tốc độ phản ứng và thúc đẩy sự hình thành các gốc tự do, giúp các quá trình chuyển hóa hóa học diễn ra hiệu quả hơn và có tính chọn lọc cao hơn.
- Chuẩn bị mẫu: Thiết bị siêu âm dạng đầu dò thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm để chuẩn bị mẫu. Chúng được dùng để đồng nhất hóa, phá kết tụ và chiết xuất các mẫu sinh học như tế bào, mô và vi-rút. Năng lượng siêu âm do đầu dò tạo ra phá vỡ màng tế bào, giải phóng các thành phần bên trong tế bào và tạo thuận lợi cho các phân tích tiếp theo.
- Phân rã và phá vỡ tế bào: Thiết bị siêu âm dạng đầu dò được sử dụng để phân rã và phá vỡ tế bào và mô cho nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như chiết xuất các thành phần nội bào, bất hoạt vi sinh vật hoặc chuẩn bị mẫu để phân tích. Sóng siêu âm cường độ cao cùng hiện tượng xâm thực do chúng tạo ra gây ứng suất cơ học và lực cắt, dẫn đến sự phân rã các cấu trúc tế bào. Trong nghiên cứu sinh học và chẩn đoán y khoa, thiết bị siêu âm dạng đầu dò được sử dụng để ly giải tế bào, tức là quá trình phá vỡ tế bào để giải phóng các thành phần nội bào. Năng lượng siêu âm phá vỡ thành tế bào, màng tế bào và các bào quan, cho phép chiết xuất protein, DNA, RNA và các thành phần tế bào khác.
Đây là một số ứng dụng chính của thiết bị siêu âm dạng đầu dò, nhưng công nghệ này còn có phạm vi ứng dụng rộng hơn nữa, bao gồm hóa học siêu âm, giảm kích thước hạt (nghiền ướt), tổng hợp hạt từ dưới lên và tổng hợp các chất hóa học và vật liệu bằng siêu âm trong nhiều ngành như dược phẩm, chế biến thực phẩm, công nghệ sinh học và khoa học môi trường.
Một chuỗi khung hình tốc độ cao (từ a đến f) minh họa quá trình bóc tách một vảy graphit trong nước bằng tác động cơ học của siêu âm sử dụng UP200S, một thiết bị siêu âm 200W với đầu sonotrode 3-mm. Các mũi tên chỉ vị trí các hạt tách ra, với các bọt xâm thực xâm nhập vào khe tách.
© Tyurnina và cộng sự 2020
Tận dụng hiện tượng xâm thực siêu âm!
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Video về hiện tượng xâm thực âm trong chất lỏng
Video sau đây minh họa hiện tượng xâm thực âm tại cascatrode của thiết bị siêu âm UIP1000hdT trong một cột thủy tinh chứa đầy nước. Cột thủy tinh được chiếu sáng từ phía dưới bằng ánh sáng đỏ để giúp quan sát các bọt xâm thực rõ hơn.
Hielscher Ultrasonics sản xuất các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ hóa và chiết xuất ở quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp.
Câu hỏi thường gặp
Xâm thực siêu âm là gì?
Xâm thực siêu âm là sự hình thành, phát triển và sụp đổ dữ dội của các bọt cực nhỏ trong chất lỏng chịu tác động của siêu âm cường độ cao. Sự sụp đổ của các bọt này tạo ra tác động cắt cục bộ mạnh, các vi tia chất lỏng, sóng xung kích, gradient áp suất cao và hiệu ứng vi trộn mạnh.
Xâm thực siêu âm và xâm thực âm khác nhau như thế nào?
Xâm thực âm là thuật ngữ chung chỉ hiện tượng xâm thực do sóng âm gây ra. Xâm thực siêu âm là hiện tượng xâm thực âm được tạo ra bởi các tần số siêu âm, thường cao hơn dải tần nghe được. Trong xử lý chất lỏng công nghiệp, cả hai thuật ngữ thường được dùng để chỉ hiện tượng xâm thực do các thiết bị siêu âm công suất cao tạo ra.
Xâm thực siêu âm cải thiện quá trình xử lý chất lỏng như thế nào?
Xâm thực siêu âm cải thiện quá trình xử lý chất lỏng bằng cách tạo ra các hiệu ứng cơ học và hóa học mạnh bên trong chất lỏng. Các hiệu ứng cơ học hỗ trợ quá trình trộn, đồng nhất hóa, nhũ hóa, phá kết tụ hạt, nghiền ướt, chiết xuất và phá vỡ tế bào. Trong các hệ phản ứng, xâm thực còn có thể thúc đẩy các hiệu ứng hóa siêu âm và cải thiện quá trình truyền khối.
Những ứng dụng nào sử dụng xâm thực siêu âm?
Xâm thực siêu âm được sử dụng để đồng nhất hóa, phân tán, nhũ hóa, tạo nhũ tương nano, chiết xuất, khử khí, phá kết tụ, giảm kích thước hạt, ly giải tế bào, phá vỡ vi sinh vật, thực hiện các quá trình hóa siêu âm, xúc tác siêu âm và các phản ứng tiên tiến trong pha lỏng.
Tại sao máy siêu âm dạng đầu dò tạo xâm thực hiệu quả?
Máy siêu âm dạng đầu dò truyền năng lượng siêu âm trực tiếp vào chất lỏng thông qua đầu sonotrode. Việc ghép năng lượng trực tiếp này tạo ra một vùng xâm thực mạnh gần bề mặt đầu dò và cho phép điều chỉnh chính xác các thông số quá trình quan trọng như biên độ, công suất đầu vào, nhiệt độ, áp suất và thời gian xử lý.
Bể siêu âm có phù hợp để tạo xâm thực mạnh không?
Bể siêu âm tạo ra xâm thực, nhưng mật độ năng lượng thường thấp hơn nhiều và ít tập trung hơn so với máy siêu âm dạng đầu dò. Bể siêu âm hữu ích cho việc làm sạch và xử lý nhẹ, trong khi máy siêu âm dạng đầu dò được ưu tiên cho các quá trình đồng nhất hóa, chiết xuất, nhũ hóa, phân tán, phá vỡ tế bào và xử lý chất lỏng công nghiệp có khả năng tái lập kết quả.
Đọc và xem máy siêu âm dạng đầu dò và bể siêu âm khác nhau như thế nào!
Những thông số nào ảnh hưởng đến cường độ xâm thực siêu âm?
Các thông số quan trọng bao gồm biên độ, công suất siêu âm, diện tích bề mặt đầu sonotrode, thể tích chất lỏng, độ nhớt, hàm lượng chất rắn, áp suất, nhiệt độ, hình dạng bình chứa, hình dạng buồng dòng chảy, lưu lượng và thời gian lưu. Việc điều chỉnh các thông số này cho phép điều chỉnh cường độ xâm thực phù hợp với mục tiêu của quá trình.
Có thể mở rộng quy mô xâm thực siêu âm từ phòng thí nghiệm lên sản xuất không?
Có. Các quá trình xâm thực siêu âm có thể được phát triển ở thể tích phòng thí nghiệm và chuyển sang quy mô thí điểm hoặc công nghiệp bằng cách kiểm soát biên độ, năng lượng đầu vào, hình dạng đầu sonotrode, lưu lượng và thời gian lưu. Hielscher cung cấp máy siêu âm và thiết bị phản ứng cho thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm thí điểm và sản xuất công nghiệp liên tục.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics sản xuất các máy đồng nhất siêu âm hiệu suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.