Cavitation siêu âm trong chất lỏng

Sóng siêu âm của siêu âm cường độ cao tạo ra sự xâm thực âm thanh trong chất lỏng. Sự xâm thực gây ra những tác động cực đoan cục bộ, chẳng hạn như tia chất lỏng lên đến 1000km / giờ, áp suất lên đến 2000 atm và nhiệt độ lên đến 5000 Kelvin. Các lực tạo ra bằng siêu âm này được sử dụng cho nhiều ứng dụng xử lý chất lỏng như đồng nhất, phân tán, nhũ hóa, chiết xuất, phá vỡ tế bào, cũng như tăng cường các phản ứng hóa học.

Nguyên lý hoạt động của Cavitation siêu âm

Khi siêu âm chất lỏng ở cường độ cao, sóng âm thanh lan truyền vào môi trường lỏng dẫn đến chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (hiếm hoi) xen kẽ, với tốc độ phụ thuộc vào tần số. Trong chu trình áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bong bóng chân không nhỏ hoặc khoảng trống trong chất lỏng. Khi các bong bóng đạt đến thể tích mà chúng không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sẽ sụp đổ dữ dội trong chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Trong quá trình nổ mìn, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K) và áp suất (khoảng 2.000atm) đạt được cục bộ. Sự nổ tung của bong bóng xâm thực cũng dẫn đến các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280m / s.

Xâm thực âm thanh (được tạo ra bởi siêu âm công suất) tạo ra các điều kiện khắc nghiệt cục bộ, được gọi là hiệu ứng siêu âm và siêu âm. Do những tác dụng này, siêu âm thúc đẩy các phản ứng hóa học dẫn đến năng suất cao hơn, tốc độ phản ứng nhanh hơn, các con đường mới và cải thiện hiệu quả tổng thể.

Các ứng dụng chính của máy siêu âm sử dụng Cavitation âm thanh

Máy siêu âm kiểu đầu dò, còn được gọi là đầu dò siêu âm, tạo ra sự xâm thực âm thanh mạnh mẽ trong chất lỏng một cách hiệu quả. Do đó, chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau trong các ngành công nghiệp khác nhau. Một số ứng dụng quan trọng nhất của xâm thực âm thanh được tạo ra bởi máy siêu âm kiểu đầu dò bao gồm:
 

1. Đồng nhất hóa: Đầu dò siêu âm có thể tạo ra sự xâm thực mạnh, được đặc trưng như một trường dao động và lực cắt dày đặc năng lượng. Những lực này cung cấp khả năng trộn, pha trộn và giảm kích thước hạt tuyệt vời. Đồng nhất siêu âm tạo ra huyền phù trộn đều. Do đó, siêu âm được sử dụng để tạo ra huyền phù keo đồng nhất với các đường cong phân bố hẹp.
2. Phân tán hạt nano: Máy siêu âm được sử dụng để phân tán, giải kết tụ và nghiền ướt các hạt nano. Sóng siêu âm tần số thấp có thể tạo ra sự xâm thực có tác động, phá vỡ các kết tụ và giảm kích thước hạt. Đặc biệt, độ cắt cao của các tia chất lỏng làm tăng tốc các hạt trong chất lỏng, va chạm với nhau (va chạm giữa các hạt) do đó các hạt bị vỡ và xói mòn. Điều này dẫn đến sự phân bố đồng đều và ổn định của các hạt ngăn chặn sự lắng đọng. Điều này rất quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm công nghệ nano, khoa học vật liệu và dược phẩm.
3. Nhũ hóa và trộn: Máy siêu âm kiểu đầu dò được sử dụng để tạo nhũ tương và trộn chất lỏng. Năng lượng siêu âm gây ra xâm thực, hình thành và sụp đổ các bong bóng siêu nhỏ, tạo ra lực cắt cục bộ mạnh mẽ. Quá trình này hỗ trợ nhũ hóa các chất lỏng không trộn lẫn, tạo ra nhũ tương ổn định và phân tán mịn.
4. Khai thác: Do lực cắt xâm thực, máy siêu âm có hiệu quả cao trong việc phá vỡ cấu trúc tế bào và cải thiện sự truyền khối lượng giữa chất rắn và chất lỏng. Do đó, chiết xuất siêu âm được sử dụng rộng rãi để giải phóng vật liệu nội bào như các hợp chất hoạt tính sinh học để sản xuất chiết xuất thực vật chất lượng cao.
5. Khử khí và khử khí: Máy siêu âm kiểu đầu dò được sử dụng để loại bỏ bọt khí hoặc khí hòa tan khỏi chất lỏng. Việc áp dụng xâm thực siêu âm thúc đẩy sự kết hợp của các bọt khí để chúng phát triển và nổi lên đỉnh chất lỏng. Siêu âm xâm thực làm cho quá trình khử khí trở thành một quy trình nhanh chóng và hiệu quả. Điều này có giá trị trong các ngành công nghiệp khác nhau, 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.
6. Siêu âm: Đầu dò siêu âm có thể được sử dụng để xúc tác siêu âm, một quá trình kết hợp xâm thực âm thanh với chất xúc tác để tăng cường các phản ứng hóa học. Sự xâm thực do sóng siêu âm tạo ra giúp cải thiện sự truyền khối lượng, tăng tốc độ phản ứng và thúc đẩy sản xuất các gốc tự do, dẫn đến các biến đổi hóa học hiệu quả và có chọn lọc hơn.
7. Chuẩn bị mẫu: Máy siêu âm kiểu đầu dò thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm để chuẩn bị mẫu. Chúng được sử dụng để đồng nhất, phân tách và chiết xuất các mẫu sinh học, chẳng hạn như tế bào, mô và vi rút. Năng lượng siêu âm được tạo ra bởi đầu dò phá vỡ màng tế bào, giải phóng nội dung tế bào và tạo điều kiện cho việc phân tích thêm.
8. Sự tan rã và phá vỡ tế bào: Máy siêu âm kiểu đầu dò được sử dụng để phân hủy và phá vỡ các 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 và do đó tạo ra sự xâm thực gây ra ứng suất cơ học và lực cắt, dẫn đến sự tan rã của cấu trúc tế bào. Trong nghiên cứu sinh học và chẩn đoán y tế, máy siêu âm kiểu đầu dò được sử dụng để ly giải tế bào, quá trình phá vỡ các tế bào hở để giải phóng các thành phần nội bào của chúng. Năng lượng siêu âm phá vỡ thành tế bào, màng và bào quan, cho phép chiết xuất protein, DNA, RNA và các thành phần tế bào khác.

 
Đây là một số ứng dụng chính của máy siêu âm kiểu đầu dò, nhưng công nghệ này thậm chí còn có nhiều mục đích sử dụng khác, bao gồm siêu âm, giảm kích thước hạt (xay ướt), tổng hợp hạt từ dưới lên và tổng hợp các chất và vật liệu hóa học trong các ngành công nghiệp khác nhau như dược phẩm, chế biến thực phẩm, công nghệ sinh học và khoa học môi trường.

Một chuỗi tốc độ cao (từ a đến f) của các khung hình minh họa sự tẩy da chết cơ học sono của một mảnh than chì trong nước sử dụng UP200S, một ultrasonicator 200W với sonotrode 3-mm. Mũi tên hiển thị vị trí của các hạt tách ra với bong bóng xâm thực xuyên qua vết tách.
© Tyurnina và cộng sự. 2020

Video về sự xâm nhập âm thanh trong chất lỏng

Video sau đây cho thấy sự xâm thực âm thanh tại cascatrode của máy 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 cải thiện khả năng hình dung các bong bóng xâm thực.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: