[C.H.V]

Cavitation Trong Môi Trường Lỏng-Rắn

Khi sự tạo-vỡ bọt xảy ra gần bề mặt phân cách lỏng-rắn thì nó khác so với trong hệ đồng thể. Trong hệ đồng thể thì quá trình vỡ bọt thì bọt vẫn ở dạng hình cầu đối xứng. Tuy nhiên, ở ranh giới phân cách rắn lỏng thì sự vỡ bọt ở dạng rất bất đối xứng và tạo ra một sự phun chất lỏng với tốc độ rất cao.

Hình ảnh một bóng khí trong môi trường lỏng chiếu xạ siêu âm vỡ gần bề mặt rắn. Sự có mặt của bề mặt rắn là nguyên nhân của sự vỡ bất đối xứng, hình thành một vòi chất lỏng bắn vào bề mặt rắn với tốc độ rất cao. (L.A. Crum)
Thế năng của sự giãn nở bọt được chuyển thành động năng của vòi phun chất lỏng, nó hình thành và di chuyển vào phía trong, đâm xuyên qua bóng khí.
Những vòi này bắn vào bề mặt rắn với một lực rất lớn, quá trình này tạo ra một lỗ thủng tại vị trí bị tác kích, làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của pha rắn. Đây là nguyên nhân chính dẫn đến sự mài mòn kim loại nhanh chóng ở chân vịt tàu, các tua bin những nơi mà sự tạo-vỡ bọt xảy ra liên tục.

Ảnh được chụp bởi máy quay vi phim cảm ứng laser tốc độ cao. Sự tạo-vỡ bọt gần bề mặt phân cách rắn lỏng, một vòi rất nhỏ được hình thành, bắn vào bề mặt rắn với vận tốc xấp xỉ 400Km/giờ (111 m/s) (Werner Lauterborn thuộc đại học Technische Hochschule ở Darmstadt của Đức).
Sự bóp méo phá hủy bóng khí phụ thuộc vào bề mặt rắn. Do vậy, nếu sử dụng bột mịn cho vào pha lỏng và sử dụng siêu âm thì sẽ không thấy sự hình thành vòi (jet). Trong trường hợp lỏng và bột thì sự tạo-vớ bọt hình thành liên tục tạo ra sóng kích thích (shock waves) có thể gây ra sự va chạm mạnh giữa các hạt. Sóng kích thích này có thể làm cho những hạt kim loại va chạm nhau với tốc độ cao và sinh ra nhiệt gây nóng chảy tại điểm va chạm, nên những hạt này bị dính với nhau.

Ảnh SEM (Scanning electron micrograph) của bột kẽm sau khi kích thích sóng siêu âm. Đoạn nối giữa hai hạt kiễm được hình thành do sự nóng chảy cục bộ là kết quả của sự va chạm mạnh.S. J. Doktycz và K. S. Suslick sử dụng bột kim loại để ước lượng nhiệt độ và tốc độ tối đa khi có sự va chạm giữa các hạt. Khi bột crom, molybden và tungsten ở kích thước vài micromet được chiếu xạ sóng tần số 20KHz, cường độ 50 watts/cm2, trong pha lỏng. Sự kết tụ và hàn gắn các hạt lại với nhau xảy ra ở kim loại thứ nhất và thứ hai , nhưng không xảy ra ở kim loại thứ ba. Dựa vào nhiệt độ nóng chảy của những kim loại này mà suy ra được nhiệt độ tạo ra do sự va chạm của các hạt kim loại khoảng 3000oC. Trên cơ sở nhiệt độ va chạm này, xác định được năng lượng tỏa ra của sự va chạm, suy ra được vận tốc va chạm khoảng 1800Km/giờ (500 m/s) bằng phân nữa vận tốc âm thanh trong môi trường chất lỏng. Chú ý là nhiệt độ của quá trình va chạm giữa các hạt không liên quan đến nhiệt độ sinh ra từ sự tạo-vỡ bọt.

Ảnh SEM của bột kim loại trước và sau khi chiếu xạ siêu âm. Crom nóng chảy 1857oC và các hạt crom bị biến dạng, kết tụ lại với nhau. Molybden nóng chảy ở 2617oC và các hạt Mo cũng kết tụ lại với nhau nhưng không hoàn toàn. Tungsten nóng chảy ở 3410oC và không bị ảnh hưởng.
Trong lĩnh vực polymer và nguyên liệu sinh học: Sự giảm cấp polymer trong dung dịch chiếu xạ siêu âm cũng được thực hiện. Cơ chế giảm cấp xảy ra do sóng âm tạo ra bởi sự vỡ bọt trong môi trường lỏng có siêu âm. Sản phẩm của sự giảm cấp này là những mạch polymer có chiều dài ngắn hơn với độ phân bố đồng đều, sự giảm cấp thường xảy ra ở giữa mạch polymer.
Ứng dụng dụng siêu âm trong tổng hợp nguyên liệu sinh học đang phát triển mạnh. Trong khi đó những ảnh hưởng của siêu âm trong dung dịch nước đã được nghiên cứu nhiều năm, sự phát triển của ứng dụng siêu âm trong dung dịch nước để tổng hợp nguyên liệu sinh học thì phát triển gần đây. Lĩnh vực vi bao bọc protein đang được phát triển, là sự bao bọc nguyên liệu trong vỏ bọc có kích thước vài micromet, có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như phẩm màu, mùi vị, hương thơm, hệ thống tiết chậm dược phẩm khi vào cơ thể và là tác nhân chuẩn đoán y khoa.
Một ứng dụng khác của siêu âm là điều chế kim loại dạng vô định hình. Siêu âm có thể làm lạnh nhanh kim loại nóng chảy, làm kim loại chuyển từ lỏng sang rắn trước khi nó chuyển sang dạng kết tinh. Kim loại vô định hình có những đặc tính khác thường về dẫn điện, từ tính và kháng ăn mòn. Tuy nhiên trở ngại lớn là muốn tạo được kim loại vô định hình thì tốc độ làm lạnh phải cực kỳ nhanh, tốc độ đòi hỏi là xấp xỉ 1000 000K/giây. Tốc độ làm lạnh khi ngâm thanh sắt nóng đỏ vào bồn nước chỉ 2500K/giây. Và siêu âm là giải pháp cho vấn đề này, Suslick, S.-B. Choe, A. A. Cichowlas và M. W. Grinstaff đã sử dụng siêu âm để tổng hợp bột kim loại vô định hình bằng cách phân hủy hợp chất hữu cơ kim loại dễ bay hơi. Khám phá này đã mở ra ứng dụng mới của siêu âm là tổng hợp những pha đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Ví dụ, pentacarbonyl sắt phân hủy với siêu âm cho ra sắt vô định hình gần như tinh chất.

Ảnh SEM cho thấy những mặt gãy dạng vỏ sò (có những mặt cong đều , đặc trưng cho vật liệu vô định hình), ảnh phóng đại cho thấy bề mặt là tập hợp nhiều trạng thái xốp dạng tổ ong do sự kết tụ nhiều cụm nhỏ.
Sử dụng siêu âm trong xúc tác.
Phản ứng có xúc tác thì rất quan trọng trong cả phòng thí nghiệm và ứng dụng trong công nghiệp. Xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng mà không cần phải tăng nồng độ tác chất. Phản ứng xúc tác thường chia làm hai loại : xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể. Cả hai loại phản ứng xúc tác đều có chung một vấn đề khó khăn là hoạt tính của xúc tác cao hay thấp và việc giữ hoạt tính xúc tác trong thời gian bao lâu.
Siêu âm là một ứng dụng rất quan trọng trong cả hai xúc tác đồng thể và dị thể. Xúc tác dị thể thì thường được ứng dụng trong công nghiệp nhiều hơn xúc tác đồng thể. Ví dụ, trong công nghiệp khia thác dầu mỏ thì một loạt những sự chuyển hóa xúc tác dị thể được thực hiện liên tục. Xúc tác cũng được sử dụng trong xe hơi để chuyển hóa khí thải làm hạn chế ô nhiễm. Xúc tác thường là những kim loại hiếm và đắt, platinum (Pt) hoặc rhodium (Rh) rất đắt tiền, rhodium giá khoảng 1500 $ đô la trên một ao xơ (28,35g). Vì thế sử dụng siêu âm hy vọng làm tăng hoạt tính, giá thấp hơn kim loại.
Sự tạo-vỡ bọt là kết quả của sự tập hợp năng lượng khổng lồ. Năng lượng sóng siêu âm tạo nên hiện tượng vỡ bọt, hiện tượng này giải phóng một năng lượng gấp một nghìn tỉ lần năng lượng của sóng cung cấp. Nó tạo ra một nhiệt độ cực cao và áp suất cực lớn. Cavitation mở ra cơ sở nghiên cứu hóa học và vật lý dưới điều kiện phản ứng khắc nghiệt. Sonochemistry đưa ra hướng nghiên cứu tương tác giữa năng lượng và vật chất.
Hơn nữa, siêu âm có một loạt các ứng dụng trong công nghiệp như tạo hệ nhũ tương, loại khí bằng dung môi, tạo hệ phân tán rắn, tạo hệ keo. Nó cũng rất quan trọng trong các quá trình xử lý chất rắn như cắt, hàn, làm sạch, kết tụ.
Trong tương lai, việc sử dụng siêu âm để điều khiển phản ứng hóa học sẽ rất đa dạng. Nó sẽ trở thành công cụ phổ biến gần như trong bất cứ phản ứng nào có sự hiện diện của một chất rắn và một chất lỏng. Ví dụ trong sản xuất dược phẩm, siêu âm sẽ làm tăng hiệu suất và dễ dàng sử dụng cho một hệ thống lớn như trong công nghiệp. Trong lĩnh vực phát triển xúc tác, siêu âm tạo ra được bề mặt có diện tích lớn vì thế làm tăng hoạt tính của chất xúc tác. Siêu âm còn tạo được vật liệu với những đặc tính đặc biệt. Nhiệt độ cao và áp suất lớn, kết hợp với tốc độ làm lạnh nhanh cho phép những nhà nghiên cứu tổng hợp được những chất rắn đặc biệt mà không thể điều chế được bằng những con đường khác. Và một tính hiệu lạc quan là siêu âm sẽ tìm thấy được nền công nghiệp ứng dụng quan trọng trong tương lai.

(Nguồn: The Yearbook of Science & the Future 1994; Encyclopaedia Britannica: Chicago, 1994; pp 138-155). URL: http://www.scs.uiuc.edu/suslick/britannica.html

Thân