Siêu Âm Trong Hóa Học

[C.H.V]

Siêu âm có thể tạo ra nhiệt độ cao như nhiệt độ của bề mặt mặt trời và áp suất lớn như áp suất dưới lòng đại dương. Trong một vài trường hợp, sóng siêu âm có thể làm tăng độ phản ứng hóa học lên gần một triệu lần.

Sóng siêu âm có thể được thấy trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong gia đình, chúng ta thường sử dụng sóng siêu âm để huýt sáo báo hiệu cho con chó, chuông chống trộm và sử dụng trong việc làm sạch đồ kim hoàn. Trong y khoa, các bác sĩ sử dụng sóng siêu âm để loại bỏ những sạn trong thận mà không cần phải làm phẫu thuật, chữa trị những tổn thương về sương sụn ( như ở khuỷu tay), và chụp những hình ảnh phát triển của thai nhi trong thời kỳ mang thai. Trong công nghiệp, siêu âm rất quan trọng trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm và thực phẩm, hàn plastics, khuấy trộn, làm sạch những vật có kích cỡ lớn.

Hóa học ứng dụng siêu âm gọi là âm hóa học (sonochemistry), nó đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mới trong thập kỷ qua. Lịch sử của ngành âm hóa học phát triển sau những năm 1800.

1984, trên con tàu chiến cao tốc, Sir John I. Thornycroft và Sydney W. Barnaby đã phát hiện con tàu lắc dữ dội và chân vịt tàu bị ăn mòn nhanh chóng. Họ tìm hiểu và thấy có những bóng khí lớn hình thành trên chân vịt của tàu khi tàu đang chạy, sự hình thành và vỡ của những bóng khí, bằng cách tăng kích thước của chân vịt và giảm vận tốc quay của chân vịt họ đã hạn chế được sự ăn mòn. Vì thế phát hiện ra được cơ chế cavitation (tạm gọi là "sự tạo và vỡ bọt").

Cavitation xảy ra không những trong sự xoáy mạnh của dòng chảymà còn xảy ra trong trường hợp chiếu xạ môi trường lỏng bằng sóng siêu âmcường độ cao.
Chiếu xạ siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên gấp nhiều lần. Ảnh hưởng hóa học của sóng siêu âm được được chia thành ba hướng: âm hóa học đồng pha sử dụng trong dung dịch lỏng (homogeneous sonochemistry of liquids), âm hóa học dị pha sử dụng trong hệ lỏng–lỏng hay lỏng–rắn (heterogeneous sonochemistry of liquid-liquid or liquid-solid systems) và âm học xúc tác (sonocatalysis). Do cavitation chỉ diễn ra trong môi trường dung dịch nên phản ứng hóa học của hệ rắn hay rắn –khí không sử dụng chiếu xạ siêu âm được.

Đây là thiết bị tạo siêu âm (sừng siêu âm), thanh titan được ngâm vào trong dung dịch phản ứng để truyền động thông qua sự rung.

Sóng siêu âm có chiều dài sóng khoảng 10cm – 10-3cm, với chiều dài sóng này thì không tạo đủ năng lượng để tương tác trực tiếp lên liên kết hóa học (không thể làm đứt liên kết hóa học).

Tuy nhiên, sự chiếu xạ siêu âm trong môi trường lỏng lại sản sinh ra một năng lượng lớn, do nó gây nên một hiện tượng vật lý đó là cavitation, quá trình này phụ thuộc vào môi trường phản ứng (môi trường đồng thể lỏng rất khác so với cavitation ở bề mặt tiếp xúc rắn-lỏng).

Siêu âm được chiếu xạ qua môi trường lỏng tạo ra một chu trình dãn nở, nó gây ra áp suất chân không (negative pressure) trong môi trường lỏng. Hiện tượng cavitation xảy ra khi áp suất chân không (negative pressure) vượt quá so với độ bền kéo (local tensile strength) của chất lỏng, độ bền này thay đổi tùy theo loại và độ tinh khiết của chất lỏng (độ bền kéo là ứng suất tối đa mà chất lỏng có thể chịu được khi kéo). Thông thường sự tạo-vỡ bọt là một quá trình tạo mầm, bắt nguồn từ những chỗ yếu trong chất lỏng như một lỗ hổng chứa khí phân tán lơ lửng trong hệ hoặc là những vi bọt tồn tại thời gian ngắn trước khi sự tạo-vỡ bọt xảy ra. Hầu hết các chất lỏng đều có đủ những chỗ yếu này để hình thành nên cavitation.

Những vi bọt này qua sự chiếu xạ của siêu âm thì sẽ hấp thu dần năng lượng từ sóng và sẽ phát triển. Sự phát triển của bọt phụ thuộc vào cường độ của sóng. Ở cường độ sóng cao, những bọt này sẽ phát triển nhanh thông qua tương tác quán tính. Nếu chu kỳ giãn nở của sóng đủ nhanh, bọt khí được giãn ra ở nữa chu kỳ đầu và nữa chu kỳ còn lại là nén bọt, nhưng bọt chưa kịp nén thì lại được giãn tiếp, cứ thế bọt lớn dần lên và vỡ. Ở cường độ âm thấp hơn bọt khí cũng hình thành theo quá trình chậm hơn.

Bọt sẽ dao động về kích thước qua nhiều lần nén và dãn, trong bọt sẽ có một lượng khí có sẵn, khí này sẽ tự do hơn khi dãn và mất tự do khi nén. Bọt phát triển sau mỗi lần dãn vì thế khí này sẽ càng tự do hơn (áp suất khí bên trong sẽ giảm).

Khi bọt phát triển tới kích thước không thể phát triển tiếp được (ở cả 2 trường hợp cường độ sóng cao và thấp), bọt không hấp thu năng lượng được nữa, không tiếp tục giữ được hình dạngcủa nó và dưới áp lực từ chất lỏng bên ngoài đẩy vào trong kết quả là bọt sẽ vỡ vào trong. Sự vỡ vào trong của bọt không thường thấy trong môi trường phản ứng hóa học.

Sự nén khí tạo ra nhiệt. Một ví dụ dễ thấy là khi bơm lốp xe đạp, năng lượng cơ học là sự đè nén khí tạo ra nhiệt làm nóng ống bơm.

Trong chất lỏng chiếu xạ siêu âm, sự nén khí cũng diễn ra khi các bọt bị vỡ vào trong dưới áp lực của chất lỏng bên ngoài, sự vỡ này sinh ra một lượng nhiệt tại điểm đó gọi là sự tỏa nhiệt tại một điểm (hot-spot). Tuy nhiên trong môi trường xung quanh là lỏng lạnh và sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt, nên nó tồn tại trong thời gian ngắn. Hot-spot là yếu tố quyết định của âm hóa học trong môi trường đồng thể.
Hot spot có nhiệt độ xấp xỉ 5000oC, áp suất khoảng 1000atm, thời gian sống ngắn hơn 1microsecond, tốc độ gia nhiệt và làm lạnh trên 10 tỉ độ C/giây . Một sự so sánh gần đúng như sau: hot-spot tạo được nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ bề mặt mặt trời, áp suất lớn như dưới lòng đại dương, thời gian sống như một tia chớp, thời gian làm lạnh nhanh gấp hành triệu lần khi nhúng một thanh sắt nóng đỏ vào chậu nước. Sự tạo và vỡ bọt (cavitation) đóng vai trò như một trung gian để nhận năng lượng và tập trung năng lượng của sóng âm chuyển năng lượng này sang dạng có ích cho hóa học.

Máy siêu âm với thanh titan đường kính 0,4 inch. Chiếu xạ siêu âm cường độ cao tạo ra hot spot trong chất lỏng thông qua cavitation, sự cấp nhiệt cục bộ tạo ra một trạng thái kích thích của phân tử làm tạo ra tia sáng như một ngọn lửa. Nhiệt độ đo được của hot spot bằng phương pháp phổ xấp xỉ 5000K.

[fushina]

Tiếng huýt sáo hằng ngày cũng đựoc gọi là "siêu âm" à, mình tưởng "siêu âm" là từ dùng để chỉ những sóng âm có tần số mà tai người không nghe được thôi chứ.

[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

[C.H.V]

Tiếng huýt sáo có một phần âm nghe được và siêu âm, con chó có thể nghe được phần siêu âm.

[thuydung]

Cho mình hỏi tí.
Nhiệt độ tại hot pot khoảng 5000K và kính thước hot pot khoảng 100 micron. Vậy sao môi trường này không gây phân hủy các phân tử lân cận nó nhỉ ?. Bên trong hot pot là các phân tử dung môi hay là không có gì ?
Tại sự nén khí lại gây nên một nhiệt độ lớn như vậy ?. Sự nóng lên của ống bơm trong ví dụ của bạn là do ma sát (vì theo lý luận của bạn thì bánh xe cũng nóng luôn ?). Ngay cả những bình nén khí với áp suất rất lớn cũng không có gia tăng nhiệt gì mấy. Khi nén với áp suất cao thì sát xuất các phân tử khí va vào thành bình trong 1 đơn vị thời gian cao hơn khi ở áp suất thấp nhưng không làm tăng nhiệt độ cao như vậy được.

[C.H.V]

Cám ơn bạn đã hỏi, đây là vấn đề mình chỉ mới tìm hiểu nên mình xin trả lời,

Nguyên văn bởi thuydung

Nhiệt độ tại hot pot khoảng 5000K và kính thước hot pot khoảng 100 micron. Vậy sao môi trường này không gây phân hủy các phân tử lân cận nó nhỉ ?

hot-pot không có kích thước, nó chỉ là một tập hợp nhiệt năng sinh ra bởi cavitation. Do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất trong khoảng rộng; tốc độ gia nhiệt và làm lạnh khác thường tạo ra bởi cavitation, siêu âm tạo ra một cơ chế không bình thường và tạo một năng lượng lớn. Một năng lượng lớn được cung cấp trong một thời gian rất ngắn dưới dạng nhiệt năng, ngoài nhiệt độ còn tạo được áp suất cao. Nên mình nghĩ quá trình cavitation sẽ ảnh hưởng đến động học của phản ứng nhiều hơn là làm phân hủy tác chất hay sản phẩm.

Nguyên văn bởi thuydung

Bên trong hot pot là các phân tử dung môi hay là không có gì ?

Cavitation là một quá trình tạo mầm, bắt nguồn từ những chỗ yếu trong chất lỏng như một lỗ hổng chứa khí phân tán lơ lửng trong hệ hoặc là những vi bọt tồn tại thời gian ngắn trước khi sự tạo-vỡ bọt xảy ra. vì thế trong bọt đã có sẵn một ít khí.

Nguyên văn bởi thuydung

Tại sự nén khí lại gây nên một nhiệt độ lớn như vậy ?. Sự nóng lên của ống bơm trong ví dụ của bạn là do ma sát (vì theo lý luận của bạn thì bánh xe cũng nóng luôn ?).Ngay cả những bình nén khí với áp suất rất lớn cũng không có gia tăng nhiệt gì mấy. Khi nén với áp suất cao thì sát xuất các phân tử khí va vào thành bình trong 1 đơn vị thời gian cao hơn khi ở áp suất thấp nhưng không làm tăng nhiệt độ cao như vậy được.

Khi nén khí thì sẽ tỏa nhiệt đó là điều chúng ta biết lâu rồi. còn cái ống bơm nóng lên là gồm cả hai nhiệt là ma sát (nếu ống bơm tốt thì ma sát sẽ ít) và nén khí. còn nhiệt trong bánh xe cũng sẽ tăng nhưng do bánh xe có hai lớp ruột và vỏ (làm từ hỗn hợp cao su và bột than) cách nhiệt cũng tốt lắm. Còn cái điều mà Cavitation tạo ra hot-pot có nhiệt độ cao như vậy thì mình cũng đang thắc mắc và tìm hiểu. Nhưng người ta đã dùng những phương pháp như: kỹ thuật so sánh vận tốc để đo nhiệt độ (comparative-rate chemical thermometry) đã được thực hiện bởi K.S. Suslick, D.A. Hammerton and R.E. Cline, Jr., ở đại học Illinois để đo nhiệt độ tạo ra của quá trình cavitation và nhiệt đo được là 5200K; hot-pot tạo ra những tia lửa và dựa vào đó người ta sử dụng quang phổ phân giải cao(sonoluminescence) (được thực hiện bởi E.B. Flint and Suslick) và đo được nhiệt độ của hot-pot là 5100K. Sự phù hợp kết quả giữa việc xác định nhiệt thông qua quang phổ và việc so sánh tốc độ phản ứng để xác định nhiệt đã gây một sự bất ngờ. Điều đó chứng tỏ hot-pot có nhiệt độ gần 5000K đúng.
thân

[tmwin2009]

Cho em hỏi, mọi người ai có tài liệu về sóng siêu âm dùng trong chiết xuất dược liệu không, kể cả tài liệu tổng quan về siêu âm như: khái niệm, nguyên tắc,cơ chế hoạt động, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của nó?

[thuydung]

Cái đồ thị (thứ 3 từ trên xuống) cho thấy kích thước hot-pot mà, mấy cái hình khác cũng vậy.

Nên mình nghĩ quá trình cavitation sẽ ảnh hưởng đến động học của phản ứng nhiều hơn là làm phân hủy tác chất hay sản phẩm

Không có lý do gì để không cho rằng hot pot có thể gây phá hủy phân tử cả. Có thể chưa có thực nghiệm nào cho thấy hiện tượng này thôi.

[Temple]

bài này hay quá... anh có thể cho những ứng dụng sâu hơn của siêu âm trong mỹ phẩm, tinh dầu không? thx anh...

[0519030]

Bài viết rất hay ạ, anh ơi có thể cho em biết cụ thể hơn về tác dụng của khuấy siêu âm trong chế tạo hạt nano oxyt sắt từ ạ
Cám ơn anh rất nhiều!