I. Khái niệm siêu âm
Siêu âm là âm thanh ở tần số cao nằm ngoài ngưỡng nghe của con người. Sóng siêu âm có thể truyền qua được bất kỳ dạng vật chất nào (rắn, lỏng, khí). Tai người chỉ có thể nghe được trong vùng từ 16 – 18kHz, cao hơn dùng cho các mục đích khác (chẳng hạn tổng hợp hữu cơ ^^)
Năng lượng của âm thanh rất thấp, khoảng 10-10eV
II. Tác dụng của sóng âm lên vật chất
Sóng âm không tác dụng trực tiếp lên vật chất mà tác dụng thông qua tương tác gián tiếp gọi là sự tạo bọt.
Trong điều kiện yên lặng (không siêu âm), các phân tử chất lỏng nằm sát nhau. Dưới tác dụng của âm thanh tần số cao thì các chu kỳ “giãn” và “nén” xảy ra liên tục và rất nhanh, lúc này các phân tử chất lỏng khi đó bị tách ra tạo thành “bọt” (khoảng trống liên phân tử). “Bọt” ngày càng lớn lên trong các chu kỳ giãn, nén liên tục. Đến một mức giới hạn bọt sẽ “xẹp” lại, sự “vỡ bọt” tạo ra một năng lượng và áp suất rất lớn (5000oC, 2000atm)
Bọt trong môi trường dị thể rắn-lỏng có hình dạng như sau:
Bọt tràn, xoáy trôn ốc vào trong chất rắn, sau đó dẹp lại rồi xoáy vào bề mặt chất, hiện tượng liên tục xảy ra đến khi vỡ bọt
III. Thiết bị siêu âm
1. Bể siêu âm
Bể siêu âm là thiết bị rẻ tiền nhất và thông dụng nhất trong các phòng thí nghiệm hóa học. Siêu âm chủ yếu được tạo ra bằng biến năng (transducer) đặt dưới đáy bình truyền qua môi trường đến hệ thống phản ứng.
Tuy nhiên năng lượng siêu âm sinh ra trong trường hợp này khá yếu nên nó chủ yếu sử dụng để làm sạch dụng cụ thủy tinh nhiều hơn là tiến hành phản ứng hóa học, nhất là các phản ứng dị thể
2. Thanh siêu âm
Thiết bị này có thể chuyển trực tiếp năng lượng siêu âm vào hệ thống phản ứng nên không cần phải khuấy trộn liên tục như trong trường hợp dùng bể siêu âm. Một ưu điểm khác nữa là có thể kiểm soát được năng lượng trong hệ thống này và năng lượng siêu âm tạo ra mạnh hơn rất nhiều
IV. Hóa âm
Cũng như vi sóng, siêu âm có thể giúp đẩy nhanh tiến độ của một phản ứng hóa học và cho kết quả tốt hơn nhiều so với việc sử dụng các phương pháp cổ điển thông thường
Tuy nhiên thú vị hơn vi sóng ở chỗ siêu âm có thể cho các sản phẩm bình thường cũng như bất thường mà hiện nay vẫn chưa thể giải thích đầy đủ
V. Cải tạo vật liệu
Một công dụng đặc biệt của siêu âm là có thể thay đổi bề mặt vật liệu khiến cho nó trở nên hoạt tính hơn. Chẳng hạn hình dưới là bề mặt của Ni sau khi siêu âm, lúc này hầu như lớp oxit không hoạt tính trên bề mặt đã được “dọn dẹp” sạch sẽ làm tăng khả năng phản ứng
Tài liệu tham khảo
1. Bài giảng Hóa học xanh cho lớp cao học K18 – PGS TS Lê Ngọc Thạch, Đại học KHTN – ĐHQGTPHCM
2. Handbook of Green chemistry and Technology; Wiley 2006
3. The chemistry of ultrasound; University of Chicago, 1994
Leave a Reply