Review về công nghệ siêu âm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
VIỆN PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG

CÁC PHƯƠNG PHÁP MỚI TRONG
TỔNG HỢP HỮU CƠ

1


NỘI DUNG

2


1. Giới thiệu
Siêu âm được định nghĩa là âm thanh có tần số
vượt quá tần số mà tai người có thể đáp ứng. Thường
là nằm trong khoảng từ 20 kHz đến hơn 100 MHz.
20Hz

HẠ ÂM

20kHz

100MHz

SIÊU ÂM

ÂM THANH
20kHz- 100 kHz

Tai con người
không cảm
nhận được

Tai con
người cảm
nhận được

Dùng trong việc
rửa, hàn plastic
và có ảnh
hưởng đến phản
ứng hóa học.

2MHz- 10MHZ

Dùng trong y
khoa, phân
tích hóa học

3


1. Giới thiệu
Sóng siêu âm cơng suất cao có thể tạo ra hiện tượng xâm thực
trong chất lỏng và thông qua quá trình xâm thực cung cấp một
nguồn năng lượng có thể được sử dụng để tăng cường một
loạt các q trình hóa học (hóa âm).
Các ứng dụng của siêu âm hóa học bao gồm phân hủy các
chất ơ nhiễm, tổng hợp hóa học, làm sạch, nhuộm da và ủ mỡ.

Ngồi ra, sóng siêu âm cịn làm tăng q trình polymer hóa,
phá trùng hợp, q trình kết tủa, đuổi khí, tinh thể hóa các đơn
tinh thể và các q trình tinh thể hóa trong luyện kim màu,
luyện kim đen.
4


1. Giới thiệu
Ở Việt Nam hiện nay công nghệ siêu âm được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực:
+ Máy siêu âm trong y học
+ Làm sạch bằng sóng siêu âm
+ Chế tạo vật liệu điện tử có cấu trúc nano
+ Thiết bị dị cá bằng sóng siêu âm
+ Trong nơng nghiệp

5


2. Cơng nghệ siêu âm
2.1. Cấu tạo
Thiết bị phát sóng siêu âm
gồm 3 phần:
Bộ phận chuyển điện năng
Bộ phận biến đổi dòng điện
xoay chiều tần số cao  dao
động
Hệ thống truyền sóng truyền
dao động vào trong lịng chất
lỏng

Hình 1. Thiết bị phát sóng siêu âm dạng thanh

6


2. Cơng nghệ siêu âm
2.2. Ngun lí hoạt động

Hình 2. Sự hình thành và sụp đổ của bong bóng tạo bọt

7


3. Siêu âm trong tổng hợp vật liệu
3.1. Tổng hợp vật liệu nano
Trong bài báo “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu TiO2/CNTs bằng
phương pháp thủy phân kết hợp siêu âm từ tetra-isopropylorthotitanate (TPOT) và carbon nano ống (Carbon nanotubesCNTs)” của nhóm tác giả Nguyễn Đức Vũ Quyên
Với tỉ lệ mol TPOT/CNTs =12,5 %; pH = 8 và siêu âm 2 giờ,
dung dịch xanh metylen có nồng độ ban đầu 20 ppm, liều
lượng 1 g/L

KẾT QUẢ: vật liệu TiO2/CNTs thu được có khả năng
xúc tác quang hóa tốt, hiệu suất quang xúc tác phân
hủy xanh metylen của vật liệu đạt 92,2 %.
8


3. Siêu âm trong tổng hợp vật liệu
3.1. Tổng hợp vật liệu nano

Hình 3. Ảnh SEM của các vật liệu TiO2/CNTs tổng hợp ở những thời
gian siêu âm khác nhau (A) 0,5 giờ; (B) 1 giờ; (C) 1,5 giờ; (D) 2 giờ;
9
(E) 2,5 giờ; (G) 3 giờ.


3. Siêu âm trong tổng hợp vật liệu
3.1. Tổng hợp vật liệu nano
“Tổng hợp ZIF-67 trong ethanol có hỗ trợ của sóng siêu âm”
của nhóm tác giả Lê Văn Dương
Phương pháp: XRD, SEM, TEM, FT-IR, hấp phụ - nhả hấp
phụ N2 và TGA/DTA

Kết quả: các tinh thể ZIF-67 tạo thành có độ bền nhiệt
cao đến 350°C, độ tinh thể cao, kích thước tinh thể đồng
đều khoảng 50nm (theo TEM)

KẾT LUẬN

Kết quả vật liệu nano-ZIF-67 đã được tổng hợp
trong dung môi ethanol có hỗ trợ của sóng siêu
âm giúp thời gian tổng hợp ngắn hơn so với
phương pháp nhiệt dung môi thông thường.
10


3. Siêu âm trong tổng hợp vật liệu
3.2. Tổng hợp polymer
Những thay đổi vật lý do siêu âm gây ra trong các hệ thống

polymer bao gồm:
+ Sự phân tán của chất độn và các thành phần khác vào
polymer cơ bản (như trong công thức của sơn),
+ Sự bao bọc các hạt vơ cơ bằng polymer, thay đổi kích
thước hạt trong bột polymer
+ Hàn và cắt nhựa nhiệt dẻo.

11


3. Siêu âm trong tổng hợp vật liệu
3.2. Tổng hợp polymer

Một trong những báo cáo đầu tiên về kỹ thuật này là
của Urban & Salazar-Rojas, người đã làm việc với poly
(vinylidene difluoride), một vật liệu áp điện.
Sau khi xử lý với một bazơ mạnh, quá trình khử flo sẽ
tạo ra một bề mặt với các liên kết đôi carbon-carbon,
và siêu âm đẩy nhanh quá trình này một cách đáng kể.

12


3. Siêu âm trong tổng hợp vật liệu
3.3. Vật liệu vơ cơ
Việc tăng cường hóa
âm đối với khả năng
phản ứng của các kim
loại đã trở thành một kỹ
thuật tổng hợp đặc biệt

Đối với tần số siêu âm
20kHz, liên quan đến sự
hình thành vi tia khơng
thể xảy ra đối với các
hạt rắn nhỏ hơn 200
µm.

Hình 4. Ảnh hưởng của chiếu xạ siêu
âm đến hình thái bề mặt của bột Ni.

13


3. Siêu âm trong tổng hợp vật liệu
3.4. Vật liệu vơ định hình
Trong bài “Tổng hợp siêu âm hóa học của vật liệu tổng hợp
Sb2S3-graphene vơ định hình cho pin natri-ion thơng qua
phương pháp siêu âm” nhóm tác giả Wenjia Zhao
Kết quả:
+ Vật liệu tổng hợp có thể cung cấp dung lượng xả lần đầu là
1867,1 mAh g-1 và duy trì dung lượng đảo ngược trên 880
mAh g-1 cực dương cho SIB sau 50 chu kỳ.
+ Bền và khả năng thích nghi với những thay đổi nghiêm
trọng về âm lượng.
KẾT
LUẬN

Các vật liệu cấu trúc nano được tổng hợp
thông qua phương pháp hóa âm siêu âm có
thể mở ra những địa điểm mới cho các ứng

dụng trong vật liệu lưu trữ năng lượng.

14


4. Tách chiết HCHC
Trong bài báo “Tối ưu hóa điều kiện chiết xuất có sự hỗ
trợ của sóng siêu âm đối với hợp chất Alkaloid từ thân củ
nghệ đen (Curcuma zedoaria)” của nhóm nghiên cứu
Nguyễn Thị Ái Lan
Phương pháp đáp ứng bề mặt ở nồng độ ethanol 69%,
nhiệt độ siêu âm 62oC, thời gian siêu âm là 15 phút và tỷ lệ
nguyên liệu/ dung môi là 1/30 (w/v)

Kết quả: thu được hàm lượng alkaloid đạt
288,24 mg AE/g cao chiết
15


4. Tách chiết HCHC
Nghiên cứu của nhóm tác giả Hồng Thùy Dương đã “Đánh
giá hoạt tính sinh học của cao chiết lá trầu không (Piper
betle L.) thu nhận bằng phương pháp chiết siêu âm”.
KẾT QUẢ: Thu được hàm lượng phenolic và flavonoid tổng
của cao chiết với ethanol 96% lần lượt đạt 382,327 mg
GAE/g cao chiết và 55,073 mg QE/g cao chiết.
KẾT
LUẬN

Phương pháp sử dụng sóng siêu âm được xem là kỹ

thuật trích ly nhanh và hiệu quả cho q trình chiết
xuất các hợp chất sinh học từ thực vật vì nó làm tăng
tỷ lệ khuếch tán và cho phép dung môi thâm nhập
nhanh hơn vào nguồn nguyên liệu.
16


5. Làm sạch bằng công nghệ siêu âm
5.1. Bể rửa siêu âm

Là một thiết bị sử dụng bộ phát sóng siêu âm tần số cao
ghép nối trực tiếp vào loa siêu âm để tạo ra dao động cơ học
với tần số siêu âm.
Dao động cơ học sẽ làm cho các phân tử chất lỏng chuyển
động hỗn loạn liên tục dưới dạng bọt khí, va chạm vào mọi
bề mặt và ngóc ngách của vật cần tẩy rửa.
Các bể rửa siêu âm được dùng để làm sạch: Trang sức, mắt
kính, các bộ phận quang học, đồng hồ, dụng cụ phẩu thuật
nha khoa, kim phun nhiên liệu của xe máy và xe hơi, các
thiết bị điện tử,…
17


5. Làm sạch bằng công nghệ siêu âm
5.1. Bể rửa siêu âm

Hình 4: Bể làm sạch siêu âm trong hóa âm

18

5. Làm sạch bằng công nghệ siêu âm
5.1. Bể rửa siêu âm
Trong một bài báo của nhóm tác giả Trần Hữu Danh về “Bể rửa ứng
dụng sóng siêu âm”.
Đối với rau xà lách xoong với sóng siêu âm tần số 28KHz.
Kết quả tỉ lệ giảm dư lượng thuốc trừ sâu như sau: mẫu 2 giảm 20,2%,
mẫu 3 tăng 20,3% và mẫu 4 giảm 7,2% so với mẫu 1 (nguyên mẫu
không được rửa bởi bể rửa siêu âm hoặc rửa bằng tay).

KẾT LUẬN

Với mơ hình bể rửa ứng dụng sóng siêu âm, có
thể làm giảm dư lượng thuốc bảo vệ thực vật
nhất định trong nông sản sau thu hoạch.
Thời gian rửa và cường độ phát sóng siêu âm
dùng để rửa cho mỗi loại nông sản là khác nhau
19


5. Làm sạch bằng cơng nghệ siêu âm
5.2. Xử lí nước thải
Trong bài “Ứng dụng sóng siêu âm tần số thấp để tiền
xử lý bùn hữu cơ” của nhóm tác giả Lê Minh Tuấn
Khảo sát với thời gian siêu âm tiền xử lý được đặt ở mức 0,
10, 20, 30 phút với tần số 37 kHz và công suất 1500 W lên
hàm lượng tổng carbon hữu cơ (TOC), tổng carbon hữu cơ
hòa tan (STOC), chất rắn bay hơi (VS) và hiệu quả q trình
phân hủy yếm khí anaerobic thu hồi khí biogas
Kết quả: thời gian siêu âm khơng ảnh hưởng đến nồng độ

TOC, STOC và VS. Khả năng loại bỏ TOC của mẫu bùn đối
chứng so với mẫu siêu âm 30 phút chênh nhau 25%. Lượng
khí sinh học thu được lớn nhất ở mẫu có thời gian siêu âm là
30 phút.
20