nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ

Tác giả Nguyễn Văn Thông đã lắp ráp thành công máy phát siêu âm côngsuất đa tần sử dụng hai đầu phát ghép được điều khiển bởi hai mạch điện tử riêng lẻhoạt động đồng thời trong khay chứa

Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêutrong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trìnhnào khác.

Tác giả

Lê Quang Quý Tú

Luận văn thạc sỹ với đề tài Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất

kiểu hội tụ được thực hiện tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học

Huế Trong suốt thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡquý báu, cả về vật chất lẫn tinh thần

Trước hết, tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ nhiệm, các cán bộ, giảng viêncủa Khoa Vật lý, trực tiếp là Bộ môn Vật lý Chất rắn (Trường Đại học Khoa học,Đại học Huế) đã tạo mọi điều kiện để luận văn này được hoàn thành

Xin bày tỏ tình cảm biết ơn sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn, TS TrươngVăn Chương Thầy luôn theo dõi sát sao và hướng dẫn giải quyết triệt để nhữngvướng mắc mà tác giả gặp phải Thầy đã tập cho học trò của mình tư duy và niềmđam mê khoa học

Đồng cảm ơn ThS Đặng Anh Tuấn (Đại học Khoa học Huế) về những hỗ trợtích cực trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin ghi vào đây lời tri ân đến bạn trong gia đình lớp Cao học Vật lý Khóa

2010 (2010 – 2012) về những tình cảm tốt đẹp, sự giúp đỡ trong những lúc tác giảkhó khăn nhất

Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến ba mẹ và những người thân.Công cha, nghĩa mẹ, tình cảm gia đình là động lực to lớn thôi thúc tác giả hoànthành luận văn này

Huế, 9 – 2012

1.2.2 Sự nổ tung đoạn nhiệt đối của bọt chứa khí - hơi đa biến 9

1.2.3 Tính chất của cavitacy âm 10

1.3 ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM CÔNG SUẤT 15

1.3.1 Dùng siêu âm công suất để tổng hợp vật liệu mới 15

1.3.1.1 Tổng hợp vật liệu hệ vô cơ - polime 15

1.3.1.2 Tổng hợp vật liệu hệ hữu cơ - polime: vinyl polime 16

1.3.1.3 Tổng hợp vật liệu sinh học 17

1.3.1.4 Tổng hợp vật liệu vô cơ cấu trúc nano 17

1.3.2 Siêu âm trong bảo vệ môi trường và xử lý ô nhiễm 18

1.3.2.1 Xử lý nước 18

1.3.2.2 Siêu âm nước 22

1.3.2.3 Ảnh hưởng của siêu âm 23

1.3.2.4 Ứng dụng kết hợp giữa siêu âm và Ozone 24

1.3.2.5 Ứng dụng kết hợp giữa siêu âm với chiếu xạ UV 25

LANGEVIN TRÊN CƠ SỞ HỆ VẬT LIỆU GỐM

272.1 CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA GỐM

27

2.1.1 Quy trình chế tạo mẫu 28

2.1.2 Phân loại mẫu 31

2.2 CẤU TRÚC VÀ VI CẤU TRÚC CỦA GỐM

312.2.1 Cấu trúc 31

2.2.2 Vi cấu trúc 32

2.2.3 Các tính chất điện môi 33

2.2.4 Tính chất sắt điện của gốm PZT-MnZn-LBO 35

2.2.5 Các tính chất áp điện của gốm PZT-MnZn-LBO 37

2.3.5.2 Dao động theo chiều dày 42

2.3 CHẾ TẠO BIẾN TỬ CHO SIÊU ÂM HỘI TỤ 44

3.2.1 Phương pháp kích thích biến tử siêu âm 55

3.2.2 Thiết kế mạch phát siêu âm 56

3.2.3 Nguyên lý hoạt động mạch điều khiểu biến tử siêu âm 58

3.2.3.1 Sơ đồ mạch điện 58

HỘI TỤ 59

3.4 CÁC THÔNG SỐ CỦA MÁY PHÁT SIÊU ÂM KIỂU HỘI TỤ 603.4.1 Tần số làm việc, biên độ tín hiệu, dòng điện tiêu thụ 60

3.4.2 Công suất âm 61

3.5 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MÁY SIÊU ÂM HỘI TỤ ĐÃ CHẾ TẠO

633.5.1 Chế tạo nano bạc 643

3.5.2 Chế tạo nhũ tương hệ dầu tràm - nước 64

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

Bảng 2.1 Khối lượng riêng của các mẫu gốm PZT-MnZn-LBO 32

Bảng 2.2 Sự phụ thuộc của điện trường kháng và phân cực dư vào nồng độ LBO 36

Bảng 2.3 Các thông số từ phổ cộng hưởng áp điện 39

Bảng 2.4 Các thông số áp điện dao động theo phương bán kính 40

Bảng 2.5 Các giá trị tần số cộng hưởng bậc một, bậc ba và hệ số liên kết điện cơ của dao động theo chiều dày 43

Bảng 2.6 Khối lượng riêng và vận tốc âm của vật liệu 45

Bảng 2.7 Thông số hình học của các biến tử 46

Bảng 2.8 Các đặc trưng cộng hưởng của mẫu và .47

Bảng 2.9 Các thông số hình học của khối kim loại nhôm và thép 47

Bảng 3.1 Các tham số của đường làm khớp 63

Bảng 3.2 Đặc tính kỹ thuật của máy phát siêu âm hội tụ 63

Hình 1.1 Quá trình tạo bọt khí 7

Hình 1.2 Phân bố nhiệt độ trong và ngoài bọt khí 7

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của bán kính bọt khí vào tần số cộng hưởng 14

Hình 1.4 Tổng hợp các vật liệu cấu trúc nano bằng phương pháp hóa học dưới tác động của siêu âm 18

Hình 2.1 Quy trình công nghệ chế tạo gốm theo phương pháp truyền thống 28

Hình 2.2 Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu M850-2.0 31

Hình 2.3 Ảnh hiển vi điện tử quét của gốm M850-2.0 32

Hình 2.4 Sự phụ thuộc của khối lượng riêng vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các mẫu có nồng độ LBO khác nhau 33

Hình 2.5 Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu 850-1.5 33

Hình 2.6 Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu M850-2 33

Hình 2.7 Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu M850-2.5 34

Hình 2.8 Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu M850-3 34

mẫu khác nhau 34

Hình 2.10 Sự phụ thuộc nhiệt độ Curie Tc vào nồng độ LBO 35

Hình 2.11 Dạng đường trễ của các mẫu M0, M850-2, M850-2.5, M850-3 36

Hình 2.12 Dạng đường trễ của các mẫu 36

Hình 2.13 Sự phụ thuộc của phân cực dư vào nồng độ LBO 37

Hình 2.14 Sự phụ thuộc của điện trường kháng vào nồng độ LBO 37

Hình 2.15 Phổ dao động radian của mẫu M750-2 37

Hình 2.16a Phổ dao động radian của mẫu M800-2.5 37

Hình 2.16b Phổ dao động radian của mẫu M800-3 38

Hình 2.17 Phổ dao động radian của mẫu M850-2 38

Hình 2.18 Phổ dao động radian của mẫu MU5H 38

Hình 2.19 Phổ dao đông radian của mẫu M0 38

Hình 2.20 Sự phụ thuộc hệ số liên kết điện cơ kp vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các mẫu có nồng độ LBO khác nhau 41

Hình 2.2 Sự phụ thuộc hệ số phẩm chất Qm vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các mẫu có nồng độ LBO khác nhau 41

Hình 2.22 Phổ dao động cộng hưởng theo chiều dày của các mẫu 42

Hình 2.23 Sự phụ thuộc hệ số liên kết điên cơ kt vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các mẫu có nồng độ LBO khác nhau 43

Hình 2.24 Biến tử Langevin kép 45

Hình 2.25 Biến tử áp điện sau khi được chế tạo 46

Hình 2.26 Phổ cộng hưởng áp điện của (a) mẫu , (b) mẫu 46

Hình 2.27 Mạch đo điện áp xuất hiện trên biến tử khi chịu lực ép 48

Hình 2.28 Biến tử ghép đã chế tạo 48

Hình 2.29 Mặt cắt của biến tử ghép 48

Hình 2.30 Phổ cộng hưởng áp điện của (a) hệ biến tử, (b) biến tử tự do 49

Hình 3.1 Một số dạng đầu phát trong hệ siêu âm công suất 50

Hình 3.4 Đầu phát siêu âm hội tụ đã lắp ráp hoàn thiện 54

Hình 3.5 Phổ cộng hưởng của đầu phát siêu âm 54

Hình 3.6 Sơ đồ khối của máy phát siêu âm kiểu hội tụ 55

Hình 3.7 Mô hình biến tử Butterworth- Van Dyke 56

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại công suất đẩy-kéo 57

Hình 3.9 Biến áp suất âm 58

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của máy phát siêu âm đơn 58

Hình 3.11 Sơ đồ mạch in của mạch phát siêu âm đơn 59

Hình 3.12 Chùm hội tụ của sóng siêu âm trong môi trường nước 60

Hình 3.13 Dạng tín hiệu trên các biến tử của máy phát 60

Hình 3.14 Máy phát siêu âm hội tụ thành phẩm 61

Hình 3.15 Thí nghiệm đo công suất âm 62

Hình 3.16 Sự gia tăng nhiệt độ của nước theo thời gian dưới tác dụng của siêu âm hội tụ

62 Hình 3.17 Phổ UV-VIS của dung dịch nano bạc nồng độ 100 ppm 64

Hình 3.18 Trước khi siêu âm 65

Hình 3.19 Sau khi siêu âm 65

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Siêu âm là một trong những lĩnh vực khoa học phát triển khá nhanh trongthời gian hiện nay Tuỳ thuộc vào tần số, công suất phát của các nguồn siêu âm màchúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, khoa học vàcông nghệ

Trong nông nghiệp, sóng siêu âm có tác dụng rất hiệu quả đến quá trình xử

lý giống, kích thích sinh trưởng Dưới tác động của sóng siêu âm, các chất vi lượngtrong đất được giải phóng và năng suất cây trồng được nâng cao, tác dụng cải tạođất hiệu quả hơn Sóng siêu âm đã được ứng dụng trong việc thăm dò, đánh bắt hảithuỷ sản Trong y học, nhờ những tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật điện tử - tin học - tựđộng hóa, các thiết bị chẩn đoán, thăm dò, điều trị, phẫu thuật và vi phẫu thuật hiệnđại dựa trên nguyên lý sóng siêu âm đã được đưa vào sử dụng Kỹ thuật điều trịbằng siêu âm cũng ngày càng tỏ ra hiệu quả trong việc điều trị nhiều loại bệnh khácnhau Làm sạch bằng siêu âm được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứukhoa học, đời sống là một trong những ví dụ điển hình về tính hiệu quả của siêu âm

Như chúng ta đã biết, nhiệt độ cao và áp suất lớn là hai thông số vật lý quantrọng nhất trong bất kỳ một quá trình nào liên quan đến việc chế tạo vật liệu Có thểnói, ai làm chủ được hai thông số này, người đó có thể chế tạo được bất kỳ một vậtliệu nào theo mong muốn Hiện nay, người ta đang quan tâm nghiên cứu ứng dụngsiêu âm công suất cao để chế tạo các vật liệu vô cơ, hữu cơ, vật liệu điện tử có cấutrúc nano

Với một nguồn phát siêu âm công suất lớn, hiệu ứng cavitacy hình thành cácbọt khí có áp suất nội đến hàng nghìn atmotphe, nhiệt độ biểu kiến khoảng 5000 K,tốc độ tăng và giảm nhiệt độ đạt tới 1010 K/s Các phản ứng hoá học không thể xảy

ra trong điều kiện thường, sẽ dễ dàng thực hiện khi có mặt của sóng siêu âm côngsuất cao Các dung dịch khác nhau không thể hoà tan sẽ dễ dàng trộn lẫn vào nhaumột cách đồng nhất và dễ dàng khi có mặt siêu âm Trong xử lý chất thải bảo vệmôi trường, siêu âm hiện đang được chú trọng như một tác nhân siêu oxy hoá tiên

tiến Siêu âm có thế làm gia tăng tốc độ, hiệu suất chiết tách các hợp chất quý màcác phương pháp thông thường không thể đạt được

Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng của siêu âm công suất caovẫn còn hạn chế Để thúc đẩy và góp phần vào lĩnh vực này và trên cơ sở trang thiết

bị tại phòng thí nghiệm khoa lý Trường đại học Khoa học Huế, chúng tôi chọn

“Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ” làm đề tài cho

Luận văn Thạc sỹ

2 Tính cấp thiết của đề tài

Sự cần thiết nghiên cứu

Ngày nay, những ứng dụng siêu âm trong các lĩnh vực khác nhau, đòi hỏicông suất phát cao chẳng hạn như : khoan, mài, cắt các vật liệu cứng, máy giặt siêu

âm, hàn bằng siêu âm hay những ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp và đặc biệt

là trong lĩnh vực chế tạo vật liệu Trong những năm gần đây, thiết bị phát siêu âmcông suất phục vụ cho việc chế tạo các vật liệu có cấu trúc nano rất cần thiết chonhiều lĩnh vực và có khả năng phân hủy nước thải, chiết tách vật liệu, diệt tảo độc ởcác nơi nước bị nhiễm độc…[9] Tuy nhiên, việc chế tạo biến tử phát với công suấtlớn gặp nhiều khó khăn, bởi vì để có công suất cao thì ngoài các đặc tính vật lý củavật liệu, chúng còn đòi hỏi về hình dạng và kích thước, chẳng hạn như chiều dàitheo phương truyền sóng và diện tích bề mặt lớn, do đó rất khó để chế tạo Vì vậy,

kỹ thuật hội tụ để nâng cao công suất phát là một đòi hỏi thiết yếu đặt ra

Ý nghĩa về lý luận và thực tiễn của đề tài

Đề tài góp phần vào những nghiên cứu cơ bản về siêu âm công suất và ứngdụng

3 Tình hình nghiên cứu và tính mới của đề tài

Tình hình nghiên cứu

Năm 2009, nhóm nghiên cứu gồm Tiến sỹ Trương Văn Chương, Thạc sỹ LêQuang Tiến Dũng, Thạc sỹ Nguyễn Đình Tùng Luận và Thạc sỹ Thân Trọng Huy,Khoa Vật lý – ĐH Khoa học Huế, là nhóm đầu tiên đã chế tạo thành công thiết bịphát siêu âm công suất với tần số 33.2 kHz và công suất siêu âm 117W [2], [3], [6]

Tác giả Nguyễn Văn Thông đã lắp ráp thành công máy phát siêu âm côngsuất đa tần sử dụng hai đầu phát ghép được điều khiển bởi hai mạch điện tử riêng lẻhoạt động đồng thời trong khay chứa siêu âm trên nguyên lý hiệu ứng tạo phách đểtạo ra một dải tần số rộng Từng biến tử được ghép trong một tổ hợp phản xạ và bức

xạ siêu âm để tập trung năng lượng siêu âm vào trong khay chứa Mạch điện tửđược đo đạc chỉnh lý phù hợp với hệ biến tử để khai thác hiệu suất cao nhất Máyphát có công suất trung bình 156.5 W, bồn rửa có kích thước đảm bảo yêu cầu sửdụng trong các phòng thí nghiệm để tổng hợp vật liệu, đặc biệt là vật liệu điện tử cócấu trúc nano [8] Năm 2011, trên hệ gốm Pb(Zr0.51Ti0.49)O3 - 0.4%wt MnO2 –0.25%wt ZnO, Thạc sỹ Đặng Anh Tuấn đã hoàn thiện máy phát siêu âm dưới nước

sử dụng biến tử dạng đĩa [9] Cũng trên nền vật liệu này, Thạc sỹ Phan Thanh Hà đãnghiên cứu và chế tạo thành công biến tử phát siêu âm dùng trong thiết bị kiểm trakhông phá huỷ bê tông [5]

Tính mới của đề tài

Lần đầu tiên sử dụng đầu hội tụ để tập trung năng lượng siêu âm vào mộtvùng đã được định trước nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng

4 Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu áp điện PZT(51/49) − 0.4%wt MnO2 −

0.15%wt ZnO pha chất chảy LBO thiêu kết ở nhiệt độ thấp Chế tạo biến tử áp điệnhình xuyến

- Lắp ráp biến tử ghép kiểu Langevin và thiết kế đầu hội tụ

- Thiết kế mạch kích phát sóng siêu âm

- Lắp ráp máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm, sử dụng công nghệ gốm truyền thống

- Sử dụng thiết bị nghiền hành tinh PM 400/2 MA để chế tạo mẫu

- Sử dụng nhiễu xạ tia X và ảnh SEM nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc

- Các phương pháp đo: sử dụng các phương pháp đo hiện đại được tự độnghóa đã trang bị tại bộ môn vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trường Đại học khoa học,

Đại học Huế như: RLC Hioki 3532, HP 4193A, Impedance HP 4396B, hệ đo đườngtrễ sắt điện sử dụng phương pháp mạch Sawyer – Tower, cân điện tử M -120

- Tính toán các thông số áp điện theo chuẩn IRE 1961 và IRE 1987.

6 Cấu trúc của luận văn

Các nội dung chính của luận văn được triển khai trong ba chương

Chương 1 Tổng quan về siêu âm công suất

Trong chương này, chúng tôi trình bày một số khái niệm về siêu âm côngsuất và các ứng dụng của siêu âm công suất để minh chứng cho vai trò của nó trongcác lĩnh vực khác nhau của đời sống, khoa học và công nghệ

Chương 2 Chế tạo biến tử siêu âm công suất kiểu hội tụ

- Chế tạo vật liệu trên cơ sở gốm Pb(Zr0.51Ti0.49)O3 – 0.4%wt MnO2 −

0.15%wt ZnO pha chất chảy LBO

- Thiết kế biến tử Langevin kiểu hội tụ

Chương 3 Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ

- Thiết kế mạch điện tử kích thích phát sóng siêu âm

- Thiết kế và lắp ráp máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ

- Xác định các thông số của máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ

- Thử nghiệm ứng dụng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM CÔNG SUẤT

1.1 HIỆU ỨNG SINH LỖ HỔNG

Hóa học ứng dụng siêu âm gọi là âm hóa học (sonochemistry) đã trở thànhmột lĩnh vực nghiên cứu mới trong thập kỷ qua Lịch sử của ngành âm hóa học pháttriển sau những năm 1800 Năm 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 thấy có những bóng khí lớn hình thành trên chân vịt củatàu khi tàu đang chạy Bằng cách tăng kích thước của chân vịt và giảm vận tốc quaycủa chân vịt, họ đã hạn chế được sự hình thành và vỡ của những bóng khí và giảmđược ăn mòn Hiệu ứng này được gọi là cavitation (tạm dịch là "sự tạo và vỡ bọt"

và thường quen gọi là cavitacy)

Cavitacy xảy ra không những trong sự xoáy mạnh của dòng chảy mà còn xảy

ra trong trường hợp chiếu xạ môi trường lỏng bằng sóng siêu âm cường độ cao.Chiếu xạ siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên gấp nhiều lần Ảnh hưởnghóa học của sóng siêu âm được được chia thành ba hướng: âm hóa học đồng pha sửdụng trong dung dịch lỏng (homogeneous sonochemistry of liquids), âm hóa học dịpha sử dụng trong hệ lỏng–lỏng hay lỏng–rắn (heterogeneous sonochemistry ofliquid-liquid or liquid-solid systems) và âm học xúc tác (sonocatalysis) Do cavitacychỉ 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

Sóng siêu âm có bước sóng khoảng 10cm – 10-3 cm Các sóng trong vùng nàykhông tạo đủ năng lượng để tương tác trực tiếp lên liên kết hóa học (không thể làmđứt liên kết hóa học) Tuy nhiên, sự chiếu xạ siêu âm trong môi trường lỏng lại sinh

ra một năng lượng lớn, do đó gây nên một hiện tượng vật lý gọi là cavitation, quátrình này phụ thuộc vào môi trường phản ứng (môi trường đồng thể lỏng rất khác sovới cavitation ở bề mặt tiếp xúc rắn-lỏng)

Siêu âm được chiếu xạ qua môi trường lỏng tạo ra một chu trình giãn nở,gây ra áp suất âm (negative pressure) trong môi trường lỏng Hiện tượng cavitation

xảy ra khi áp suất chân không 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.Thông thường sự tạo − vỡ bọt là một quá trình tạo mầm, bắt nguồn từ những chỗyếu trong chất lỏng như một lỗ hổng chứa khí phân tán lơ lửng trong hệ hoặc lànhững vi bọt tồn tại thời gian ngắn trước khi sự tạo − vỡ bọt xảy ra Hầu hết cácchất lỏng đều có đủ những chỗ yếu này để hình thành nên cavitation.

Những vi bọt này qua sự chiếu xạ của siêu âm sẽ hấp thu dần năng lượng từsóng và sẽ phát triển Sự phát triển của bọt phụ thuộc vào cường độ của sóng Ởcường độ sóng cao, những bọt này sẽ phát triển nhanh thông qua tương tác quántính 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, cứthế bọt lớn dần lên và vỡ Ở cường độ âm thấp hơn bọt khí cũng hình thành theoquá trình chậm hơn

Trong chất lỏng được chiếu xạ bởi siêu âm, khí bị nén khi các bọt bị vỡ vàotrong dưới áp lực bên ngoài của chất lỏng, làm phát sinh ra một lượng nhiệt tại mộtđiểm gọi là sự tỏa nhiệt tại một điểm (hot-spot) Tuy nhiên trong môi trường xungquanh là lỏng lạnh và sự gia nhiệt nhanh chóng bị dập tắt, nên nó tồn tại trong thờigian ngắn Hot-spot là yếu tố quyết định của âm hóa học trong môi trường đồng thể

Hot spot có nhiệt độ xấp xỉ 5000 K, áp suất khoảng 1000 atm, thời gian sốngngắn hơn 1μs, tốc độ gia nhiệt và làm lạnh trên 10s, tốc độ gia nhiệt và làm lạnh trên 1010 K/giây Một sự so sánh gầnđúng như sau: Hot-spot tạo được nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ bề mặt của mặt trời, ápsuất lớn như dưới lòng đại dương, thời gian sống như một tia chớp, thời gian làmlạnh nhanh gấp hành triệu lần khi nhúng một thanh sắt nóng đỏ vào chậu nước Sựtạo và vỡ bọt đóng vai trò như một quá trình trung gian để nhận và tập trung nănglượng của sóng âm và chuyển năng lượng này sang dạng có ích cho hóa học

Ngoài ra, vùng phân giới xung quanh các bọt khí sinh lổ hổng có nhiệt độ, ápsuất và có thể có sự biến thiên điện trường rất lớn Sự vận chuyển chất lỏng trongcác vùng lân cận này còn làm phát sinh sự biến thiên về biến dạng và sức căng rấtlớn do dòng chảy rất nhanh của các phân tử dung môi xung quanh các bọt khí sinh

lổ hổng cũng như sự va chạm mãnh liệt của các sóng phát ra trong quá trình vỡ tancủa các bọt khí Các hiệu ứng vật lý này có tầm quan trọng đặc biệt trọng trong việctổng hợp các vật liệu polime bằng phương pháp hóa học có sự tác dụng của siêu âm

Hệ quả cuối cùng của nhiệt độ cao là các phản ứng hoá học dễ dàng xảy ra Áp suấtcao dẫn đến tăng số lượng phân tử va chạm, và vì vậy chúng làm tăng độ linh độngphân tử và kết quả làm gia tăng tốc độ phản ứng hoá học

1.2 ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ NỔ TUNG BỌT KHÍ [8]

1.2.1 Sự nổ tung của bọt chứa hơi

Cho đến nay có khá nhiều phương pháp khác nhau dẫn ra phương trìnhRayleigh – Plesset mô tả sự hình thành, phát triển và nổ tung của các bọt khí (lỗhổng) hình cầu Hầu hết các phương pháp đều xuất phát từ sự cần bằng năng lượng

cơ hoặc gần đúng động học chất lưu

Từ định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc u tại vị trí r và thời điểm t đượcbiểu diễn bởi

r

t F t r

T t

F

L

s

v( ) 2 1

dt

dR R t

Nếu chúng ta xem rằng chất lưu được mô tả bởi mô hình này là chất lỏngNewton (không bị nén), khi đó chúng ta có thể sử dụng phương trình chuyển độngdạng Vavier - Stoke theo phương bán kính để mô tả sự lớn lên hoặc sự nổ tung củabọt khí

u r r r r

u u t

u r

p

L L





(1.4)Thay (1.1) vào (1.4), và loại bỏ thành phần chứa L, ta có phương trình

5

2 2

) ( 2 ) ( 1 1

r

t F dt

t dF r r

4

2

) ( 2

1 ) ( 1

r

t F dt

t dF r

p p

Để giải phương trình này, chúng ta cần phải đưa ra điều kiện biên tại thànhbọt và F(t) Hàm F(t) được xác định từ phương trình (1.3) và sự cân bằng lực tạithành bọt có dạng:

u R

p R

dR r

R dr

du

dt

dR r

R u

3 2 2 2

Kết hợp phương trình (1.6) tại p p r R với các phương trình (1.7), (1.8), khi

đó phương trình Reyleigh – Plesset mô tả động học của bọt khí có dạng:

R dt

dR R dt

dR dt

R d R t p t p

L L

L L

2

3 )

( )

1.2.2 Sự nổ tung đoạn nhiệt đối của bọt chứa khí - hơi đa biến

Trong hầu hết các trường hợp, một lượng khí nào đó chắc chắn sẽ bị bẫytrong các bọt trống Có nhiều cách để mô tả hiện tượng này, ví dụ tính đến sự vậnchuyển khí qua lớp biên Để đơn giản, chúng ta mô tả khí có trong bọt bởi sự đónggóp bằng một áp suất p G0nào đó Khi đó, áp suất tại một ví trí bất kỳ trong bọt khí

có dạng:

k o B G B V B

R

R T

T p T p t

3

) ( )

Sự thay đổi áp suất của khí khi bán kính bọt biến đổi có thể là một quá trìnhđẳng nhiệt (k =1) hoặc đoạn nhiệt (k = ) Trong trường hợp đoạn nhiệt, giá trị k =1.4 đối với chất khí lý tưởng là không khí Thay (1.10) vào (1.9), khi đó chúng tanhận được phương trình Rayleigh-Plesset khi tính đến có một lượng khí chứa trongbọt:

3

2 2

thời gian rất ngắn Vì vậy, tỷ số nhiệt độ trong thành phần thứ 3 cũng được bỏ qua.Phương trình Rayleigh – Plesset đối với sự nổ tung đoạn nhiệt của chất khí đa biếnkhi nhiệt độ của bọt không đổi được viết dưới dạng:

R dt

dR R dt

dR dt

R d R R

R p t p T

p

L L

L o

L

G L

2

3 )

( )

2

2 3

1.2.3 Tính chất của cavitacy âm

Để mô tả đầy đủ phương trình Rayleigh – Plesset, phần áp suất bên ngoài( )

p t cần được xác định Trong trường hợp hiệu ứng cavitacy âm được hình thành

do các nguồn siêu âm công suất cao sinh ra, khi đó p t( ) có thể viết dưới dạng:

t p

p t

L L

A

C

p I

2

2

Thực nghiệm có thể xác định được biên độ áp suất âm bằng phương pháp đonhiệt lượng Đầu phát siêu âm được nhúng vào trong dung dịch, độ tăng nhiệt củadung dịch trong quá trình phát siêu âm được đo chính xác, khi đó nhiệt lượng sinh

ra do đầu phát siêu âm sẽ được xác định Để có số liệu chính xác, nhiệt lượng kếphải được thiết kế chính xác, có như vậy nhiệt lượng do nguồn siêu âm phát rachính xác bằng nhiệt lượng hấp thụ của dung dịch Tổng công suất đo được trong thínghiệm này chia cho diện tích của đầu phát siêu âm sẽ cho ta cường độ I Sử dụngphương trình (1.14), chúng ta tính được biên độ áp suất âm trong phương trình (1.13)

Sử dụng phương trình (1.14), khi đó áp suất bên ngoài có thể được xác địnhbằng phương trình sau:

) 2 sin(

2 )

Như vậy, sự phân bố áp suất trong hệ được xác định chủ yếu bởi hai thông sốcủa nguồn âm, đó là cường độ và tần số Trong hầu hết các thực nghiệm, nguồn siêu

âm được phát ra với tần số xác định Thông thường các nguồn siêu âm công suấthiện nay chủ yếu làm việc tại các tần số trong dải từ 20 đến 40 kHz

Cường độ trường âm sinh ra bởi các nguồn phát siêu âm nói chung là khôngđồng nhất, nó phụ thuộc vào khoảng cách d đối với nguồn phát dưới dạng:

) exp( d I

3

8

L L

L C

Nói chung, từ các phương trình trên chúng ta có thể xác định được sự phân

bố trường âm trong hệ với một độ chính xác nào đó

Người ta cũng đã phát hiện thấy rằng, cường độ và tần số phát của nguồn âmcũng như bán kính ban đầu của bọt có ảnh hưởng mạnh đến hiệu ứng sinh lỗ hổng.Nói chung khi cường độ âm tăng, tỷ số của bán kính bọt cực đại và bán kính banđầu đều tăng và như vậy thời gian sống của bọt cũng tăng Tuy nhiên, cũng có một

số nghiên cứu lại cho thấy có một sự sai khác nào đó khi bắt đầu tăng cường độ âm.Người ta thấy rằng bán kính cực đại của bọt lại giảm khi bắt đầu tăng áp suất âm vàsau đó áp suất của bọt khi nổ tung lại giảm

Sự tăng của tần số nguồn phát cũng ảnh hưởng đến thời gian sống của bọtgiống như khi tăng công suất Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của tần số đến bán kính cựcđại của bọt có thể bỏ qua so với sự thay đổi của cường độ khi chúng ta không tínhđến hiệu ứng nén trong các thảo luận nói trên Thực tế khi tính đến hiệu ứng néncủa chất lưu, người ta đã chỉ ra rằng khi tăng tần số thời gian sống của bọt sẽ giảm

và sự nổ tung của bọt là nhanh hơn và hết sức mãnh liệt tại tần số rất cao

Kích thước bọt ban đầu ảnh hưởng mạnh đến hiệu ứng cavitacy âm Nóichung khi áp suất bắt đầu tăng, các bọt có kích thước ban đầu lớn sẽ phát triểnnhanh hơn các bọt nhỏ, và các bọt nhỏ có thời gian sống ngắn hơn Trên cơ sở môphỏng qúa trình hình thành hiệu ứng cavitacy trong nước và xem chúng là một chấtlưu bị nén, người ta đã đưa ra được mối quan hệ giữa áp suất của bọt cavity với bánkính ban đầu của bọt R0, cường độ I và tần số f:

 v LC

c

p p

R



 3

6 ) (

o o

V amb c

R R

p p

Năng lượng sinh ra trong quá trình nổ của các bọt cavitacy có thể được xácđịnh từ điều kiện nổ tung đoạn nhiệt của bọt chứa khí Tại thời điểm bùng nổ, bọt cóbán kính ban đầu Rmax, áp suất thủy tĩnh của môi trường xung quanh bọt là P, lớpchất lỏng quanh bọt có chiều dày  và bán kính cuối cùng của bọt sau khi nổ là R.Xem bọt có dạng hình cầu, khi đó công sinh ra trong quá trình nổ tung của bọt sẽ là:

Năng lượng sinh ra trong quá trình nổ của các bọt cavitacy có thể được xácđịnh từ điều kiện nổ tung đoạn nhiệt của bọt chứa khí Tại thời điểm bùng nổ, bọt cóbán kính ban đầu Rmax, áp suất thủy tĩnh của môi trường xung quanh bọt là P, lớpchất lỏng quanh bọt có chiều dày và bán kính cuối cùng của bọt sau khi nổ là R.Xem bọt có dạng hình cầu, khi đó công sinh ra trong quá trình nổ tung của bọt sẽ là:

) ( 3

max

R P

Công suất phát ra khi bọt nổ tung trong khoảng thời gian t được xác định bởi:

t

P R

với, là khối lượng riêng của chất lỏng quanh bọt Thay giá trị này vào phươngtrình (2.23) ta có:



3 2 max

6

1 366

Cuối cùng, từ điều kiện nổ tung đoạn nhiệt chúng ta có thể dẫn ra phươngtrình đoạn nhiệt đối với nhiệt độ và áp suất như sau:

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của bán kính bọt khí vào tần số cộng hưởng.

Mối quan hệ giữa tần số f và bán kính R được biểu diễn theo phương trình(1.29)

3 2

Trong đó,  là hệ số đa hướng,  là mật độ của môi trường chất lỏng và P0

là áp suất thủy tĩnh

Cường độ của sóng xung kích được tạo ra bởi sự nổ tung bọt khí trong nước,

nó trực tiếp liên quan tới kích thước bọt khí trong nước Sự tạo thành bọt khí lớnhơn sẽ tạo ra một sóng xung kích mãnh liệt hơn khi nó nổ tung Kích thước của bọtkhí được tạo ra bởi một sóng siêu âm tỷ lệ nghịch với tần số tương ứng, tần số càngthấp thì kích thước bọt khí càng lớn Đó là vì một tần số thấp hơn sẽ phát sinhnhững mặt sóng trong một khoảng thời gian dài hơn giữa chúng do đó cho phépnhiều thời gian hơn cho sự tăng trưởng của bọt khí Số lượng bọt khí trong nướcđược tạo ra tăng lên cùng với tần số Nếu công suất đầu vào siêu âm là hằng số thìthiết bị phát tần số thấp sẽ tạo ra ít hơn những sự nổ tung bọt khí trong nước ứngvới năng lượng cao hơn trong khi một tần số cao hơn sẽ tạo ra nhiều những sự nổtung bọt khí trong nước ứng với năng lượng thấp hơn

Tần số

Bán kính bọt khí

1.3 ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM CÔNG SUẤT

Như đã đề cập, sóng siêu âm công suất ngày càng được sử dụng rộng rãitrong lĩnh vực khác nhau của đời sống, khoa học và công nghệ Dưới đây, chúng tôitrình bày một số ứng dụng quan trọng

1.3.1 Dùng siêu âm công suất để tổng hợp vật liệu mới [4], [7]

1.3.1.1 Tổng hợp vật liệu hệ vô cơ - polime

Các chất polime được chế tạo ra dưới tác động siêu âm đã hạn chế hơn sự đaphát tán nhưng có trọng lượng phân tử lớn hơn so với các polime được chế tạo dướicác điều kiện thông thường Sự tăng cường quá trình trùng hợp càng chịu tác độngcủa axit xúc tác càng dẫn đến phản ứng đồng nhất và vì vậy làm chiều dài chuỗipolime giảm đi Tuy nhiên, vẫn tồn tại sự thoái biến do siêu âm tác động đến chiềudài của chuỗi polime cần phải được nghiên cứu kỹ trong giai đoạn cuối cùng củaphản ứng trùng hợp

Sử dụng phương pháp Wurtz đã hạ thấp được nhiệt độ loại bỏ các tạp chấthalogen trong hệ vật liệu polime vô cơ trên nền silicon (polysilane) Tuy nhiên hiệusuất của phương pháp này thấp, các phản ứng khó tái tạo và dẫn đến sự phân bốkhối lượng phân tử trong một khoảng rộng và thường tồn tại hai hoặc ba sự phân bốkhác nhau của các polime Để khắc phục những hạn chế này, Kim cùng các đồng sự

đã sử dụng phương pháp hóa học kết hợp với tác động của siêu âm đã chế tạo cácvật liệu polime này với sự phân bố trọng lượng phân tử theo một cách thức duynhất Tuy nhiên hiệu suất thấp (10 – 15) % Trong nhiều công trình gần đây, Price

& Patel đã xác minh rằng một số polysilanes với các chất thay thế khác nhau đượctổng hợp có hiệu suất cao hơn và tốc độ phản ứng nhanh hơn khi có sự tác động củasiêu âm Mặc khác, ảnh hưởng của cường độ sóng siêu âm đến trọng lượng phân tửpolime và sự phân bố trọng lượng trong các điều kiện giống nhau đã được xác minhmột cách rõ ràng rằng, khi cường độ sóng siêu âm cao thì sự phân bố hẹp hơn vàphân tử gam nhỏ hơn

1.3.1.2 Tổng hợp vật liệu hệ hữu cơ - polime: vinyl polime

Đa số các polymer hữu cơ không được tổng hợp từ các monomer chứa tươngtác liên kết đôi (chẳng hạn như -olefins và vinyl monomers), mà phải trải qua sựphát triển chuỗi hoặc các phản ứng phụ Phương pháp tổng hợp đơn giản là bắt đầu

từ các gốc tự do trong dung dịch Các gốc tự do được tạo ra từ hiệu ứng hình thành

lỗ hổng do tác động của sóng siêu âm trong chất lỏng

Thuyết cơ giới của Price và các đồng sự đã chỉ ra một số đặc điểm của phảnứng trùng hợp dưới tác động của siêu âm Các polymer với trọng lượng phân tử caođược hình thành trong phản ứng này, nhưng chiều dài mắt xích ngắn lại khi thờigian tương tác dài Siêu âm tạo ra các gốc tự do cần thiết cho phản ứng trùng hợpban đầu Điều này có thể xảy ra theo hai hướng Sự tác động của siêu âm lên cácmonomer tinh khiết làm phát sinh các gốc tự do thông qua sự phân hủy bên trongbọt khí hoặc ở bề mặt phân giới của nó, hoặc là sự phân hủy của các chất phụ giaban đầu có thể làm tốc độ phản ứng tăng nhanh hơn Khi tạo được nhiệt độ, áp suấthơi dung môi và cường độ siêu âm phù hợp, người ta có thể phán đoán và điềukhiển tốc độ của các phản ứng ban đầu Tốc độ phản ứng ban đầu tỉ lệ với nồng độmonomer và phụ thuộc vào căn bậc hai của cường độ siêu âm Trọng lượng nguyên

tử cuối cùng thay đổi nghịch đảo với nồng độ monomer và tỉ lệ nghịch với căn bậchai của cường độ siêu âm Về cơ bản, tốc độ ban đầu tỉ lệ với số lượng các vị trísinh lỗ hổng có thể có, nghĩa là phụ thuộc vào cường độ sóng siêu âm ban đầu Sửdụng cơ chế này có thể mô tả được sự phụ thuộc tốc độ phản ứng trùng hợp vào thờigian, trọng lượng phân tử và sự chuyển biến polymer, phù hợp tốt với các kết quảthực nghiệm

Trái ngược với ban đầu, nhiệt độ cao làm gia tăng tốc độ phản ứng trùnghợp Ở các bước cuối cùng, sự tồn tại phản ứng giữa hai phân tử gốc, không phụthuộc mạnh vào nhiệt độ, trong khi đó, việc bổ sung monomer vào sự phát triển dãymắt xích được điều khiển bởi sự khuếch tán sẽ tăng lên theo nhiệt độ Thực nghiệm

đã khẳng định, siêu âm ít ảnh hưởng đến quá trình lan truyền hoặc các tương tác banđầu Mức độ dịch chuyển lớn gây ra bởi dòng chảy âm và sự tương tác giữa các

sóng sinh ra các lổ hổng tạo ra các lực gây biến dạng rất lớn, tương tác phá vỡ cácgiọt nhỏ của dung dịch và giữ lại một lượng nhỏ, và thậm chí phân bố lại kích thướccác giọt nhỏ.

1.3.1.3 Tổng hợp vật liệu sinh học

Một ứng dụng quan trọng khác của sóng siêu âm trong phản ứng hóa học là tổnghợp vật liệu sinh học, đáng chú ý nhất là các tiểu bào tử protein Mặc dù, ảnh hưởng vềmặt hóa học của siêu âm vào các dung dịch có nước đã được nghiên cứu trong nhiềunăm nay, nhưng tác động siêu âm trong môi trường có nước đối với sự tổng hợp vật liệusinh học mới được quan tâm gần đây, đặc biệt đối với polymer cao cấp

Cơ chế gây ra sự hình thành tiểu cầu tử là sự tổ hợp của hai hiện tượng âmhọc, đó là sự chuyển thành thể sữa và sự hình thành lỗ hổng Sự chuyển thể sữadưới tác động của siêu âm tạo ra sự phân tán cực nhỏ của dung dịch protein cầnthiết để hình thành các tiểu cầu tử có chứa protein Tuy nhiên, chỉ có sự hình thànhthể sữa sẽ không đủ để sinh ra các tiểu cầu tử có thời gian sống dài Thời gian sốngdài của các tiểu cầu tử do sự liên kết chéo của các lớp protein dưới tác động củasiêu âm

1.3.1.4 Tổng hợp vật liệu vô cơ cấu trúc nano

Các dung dịch rắn được chế tạo từ các thành phần có kích thước nano cónhiều tính chất khác biệt so với các các dung dịch rắn chế tạo theo phương phápthông thường Việc tổng hợp các vật liệu có cấu trúc nano bao gồm các kỹ thuật phakhí, các phương pháp pha lỏng và các phương pháp hỗn hợp pha Đối với phạm vi

kỹ thuật này, hơn 10 năm trước các phản ứng hóa học, hợp chất hữu cơ kim loại dễbay hơi dưới tác động của siêu âm đã được khai thác như một phương pháp thôngthường để tổng hợp các vật liệu có cấu trúc nano, hình 1.4

Sử dụng các điều kiện mãnh liệt bên trong một bọt khí sinh lỗ hổng Suslick và đồng sự đã chế tạo ra các trạng thái khác nhau của cấu trúc nano và thông thường các kim loại vô định hình, hợp kim, cacbua và đã kiểm chứng hoạt động xúc tác của chúng Các hợp chất hữu cơ kim loại dễ bay hơi phân

hủy bên trong các bọt khí nổ tung và kết quả các nguyên tử kim loại kết tụ để hình thành các vật liệu có cấu trúc nano

Hình 1.4 Tổng hợp các vật liệu cấu trúc nano bằng phương pháp hóa học

dưới tác động của siêu âm

1.3.2 Siêu âm trong bảo vệ môi trường và xử lý ô nhiễm [17], [23], [24], [26]

1.3.2.1 Xử lý nước

 Khử độc sinh học

Xử lý nước có thể phân thành hai loại, xử lý nước thải và xử lý nước uống.Thông thường, Clo được sử dụng để giảm thiểu số lượng vi sinh vật trong nước.Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại những vấn đề liên quan đến phương pháp này:

• Vi sinh vật (đặc biệt là vi khuẩn) có khả năng sinh ra giống chịu được mức

độ xử lý bình thường của Clo Điều này có thể được khắc phục bằng cách sử dụngnồng độ Clo cao hơn Tuy nhiên, khi nồng độ Clo cao sẽ tạo ra chlorophenol vàhalocarbon có mùi khó chịu

• Một số loài vi sinh vật kết thành các cụm khuẩn có dạng cầu hoặc các cụmlớn và bào tử tích tụ trong các cụm này Khi khử trùng bằng Clo chỉ có thể tiêu diệtnhững vi sinh vật trên bề mặt của các cụm khuẩn và các sinh vật bên trong vẫn còntồn tại

• Các kết tủa keo tụ có thể bao bọc vi khuẩn và bảo vệ bào tử của chúng từviệc khử trùng bằng Clo

Năm 1960, các nghiên cứu về cơ chế tương tác của siêu âm đến các tế bào visinh vật đã chỉ ra rằng, hiện tượng sinh lỗ hổng và sự phá vở biến dạng có liên quan,nhiệt định xứ và sự hình thành gốc tự do được phát hiện là nguyên nhân chính Đếnnăm 1975, người ta thấy rằng, siêu âm đã bào mòn một lớp mỏng thành tế bào visinh vật do sự giải phóng của màng tế bào chất từ thành tế bào Các loại thiết bịđược sử dụng cho mục đích này là các hệ thống siêu âm hội tụ hoạt động tại tần số

20 kHz Đây là những nguyên mẫu đầu tiên của mô hình siêu âm hội tụ thườngđược sử dụng để phóng thích các tế bào lơ lửng của vi sinh vật mà không phân hủyhoặc làm biến tính chúng Một số giả thuyết đã được đưa ra để mô tả cơ chế phânhủy tế bào dưới tác động của siêu âm Tất cả đều bắt nguồn từ hiệu ứng sinh lỗhổng

Các hiệu ứng cơ của sóng siêu âm công suất trong các dung dịch hóa học chủyếu là do hiệu ứng sinh lỗ hổng và các lực tương tự có ảnh hưởng rất lớn đến các hệsinh học Bong bóng nổ tung tạo lực cắt cao và các dòng chất lỏng trong dung môicũng có thể có đủ năng lượng để phân hủy cấu trúc của thành tế bào/màng Tácđộng cơ của loại này đã được sử dụng trên một quy mô nhỏ để khử trùng nước bị ônhiễm Sự phân hủy như vậy cũng tạo ra các gốc tự do có khả năng diệt vi sinh vật

Mặt khác, hiệu ứng sinh lỗ hổng ổn định tạo ra vi dòng chảy trong chất lỏngxung quanh, chúng cũng có thể tác động lực đến bất kỳ loài vi sinh vật nào tồn tại.Dạng này của hiệu ứng sinh lỗ hổng tương đối quan trọng trong một loạt các ứngdụng của siêu âm đối trong lĩnh vực công nghệ sinh học Sự nổ tung của bong bóng

lỗ hổng sẽ tạo ra các vi dòng chất lỏng đối lưu, các vi dòng này làm gia tăng mạnhquá trình chuyển đổi khối lượng tại mặt phân cách giữa trạng thái lỏng rắn Trong

vi sinh vật tồn tại hai miền mà sóng siêu âm có thể đẩy mạnh quá trình chuyển đổikhối lượng Thứ nhất là, màng tế bào và/hoặc thành tế bào và thứ hai là trong bàotử

Hầu hết các thí nghiệm siêu âm được thực hiện trong điều kiện đẳng nhiệt.Ngay cả một gia tăng nhỏ về nhiệt độ của vi khuẩn, cũng có thể ảnh hưởng đến cả

hệ thống vận chuyển chủ động và thụ động của màng/thành tế bào này và có thể làm

gia tăng quá trình hấp thu các hợp chất Nếu nhiệt độ không được kiểm soát, khithực hiện siêu âm có thể dẫn đến một sự gia tăng nhiệt độ lớn và gây ra sự biến tínhcủa các enzym, protein và các thành phần tế bào khác có mặt trong các vi sinh vật

Với một cường độ siêu âm thích hợp, chúng ta có thể quan sát thấy vi dòngnội bào bên trong các tế bào động vật và thực vật, quá trình chuyển động quay củabào quan và eddying trong không bào của tế bào thực vật Những hiệu ứng này sẽthúc đẩy quá trình trao đổi chất của tế bào, và có thể được sử dụng trong cả côngnghệ sinh học và vi sinh học Đặc biệt là trong các lĩnh vực phân hủy sinh học vàlên men

Hiệu ứng sinh lỗ hổng xảy ra trong bất kỳ hệ chất lỏng nào cũng đều dẫn đến

sự hình thành các gốc tự do Đối với siêu âm nước, các hydrogen peroxide và cácgốc tự do đặc biệc được tạo ra, chúng kết hợp với nhau để hình thành các hợp chất

có khả năng diệt khuẩn và oxy hóa mạnh

 Phân hủy chất gây ô nhiễm sinh học trong nước

Để đạt được sự phân hủy hoàn toàn các chất gây ô nhiễm sinh học trong môitrường nước, thông thường người ta sử dụng siêu âm cường độ cao Trong hai thập

kỷ qua, một số kỹ thuật khử trùng thông thường liên quan đến hóa chất, ánh sáng tiacực tím và xử lý nhiệt đã trở nên kém hiệu quả đối với một số vi khuẩn có sức đềkháng cao Để khắc phục tình trạng này, người ta thường sử dụng siêu âm để hỗ trợcho các kỹ thuật khác

Siêu âm năng lượng thấp có khả năng tăng cường tác dụng của Clo Khửtrùng bằng Clo hoặc chỉ với siêu âm không thể tiêu diệt hoàn toàn các loài vi khuẩntồn tại Tuy nhiên, khi siêu âm được kết hợp với khử trùng bằng clo thì hoạt tínhsinh học (biocidal action) được cải thiện đáng kể Trong trường hợp này, sóng siêu

âm có tác dụng bẻ gãy và phân tán các đám vi khuẩn lớn ra từng vi khuẩn riêng lẻ.Các vi khuẩn bị tách ra từ các đám sẽ dễ dàng bị tấn công bởi hóa chất Ngoài ra,hiệu ứng sinh lỗ hổng gây hại đến thành tế của bào vi khuẩn, khi đó các chất diệtkhuẩn sẽ dễ dàng xâm nhập vào vi khuẩn và tiêu diệt chúng

Một vấn đề nữa trong xử lý nước là sự xuất hiện của tảo Tảo có thể bị tiêudiệt dễ dàng khi chịu tác động của siêu âm Để xử lý tảo có hiệu quả, có thể sử dụngsiêu âm tần số cao với công suất thấp Siêu âm tần số cao tạo điều kiện thuận lợicho hoạt động cấp tiến tại mặt phân cách giữa chất lỏng và chất khí Nếu các bongbóng nhỏ được tạo ra trong môi trường siêu âm tần số cao lớn, sẽ làm tăng diện tích

bề mặt chất khí chất lỏng Các bong bóng, bản thân chúng là các “mầm" hìnhthành hiệu ứng sinh lỗ hổng Đây là cơ sở của phương pháp loại bỏ và kiểm soáttảo

Nhiều vi sinh vật có khả năng tạo thành các cấu trúc kháng lại bằng cách ngủđông (không hoạt động) khi chịu tác động của áp suất Các cấu trúc này chính làbào tử hoặc túi (nang) Sự hình thành bào tử là một hiện tượng của số một số loài visinh vật Bào tử có hai chức năng, thứ nhất là một tác nhân cho sự phát tán của sinhvật, thứ hai là duy trì sự sống còn của nó trong các điều kiện bất lợi Bào tử nấm tồntại nhiều trong bọt xốp của các con sông và dòng suối mà qua đó chúng được phântán Để đảm bảo sự sống còn của bào tử, chúng phải có khả năng chống chọi với cácđiều kiện bất lợi hơn so với tế bào bố mẹ của chúng Sau khi được hình thành, các tếbào này trải qua giai đoạn ngủ đông Một số bào tử có một cuộc sống rất dài chẳnghạn như bào tử bệnh than (anthrax), trong đất chúng có thể sống hơn 50 năm Cácbào tử có sức đề kháng mạnh có thể chống chọi được sự tấn công của ánh sáng cựctím, hóa chất và enzyme Vì vậy, bất kỳ một kỹ thuật xử lý nước nào, ngoài quátrình tiêu diệt vi sinh vật còn phải hủy diệt được các bào tử có mặt

Các loại vi khuẩn potozoa, Cryptosporidium pravium, là nguyên nhân củamột bệnh truyền qua nước được gọi là cryptosporidiosis Loại vi khuẩn này gây khóchịu nghiêm trọng cho hệ thống tiêu hóa ở người và đặc biệt nghiêm trọng ở trẻ em

và người cao tuổi Phương pháp xử lý thông thường không đủ và không phải là mộtrào cản an toàn trong việc ngăn ngừa lây truyền qua nước của cryptosporidiosis, đâycũng là mối quan tâm chính của các nhà cung cấp nước Cryptosporidium praviumhình thành bào tử được gọi là kén hợp tử có một bức tường rất dày ở bên ngoài, đãngăn cản hoặc làm cho các chất khử trùng nó rất khó để xâm nhập vào kén hợp tử

Các chất khử chẳng hạn như Clo, ánh sáng tia cực tím sẽ không thể phá hủy đượckén hợp tử Việc sử dụng siêu âm hỗ trợ cho việc khử trùng nước bị ô nhiễm kénhợp tử cryptosporidium đã được nghiên cứu khá chi tiết Kết quả cho thấy, siêu âmlàm giảm số lượng kén hợp tử (khoảng 25% trong 2 phút)

1.3.2.2 Siêu âm nước

Nếu một dung dịch bão hòa oxy, khi chịu tác động của siêu âm sẽ hình thànhhydrogen peroxide Điều này là do hydroxyl (•OH) và hydroperoxyl (•OOH) hìnhthành do hiệu ứng sinh lỗ hổng Các gốc tự do hình thành từ sự phân hủy và bên trong bong bóng và đã được quan sát bằng thí nghiệm bẫy sipn và được mô tảbằng chuỗi các quá trình sau:

Khi siêu âm được thực hiện trong môi trường không khí bão hòa, sự hình thành của

được đi kèm với sự hình thành của các ion nitơ và nitrat Những ion này có

nguồn gốc từ quá trình oxy hóa phân tử nitơ với và bên trong bong bóng.

Trong giai đoạn đầu của quá trình xử lý, và được tạo ra đồng thời Khi

phản ứng tiến triển, tỷ lệ giảm và các ion nitrite xuất hiện với nồng độ tăng

Điều này cho thấy và là các sản phẩm chính của siêu âm nước được cân

bằng với không khí và được hình thành từ quá trình oxy hóa bởi hydroperoxide Tuy nhiên, các loài có chứa nitơ, không tham gia chính trong siêu âm hóagây ra các quá trình oxi hóa hữu cơ

1.3.2.3 Ảnh hưởng của siêu âm

Đa số các hệ thống đã được nghiên cứu là dung dịch nước của một trong haihợp chất thơm hoặc các dẫn xuất halogen hydrocacbon Các mô hình vật liệu nhưvậy đại diện cho phần lớn các lớp chất ô nhiễm hữu cơ trong chất thải, nước ngầm.Các sản phẩm chủ yếu do xữ lý siêu âm hóa của phenol tại tần số làhydroquinone và catechol Các hợp chất này dễ dàng theo dõi và thấy rõ, chúng làmôi trường trung gian và biến mất khi các phản ứng thực hiện Tương tự như vậy,siêu âm dung dịch nước 4 − chlorophenol tạo ra các sản phẩm chủ yếu là đặc trưngcủa quá trình oxy hóa gốc •OH chẵng hạn 4 − chlorocatechol, nhưng trong cả haitrường hợp các sản phẩm hữu cơ cuối cùng là và

Nhìn chung, hydrocarbon chloroaromatic phân hủy nhanh hơn các hợp chất

ưa nước như phenol Việc phân hủy hai loại chất gây ô nhiễm xảy ra tại các vị tríkhác nhau trong hoặc xung quanh bong bóng lỗ hổng và theo các cách khác nhau

Sự khác biệt trở nên rõ rệt hơn khi các chất ô nhiễm bay hơi nhiều được sử dụng

Điều này được minh chứng gọn gàng trong một nghiên cứu so sánh sự phân hủy củaphenol (axit cacboxylic) và carbon tetrachloride trong nước bão hòa oxy ở tần sốkhác nhau

Sự xuất hiện của một tần số tối ưu tại 20 kHz, được giải thích thông qua conđường phản ứng hai bước Trong siêu âm nước, bước đầu tiên tạo ra các gốc tự dotrong bong bóng Trong bước hai gốc tự do di chuyển đến bề mặt bong bóng hoặcvào trong môi trường dung dịch nước khối để tạo thành peroxide hoặc phản ứng vớicác chất nền phenolic Các tác giả cho rằng, tại các tần số thấp hơn là hiệu quả nhấtcho sự phân hủy các phân tử bên trong bong bóng, nhưng tỷ lệ tái kết hợp các gốc

tự do bên trong bong bóng ở nhiệt độ cao để tạo thành nước do đó làm giảm năngsuất tổng thể của

Khi tần số tăng, quá trình dao động và nổ tung của bong bóng xảy ra nhanhchóng hơn và nhiều gốc tự do thoát khỏi bong bóng Tuy nhiên, khi tần số tăng sẽ làmgiảm mật độ bong bóng lỗ hổng và điều này làm giảm năng suất của các gốc tự do

1.3.2.4 Ứng dụng kết hợp giữa siêu âm và Ozone

Quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) là một loạt các phương pháp xữ lý nướcliên quan đến việc hình thành tại chỗ của các gốc tự do đặc biệt, các gốc hydroxylriêng biệt, với số lượng đủ để ảnh hưởng đến chất gây ô nhiễm hóa học hoặc sinhhọc Quá trình này bao gồm chiếu xạ siêu âm và tia cực tím, nhưng đôi khi khônghiệu quả để khắc phục các loại nước có chứa hỗn hợp các hợp chất hữu cơ và vô cơ.Tác nhân oxy hóa hóa học có thể được sử dụng để đẩy mạnh khả năng oxy hóa chocác quy trình Quá trình xử lý ozone kết hợp với siêu âm là một trong những quátrình được lựa chọn

Ozone (O3) là một chất oxy hóa rất mạnh, nó có thể oxy hóa các hợp chấthữu cơ thành khí carbon dioxide và nước, nhưng tốc độ phản ứng đối với nhiều chất

gây ô nhiễm chậm Tuy nhiên, ozone đã được sử dụng rộng rải tại các nhà máy xử

lý nước và nước thải

Trong quá trình kết hợp giữa siêu âm và xử lý ozone, gốc được tạo ra từ

ba nguồn, thứ nhất là từ quá trình phân hủy siêu âm hóa của nước, thứ hai là từ sựphân hủy hóa học bình thường của ozone và cuối cùng là từ sự phân hủy nhiệt củaozone trong bong bóng hiệu ứng sinh lỗ hổng âm

Các nghiên cứu về quá trình kết hợp liên quan đến siêu âm và ozone đã chothấy tốc độ phân hủy các chất gây ô nhiễm hóa chất nhanh hơn so với chỉ một mìnhsiêu âm Quá trình siêu âm − ozone cũng có hiệu quả cho việc khử trùng nước,trong trường hợp này, siêu âm cũng có một số tác động trực tiếp đến vi khuẩn vàvirus

Một vấn đề môi trường đã tồn tại trong một thời gian dài đã được loại bỏ Đó

là chất màu từ các dòng nước thải của các nhà máy dệt kể từ khi sự hiện diện củathuốc nhuộm còn lại là khá rõ ràng ngay cả ở cấp độ loãng thấp Có một vài phươngpháp thông thường để giải quyết các vấn đề này bao gồm quá trình hấp thụ vào thanhoạt tính, quá trình kết đám, quá trình oxy hóa hóa học, xử lý ozone và chiếu xạ vớiánh sáng UV Siêu âm có thể được đưa vào bất kỳ một trong những quá trình này.Tuy nhiên, sự kết hợp của siêu âm với quá trình xử lý ozone đặc biệt hiệu quả hơn

1.3.2.5 Ứng dụng kết hợp giữa siêu âm với chiếu xạ UV

Nhiều công bố về ứng dụng kết hợp siêu âm và ánh sáng tia cực tím (UV) đểphân hủy các chất ô nhiễm hóa học Một nghiên cứu về quá trình oxy hóa của axithumic và tiền chất trihalomethane với ozone đã cho thấy sự phân hủy hiệu quả nhấtcác hợp chất hữu cơ carbon đã đạt được khi cả UV và siêu âm được sử dụng kết hợpvới quá trình ozone hóa Trong trường hợp khác chẵng hạn như việc loại bỏ 1,1,1tri − hloroethane từ dung dịch nước, ứng dụng kết hợp giữa siêu âm và tia cực tímđược chứng minh là hiệu quả hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật hoặc chỉ siêu âm

Phân hủy quang hóa cũng có thể được thực hiện trong sự tồn tại của các hạthuyền phù của các vật liệu quang hoạt tính như chúng đóng vai trò là nơi hấpthụ chất nền vào khi chiếu xạ bề mặt bằng bức xạ UV chẵng hạn như quá trình oxy

hóa sulfua sulphones và sulphoxides Công nghệ này đã được thích nghi với sựphân hủy polychlorobiphenyl (PCB) trong nước thải Khi siêu âm được kết hợp vớiquá trình xúc tác quang, khử clo được cải thiện đáng kể Sự cải thiện này là kết quảcủa ba tác động cơ của siêu âm hóa cụ thể là làm sạch bề mặt, giảm kích thước hạt

và tăng quá trình vận chuyển khối lượng đến bề mặt bột

Một sự kết hợp tương tự như siêu âm và xúc tác quang cũng đã được công bố

để phá hủy 2,4,6 trichlorophenol trong dung dịch nước Một đầu phát siêu âm(22kHz) với một nguồn ánh sáng UV (15 W) đã được sử dụng để kiểm tra tác độngcủa các điều kiện hoạt động khác nhau như cường độ siêu âm, nhiệt độ phản ứng vàquá trình truyền UV

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BIẾN TỬ ÁP ĐIỆN KIỂU LANGEVIN

TRÊN CƠ SỞ HỆ VẬT LIỆU GỐM

2.1 CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA GỐM

Gốm áp điện cứng hệ

hiện đang được sử dụng để chế tạo biến tử cho máy rửa, máyphát siêu âm dưới nước Hệ gốm này có các tính chất điện môi, sắt điện, áp điệntốt khi được nung thiêu kết tại nhiệt độ 1050 oC [1]

Nghiên cứu làm giảm nhiệt độ thiêu kết có ý nghĩa quan trọng trong thựctiễn Điều này có thể làm giảm được năng lượng tiêu thụ, ô nhiễm môi trường

Có rất nhiều phương pháp làm giảm nhiệt độ thiêu kết Trong số các phươngpháp đó, phương pháp thiêu kết pha lỏng bằng cách thêm vào các phụ gia được

sử dụng nhiều nhất Phương pháp này là khá đơn giản, chất chảy thêm vào khithiêu kết làm cho quá trình tạo pha dễ dàng và làm tăng mật độ gốm Vì vậy,nhiệt độ thiêu kết gốm thấp hơn so với phương pháp truyền thống

Zhlium (1989) đã sử dụng B2O3 – Bi2O3 – CdO như là một chất kích hoạtpha lỏng, hạ được nhiệt độ thiêu kết của gốm PZT xuống còn 960 oC và các tínhchất áp điện được cải thiện

Năm 2007, các tác giả R Mazumder, A Sen đã nghiên cứu nhiệt độ thiêu kếtcủa gốm PZT siêu thấp, hạ thấp nhiệt độ siêu thấp bằng cách đưa các hợp chất banđầu về bột có cấu trúc nano và thêm chất chảy LiBiO2 (LBO) Kết quả, gốm PZTthiêu kết tại nhiệt độ 750 oC thêm 2%wt LBO có hệ số liên kết điện cơ cao nhất kp =0.62 [18]

Năm 2000, các tác giả ở Nhật Bản đã chế tạo gốm PZT với nhiệt độ thiêukết thấp bằng cách thêm vào tạp chất để hạ thấp nhiệt độ thiêu kết và nâng caocác tính chất vật lý của gốm Gốm Pb(Zr 0.53Ti0.47)O3 có thể thiêu kết ở nhiệt độ

800 oC trong 2h khi thêm vào LBO + CuO [8]

Việc nghiên cứu nhằm giảm nhiệt độ thiêu kết mà không làm giảm cáctính chất của gốm đã được đặt ra Các tính chất của chất thuỷ tinh 4PbO.B2O3 đãđược Fajans và Kreidl nghiên cứu (1948) Thuỷ tinh không chỉ có nhiệt độ tanchảy thấp mà còn tồn tại khả năng phân cực rất cao, điều này rất thuận lợi đểphân cực cho gốm Nhiệt độ tan chảy của 4PbO.Bi2O3 vào khoảng 500 oC Vìvậy, nó có thể cung cấp pha lỏng cho toàn bộ quá trình thiêu kết nhưng nếu thêmhàm lượng 4PbO.Bi2O3 vượt quá giới hạn hòa tan sẽ làm giảm tỷ lệ phát triển cỡhạt

Năm 2011, các tác giả Hàn Quốc đã nghiên cứu hệ gốm PMN-PFN-PZT về

sự ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến tính chất áp điện, mật độ gốm Kết quảnghiên cứu cho thấy rằng, tạp Li2CO3 đó ảnh hưởng rất lớn đến quá trình thiêu kết

và các tính chất vật lý của hệ gốm trên

Một số báo cáo nhắc đến nhược điểm của chất phụ gia thêm vào khi thiêukết, đã làm thay đổi tính chất áp điện của thành phần gốc Trong chương này, chúngtôi tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của LiBiO2 đến các tính chất của gốm

Mục tiêu là chế tạo được gốm ởnhiệt độ thấp hơn 1000 oC song vẫn có các thông số áp điện cao, đáp ứng tốt cácyêu cầu của biến tử siêu âm công suất

2.1.1 Quy trình chế tạo mẫu

Hệ gốm PZT(51/49) – 0.4%wt MnO2 – 0.15%wt ZnO – x%wt LiBiO2 (viết tắt

là PZT – MnZn − LBO) được chế tạo theo phương pháp truyền thống [9].

Hình 2.1 Quy trình công nghệ chế tạo gốm theo phương pháp truyền thống

Bước 1: Chuẩn bị vật liệu

Phối liệu ban đầu là các oxit: PbO, ZrO2, TiO2, MnO2 và ZnO đều có độ sạchtrên 99% Ở nhiệt độ trên 800 oC PbO sẽ bay hơi mạnh, nên cần thiết phải đưa thêmmột lượng PbO dư để bù vào sự bay hơi đó trong quá trình nung Lượng PbO bổ sungđược chọn là 5% toàn bộ khối lượng Nguyên liệu ban đầu được cân bằng cân điện tửDenver Instrument M-120 có độ chính xác 10-4 gam

Bước 2: Nghiền lần 1

Công việc này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tạo ra sự đồng nhấtcủa gốm, làm cho các hạt bột mịn và trộn lẫn vào nhau đồng đều, giúp chúng dễdàng tạo phản ứng pha rắn khi nung Cần phải lưu ý đến việc các tạp chất lẫn vàotrong quá trình nghiền, trộn Để hạn chế tối đa sự ảnh hưởng này, quá trình nghiềntrộn được tiến hành bằng phương pháp nghiền hành tinh PM400/2 –MA-Type sửdụng bi zirconia trong thời gian 20 giờ

Bước 3: Ép nung sơ bộ

Có 4 quá trình vật lý xảy ra trong gia đoạn nung sơ bộ, đó là: sự giãn nởtuyến tính của các hạt trong vùng nhiệt độ phòng đến cỡ 400 oC, phản ứng pha rắn(400 – 750) oC, Sự co ngót của sản phẩm (750 – 800) oC và cuối cùng là sự pháttriển cỡ hạt ở nhiệt độ trên 800 oC

Tổng hợp các hợp chất bằng phản ứng pha rắn là sử dụng phản ứng hoá họcxảy ra khi có sự khuếch tán các nguyên tử giữa các hạt nằm kề nhau, tại nhiệt độthấp hơn nhiệt độ nóng chảy của các vật liệu tham gia phản ứng Nếu sử dụng các

định luật khuếch tán trên cơ sở mô hình các hạt hình cầu, khi đó phương trình mô tảtốc độ phản ứng có thể viết dưới dạng:

Chất chảy được chế tạo từ Li2CO3 và Bi2O3 Cân phối liệu theo tính toán đểtạo ra lượng LiBiO2 (LBO) cần thiết Cho vật liệu vào cối nghiền 1h sau đó ép, nungtại nhiệt độ 600 oC trong 1h và nghiền lại 1h

Bước 5: Ép và nung thiêu kết

Mẫu được ép định hình ở áp lực thấp (150 kg/cm2) và được nung thiêu kếttrong thời gian 3 giờ ở các nhiệt độ 750 oC, 800 oC, 850 oC tốc độ gia nhiệt

10oC/phút

Bước 6: Xử lý mẫu

Bề mặt mẫu được mài bằng giấy nhám có độ mịn tăng dần trên máy mài LabpolDuo8 cho đến khi đạt độ dày mong muốn, sau đó rửa sạch mẫu bằng siêu âm trước khitạo điện cực Cần đặc biệt chú ý về độ phẳng của bề mặt và song phẳng giữa hai bề mặtmẫu