SIÊU ÂM TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ

Siêu âm có thể tạo 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 tốc độ phản ứng lên gần một triệu lần.

SIÊU ÂM TRONG TỔNG HỢP

HỮU CƠ

SIÊU ÂM TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ

III Ưu và nhược điểm khi sử dụng siêu âm trong tổng hợp hữu cơ

IV Ứng dụng siêu âm trong tổng hợp hữu cơ

I Tổng quan về siêu âm

có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người (16-20kHz)

I Tổng quan về siêu âm

2 Bản chất của sóng siêu âm

Sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ, có thể tạo ra sóng

âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm

I Tổng quan về siêu âm

3 Các đại lượng đặc trưng của sóng

Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một đơn vị thời gian

Độ dài bước sóng λ =( µ m): là quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ( λ =v.T=v/f

Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:

Chu kỳ T=(s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn

Tần số f=(Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây

I Tổng quan về siêu âm

4 Phân loại sóng âm

 Phân loại theo phương dao dộng:

 Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường vuống góc với tia

sóng

 Sóng dọc là sóng mà phương dao dộng của các phần tử môi trường trùng với tia sóng

 Phân loại theo tần số:

 Sóng âm tần số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm: f<16Hz

 Sóng siêu âm: f>20kHz

I Tổng quan về siêu âm

I Tổng quan về siêu âm

6: Thiết bị phát song siêu âm

 Thiết bị phát sóng siêu âm cũng phải gồm có 3 phần tối cần thiết sau:

 Bộ phận chuyển phần lớn điện năng thành dòng điện xoay chiều tần số cao để vận hành bộ phận biến đổi

 Bộ phận biến đổi chuyển dòng điện xoay chiều tần số cao thành những dao động

 Hệ thống truyền sóng sẽ truyền những dao động vào trong lòng chất lỏng

I Tổng quan về siêu âm

II Cơ chế tác động

Chuyển động sóng siêu âm tạo ra là rất nhanh, tác động lên các mô, giống như massage nhẹ Tất cả các tác động khác của sóng ( nhiệt và tạo bong bóng) đều dựa trên tác động rung này

Hình 3: 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.

II Cơ chế tác động

2 Nhiệt

Chuyển động do sóng siêu âm là nguyên nhân chính tạo ra tác dụng nhiệt Siêu âm có thể tạo nhiệt độ cao như nhiệt độc 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 tốc độ phản ứng lên gần một triệu lần

3.Sự tạo và vỡ bọt (cavitation)

Sỉ John I.Thornycroft và Sydney W.Barnaby đã 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”)

II Cơ chế tác động

Sóng siêu âm có chiều dài sóng khoảng 10 cm- 10.3 cm, 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 lên môi trường lỏng lại sản sinh ra một năng lượng lớn, do nó gây nên một hiện tượng vật lí đó là cavitation, quá trình này phụ thuộc vào môi trường phản ứng(môi trường đồng thể longraats khác so với cavitation ở bề mặt tiếp xúc rắn- lỏng)

II Cơ chế tác động

 Siêu âm được chiếu xạ qua môi trường lỏng tạo một chu trình dãn nỡ, nó gây ra áp suất chân không

(negative pressure) trong môi trường lỏng Hiện tượng cavitation xảy ra khi áp suất chân không vượt qua so với độ bền kéo (local tensile strength) của chất lỏng,độ bên này thay đổi theo tùy loại

và độ tinh khiết của chất lỏng

 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

II Cơ chế tác động

 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 chóng thông qua tương tác quán tính

 Nếu chu kỳ giãn nở của sóng đủ nhanh, bọt khí sẽ được giãn ra ở nửa chu kỳ đầu và nửa 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

II Cơ chế tác động

Hình 4: Nén, tạo bọt và phá vỡ bọt

Sử dụng sóng siêu âm năng lượng cao trong công nghệ thực phẩm ngày càng được khảo sát tỉ mỉ Phần lớn các nghiên cứu đều áp dụng tần số sóng trong khoảng từ 20 kHz đến 40 kHz

II Cơ chế tác động

 Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường chất lỏng, các chu trình kéo và nén liên tiếp

được tạo thành Trong điều kiện bình thường,các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờ liên kết hóa học

 Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần nhau hơn và trong chu trình kéo

chúng bị tách ra xa Áp lực âm trong chu trình kéo đủ mạnh đẻ thắng các lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành các bọt khí nhỏ

II Cơ chế tác động

Các bọt khí lớn dần đến một kích cỡ nhất dịnh mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ

để duy trì pha khí khiến các bọt khí nổ tung dữ dội Khi đó các phân tử va chạm với nhau mãnh liệt tạo nên sự sốc nóng trong lòng chất lỏng, kết quả là hình thành những điểm có nhiệt độ và áp suất rất cao (5000°C và 5×104 kPa) với vận tốc rất nhanh 106 °C/s

II Cơ chế tác động

Hình 5: Cơ chế cavitation của sóng âm

II Cơ chế tác động

 Cơ chế tác động của năng lượng siêu âm trên hệ thống các chất ở môi trường lỏng chủ yếu

cho là do sự tạo lỗ hổng và các lực này có một ảnh hưởng nguy kịch lên hệ thống sinh học

Sự tạo thành lỗ do sóng âm được chia tổng quát thành 2 loại: loại tạm thời và loại bền vững

II Cơ chế tác động

Dạng bong bóng sủi trong nước chưa đầy khí hay hơi nước, trai qua sự dao động không đều nhau và cuối cùng nổ tung Điều naỳ sinh ra nhiệt độ và áp suất tại chỗ cao sẽ phân hủy các tế bào sinh học và làm biến tính các enzyme hiện diện Các bong bóng nổ tung vào trong cũng sinh ra các lực biến dạng cao và các tia lỏng trong dung môi cũng có thể có đủ năng lượng phá hủy màng tế bào một cách cơ học Cơ chế tác động kiểu này cũng từng được sử dụng ở quy mô nhỏ trong việc tẩy uế nguồn nước bị nhiễm bào tử vi sinh

II Cơ chế tác động

 Dạng lỗ ổn định liên quan đến những bọt sủi mà dao động theo một dạng đều cho nhiều

chu trình âm thanh Các bọt sủi cảm ứng các vi dòng có thể gây ra stress trong các chất lỏng xung quanh lên sự hiện diện của vài loài Tác dụng này do đó cung cấp một lực lớn

mà không có sự nổ của các bọt sủi Dạng tạo lỗ trống này quan trọng trên một loạt các ứng dụng của siêu âm trong công nghệ sinh học

II Cơ chế tác động

 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

II Cơ chế tác động

Hình 7: 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).

II Cơ chế tác động

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-vỡ 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.

II Cơ chế tác động

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hình thành và vỡ bóng

tần số sóng âm;

nguyên liệu thô: cấu trúc, mức phá vỡ,loại và số lượng các chất trích ly;

đặc tính vật lý dung môi, cũng như sự xử lý với các yếu tố: nhiệt độ, thời gian, áp suất,

III Ưu và nhược điểm khi sử dụng siêu âm trong tổng hợp hữu cơ

.Thiết bị tương đối đơn giản, bảo quản và vận hành đơn giản, thiết bị không quá đắt tiền.

.Chiết được nhiều nhóm hoạt chất, dung môỉ chiết khá đa dạng -Lượng mẫu: có thể lên đến hàng trăm gam.

.Giảm được nhiệt độ và áp suất, ưu điểm này được ưu tiên áp dụng để chiết cho các hoạt chất không bền với nhiệt.

.Tăng được khối lượng dịch chiết và rút ngắn được thời gian chiết

III Ưu và nhược điểm khi sử dụng siêu âm trong tổng hợp hữu cơ

2 Nhược điểm

 Dung môi khó được làm mới trong suốt quá trình chiết xuất, vì vậy hiệu lực của nó là một hàm số phụ thuộc

vào hệ số phân ly.

 Thời gian lọc và rửa dịch chiết kéo dài, vì vậy sẽ tốn nhiều dung môi, làm mất một lượng dịch chiết hoặc dịch

chiết có thể bị nhiễm bẩn.

 Sự thoái hóa bề mặt của đầu dò theo thời gian sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất chiết.

IV Ứng dụng siêu âm trong tổng hợp hữu cơ

Tối ưu hóa của siêu âm khai thác polysaccharides từ mầm cây lúa miến Trung Quốc sử dụng mô hình thống kê RSM 25

Tiến hành trích ly xylan của bắp bằng sóng siêu âm 30

Dùng siêu âm để tổng hợp các vật liệu mới:

Thank You !