Anvendelse af stærk ultralydsprocessor i kemisk område

Anvendelse af stærk ultralyd i kemisk område

Også kendt som 'aktiv anvendelse af ultralyd med høj effekt', er det en teknik, der bruger stærk ultralyd til at virke på stof for at ændre eller fremskynde ændringen af ​​nogle fysiske, kemiske og biologiske egenskaber eller stoftilstand. Anvendelsen af ​​stærk ultralyd i den kemiske industri har skabt nye udviklinger i de seneste år, der viser et bredt perspektiv. Denne artikel har til hensigt at gennemgå anvendelsen af ​​stærk ultralyd i den kemiske industri med henblik på at tiltrække opmærksomhed på det kemiske område for stærke ultralydsapplikationer.

En. Oversigt over stærk ultralydsmekanisme

      Når en vis intensitet af ultralydsbølger forplanter sig gennem mediet, vil det producere en række effekter såsom mekanik, varme, optik, elektricitet og kemi. Disse effekter er opsummeret og har tre grundlæggende funktioner.

 

1. Mekanisk handling. Ultralydsbølger er en form for mekanisk energiudbredelse, der er relateret til passive processer og producerer lineære vekslende vibrationer. Denne mekaniske energi afspejles hovedsageligt i vibrationer, accelerationschok og lydtryksforskydningsækvivalente spændinger mellem mediets massepunkter. Hvis 28khz forplanter sig lydintensiteten på 1W/cm2 i vandet, den producerede lydtrykværdi er 242kpa, hvilket betyder, at der genereres 28.000 vibrationer under trykket på 242kpa, og den maksimale masseacceleration er omkring 2000 gange tyngdeaccelerationen. .

 

2. Kavitation. Når en vis intensitet af ultralydsbølger forplanter sig i det flydende medium, forårsager oscillationen, forstørrelsen, sammentrækningen og kollapsen af ​​mikroboblerne i væsken en stærk stødbølge i væsken nær boblen, der danner en ekstrem høj temperatur og højt tryk af det lokale punkt, og kavitationsbobler. I sammenbrudsøjeblikket genereres en høj temperatur på 5000k eller mere og et højt tryk på omkring 50mpa i et lille rum omkring det. Temperaturændringshastigheden er 109k/s, og den er ledsaget af en stærk stødbølge og en mikrojet med en hastighed på 400 km i timen. Denne ekstreme højspænding, høj temperatur og høj Jet genereres af titusindvis af kontinuerlige handlinger i sekundet. Ultralydskavitation forårsager turbulenseffekten, forstyrrelseseffekten, grænsefladeeffekten og energiopsamlingseffekten. Turbulenseffekten gør grænselaget tyndere og øger masseoverførselshastigheden; perturbationseffekten øger mikroporediffusionen; grænsefladeeffekten øger masseoverførselsoverfladearealet; energi-koncentrationseffekten udvider adskillelsen af ​​stofmolekyler og styrker den kemiske adskillelse og styrkelse som helhed. Masseoverførselshastigheden og effekten af ​​processen. Derfor er kavitation det mest grundlæggende træk ved stærk ultralyd.

 

3. Varmevirkning. Ultralydsbølger forplanter sig gennem mediet, og deres vibrationsenergi absorberes konstant af mediet til varmeenergi, som hæver dets temperatur. Akustisk energi absorberes for at forårsage lokal opvarmning i mediet, lokal opvarmning uden for grænsen og lokaliseret opvarmning ved bølgefronten, når stødet dannes.

 

hovedanvendelse

Den tidligste anvendelse af ultralyd i biokemi bør være brugen af ​​ultralyd til at smadre cellevæggen for at frigive dens indhold. Efterfølgende undersøgelser har vist, at lav-intensitet ultralyd kan fremme biokemiske processer, såsom bestråling af flydende næringsstoffer med ultralyd kan øge væksthastigheden af ​​algeceller, og derved øge mængden af ​​protein produceret af disse celler med en faktor på tre.

Energitætheden af ​​ultralydslydfeltet udvides med en billion gange sammenlignet med energitætheden af ​​kavitationsboblen, hvilket forårsager en enorm koncentration af energi; det sonokemiske fænomen og sonoluminescens forårsaget af den ekstremt høje temperatur og det høje tryk, der genereres af kavitationsboblen, er en unik form for energi- og materialeudveksling i sonokemi. Derfor har ultralyd på kemisk udvinding, biodieselproduktion, organisk syntese, behandling af mikroorganismer, nedbrydning af giftige organiske forurenende stoffer, kemisk reaktionshastighed og udbytte, katalysatorens katalytiske effektivitet, bionedbrydningsbehandling, ultralyds anti-skalering og afkalkning, biologisk celle-sønderdeling, spredning og koagulering en stigende rolle, kemiske reaktioner.

to. Ultralydskemi

1. ultralyd styrker den kemiske reaktion.

ultralyd forstærker kemiske reaktioner. Den vigtigste drivkraft kommer fra ultralydskavitation. Kavitationskernens kollaps frembringer lokale høje temperaturer, høje tryk og stærke chokbølger og mikrojets, hvilket giver et nyt og helt specielt fysisk-kemisk miljø for kemiske reaktioner, der er svære eller umulige at opnå under normale forhold.

 

2. Ultralydskatalytisk reaktion.

Som et spirende forskningsfelt har ultralydskatalytisk reaktion tiltrukket sig stigende interesse fra industriaktører. De vigtigste virkninger af ultralyd på den katalytiske reaktion er:

 

(1) De høje temperatur- og højtryksbetingelser letter spaltningen af ​​reaktanterne til frie radikaler og divalent carbon for at danne en mere aktiv reaktionsart;

(2) Chokbølgen og mikrostrålen har en desorptions- og rensevirkning på en fast overflade (såsom en katalysator) og kan fjerne overfladereaktionsprodukter eller mellemprodukter og et passiveringslag af katalysatoroverfladen;

(3) Chokbølger kan beskadige strukturen af ​​reaktanterne

(4) et dispergeret reaktionssystem;

(5) Ultralydskavitation af metaloverfladen, stødbølgen forårsager deformation af metalgitteret og dannelsen af ​​den indre belastningszone og forbedrer metallets kemiske reaktivitet;

6) at få opløsningsmidlet til at trænge dybt ind i det faste stof, hvilket resulterer i en såkaldt inklusionsreaktion;

(7) Forbedre dispergerbarheden af ​​katalysatoren.

 

I den ultralyds homogene katalytiske reaktion er der mere forskning i isomerisering af olefiner ved hjælp af metalcarbonylforbindelser som katalysatorer. Suclick et al. undersøgte i detaljer reaktionen af ​​isomerisering af 1-penten til 2-penten med Fe(co)5 under ultralydsbetingelser, og fandt ud af, at reaktionshastigheden under ultralydsbetingelser blev øget med 105 gange sammenlignet med ingen ultralyd. Suclik et al. mener, at den høje temperatur og det høje tryk genereret af kollapset af ultralydskavitationsbobler og den hurtige afkøling af det omgivende miljø er gavnligt for dissociationen af ​​Fe(CO)5 og dannelsen af ​​den højere aktive art Fe3(C0)12.

 

Mai, Tsev fra det tidligere Sovjetunionen undersøgte effekten af ​​ultralyd på heterogene katalytiske processer tidligere og fandt ud af, at ultralyd kan øge konverteringen pr. passage med næsten 10 gange, hvilket menes at øge spredningen af ​​katalysatoren. I de senere år har Han et al. undersøgte Reformatsky-reaktionen under påvirkning af ultralyd med lav intensitet (≤10W/cm2) og fandt ud af, at reaktionsudbyttet nåede 90% efter 30 minutters ultralyd. Endnu vigtigere er det ikke længere nødvendigt at fremstille et højaktivt zinkpulver ved at reducere vandfrit zinkchlorid, og det er ikke længere nødvendigt at bruge trimethylborat. Suslick et al. undersøgte reaktionen ved en lydintensitet på 50 W/cm2 og fandt ud af, at blandingen blev sonikeret ved 25°C i 5 minutter, udbyttet var over 95%, og cokatalysatoren viste sig at være i udbyttet og reaktionstiden. ingen effekt. Suslick et al. undersøgte i detaljer hydrogeneringsreaktionen af ​​nikkelpulver som katalysator og fandt ud af, at dets reaktivitet steg med 5 størrelsesordener under påvirkning af ultralyd.

Det er velkendt, at almindeligt nikkelpulver har ringe katalytisk aktivitet til hydrogenering af olefiner, og det er generelt vanskeligt at udføre reaktionen efter ca. 300 timer. Men efter at nikkelpulveret var behandlet ved ultralydbehandling, startede reaktionen hurtigt, og reaktionshastigheden steg først med forlængelsen af ​​ultralydsbehandlingstiden og faldt derefter gradvist. Ronny og Price undersøgte autooxidationen af ​​alkylnitrobenzen i faseoverførselsbasekatalyse. Det viste sig, at reaktionshastigheden steg kraftigt under ultralydspåvirkning, reaktionstiden blev forkortet med 2 timer, syreselektiviteten blev væsentligt forbedret, og produktet indeholdt en stor mængde nitrogruppe. Benzoesyre dannes.

ultralyd viser også unikke fordele ved aktivering, regenerering og fremstilling af katalysatorer. University of Illinois har udviklet et ultralydsvaskebad, der kan bruges til at fjerne oxidfilmen på overfladen af ​​nikkelpulver for at aktivere nikkelkatalysatoren. Henry, en Exxon-virksomhed i USA, rapporterede, at den permanent deaktiverede nikkel-molybdæn-katalysator, der bruges til hydrokrakning, kan regenereres af ultralydsbølger. For nylig har Suslick et al. undersøgte interaktionen mellem fe(Co)5 og Co(C0)3 under påvirkning af ultralyd. Det blev fundet, at en Fe-Co-legeringskatalysator i nanoskala blev dannet under stærk ultralydsvirkning, som har en dehydrogeneringsopløsning for cyclohexan. Høj aktivitet, detaljeret mekanisme er under yderligere undersøgelse.

 

3. Ultralyds polymerkemi

Anvendelsen af ​​ultralyds positiv polymerkemi har tiltrukket sig bred opmærksomhed. Ultralydsbehandling kan nedbryde makromolekyler, især nedbrydningen af ​​polymerer med høj molekylvægt er mere signifikant. Cellulose, gelatine, gummi og protein kan godt nedbrydes efter sonikering. På nuværende tidspunkt anses mekanismen for ultralydsnedbrydning generelt for at skyldes virkningen af ​​kraften og det høje tryk af kavitationsboblen, og den anden del af nedbrydningen kan skyldes varme. Under visse forhold kan power ultralyd også initiere polymerisering. Stærk ultralydsbestråling kan initiere copolymerisation af polyvinylalkohol og acrylonitril til fremstilling af blokcopolymer og copolymerisation af polyvinylacetat og polyethylenoxid til dannelse af en podecopolymer.

 

4. Ultralydsfeltforbedring af ny kemisk reaktionsteknologi

Kombinationen af ​​ny kemisk reaktionsteknologi og ultralydsfeltforbedring er en anden potentiel udviklingsretning inden for ultralydskemi. For eksempel bruges en superkritisk væske som et medium, og en forbedret katalytisk reaktion udføres ved hjælp af et ultralydsfelt. For eksempel har en superkritisk væske en væskelignende densitet og en gaslignende viskositet og en diffusionskoefficient, som gør at den opløses som en væske, og masseoverførselsevnen svarer til en gas. Anvendelsen af ​​superkritiske væsker med gode opløseligheds- og diffusionsegenskaber kan forbedre deaktiveringen af ​​heterogene katalysatorer. Men hvis det kan forstærkes med ultralydsfelt, er det uden tvivl prikken over i'et. Chokbølgen og mikrostrålen, der genereres af ultralydskavitation, kan ikke kun i høj grad forbedre den superkritiske væske til at opløse nogle stoffer, der får katalysatoren til at deaktivere, men spiller også rollen som desorption og rengøring, holder katalysatoren aktiv i lang tid og har også effekten af ​​omrøring. Dispersionen af ​​reaktantsystemet gør masseoverførselshastigheden af ​​den superkritiske væske-kemiske reaktion til et højere niveau. Derudover vil den lokale høje temperatur og høje tryk dannet af ultralydskavitation lette spaltningen af ​​reaktanterne til frie radikaler, hvilket i høj grad fremskynder reaktionshastigheden. På nuværende tidspunkt er der mange undersøgelser af superkritiske væskekemiske reaktioner, men der er få undersøgelser om brug af ultralydsfelter til at forstærke sådanne reaktioner.

3. ultralydsforstærket ekstraktion

1, fast-væske-ekstraktion

Faststof-væske-ekstraktion omtales ofte som ekstraktion i fødevarekemisk industri, det vil sige udvinding af nyttige komponenter fra materialer med et passende opløsningsmiddel, og varmebehandling eller mekanisk omrøring bruges til at forbedre processen. Det har vist sig, at anvendelsen af ​​ultralydsenergi kan forbedre og forbedre ekstraktionsprocessen betydeligt. . Perturbationseffekten af ​​ultralyd øger opløsningsmidlets permeabilitet ind i ekstraktcellerne og forbedrer masseoverførselsprocessen. En anden effekt af ultralyd er, at den stærke forskydningskraft, der genereres af ultralydskavitation, kan bryde plantecellevæggen og gøre cellerne let frigivet. Indeslutning, dette er blevet bekræftet fra undersøgelsen af ​​ultralyd for at øge sukkerudvindingshastigheden for sukkerroer. Ultralydsforbedret faststof-væske-ekstraktion anvendes også til ekstraktion af salicylsyre, berberin-chlor og stenkål fra kinesisk medicin. Alkoholtilbageløbsmetoden, som normalt bruges til at ekstrahere stenkål ved stuetemperatur, kan opnå mere end 50% ekstraktionsudbytte under ultralydsbehandling i halvdelen af ​​ekstraktionstiden. Effektiv masseoverførsel og cellebrud har igen vist sig at være hovedårsagerne til øget ekstraktion. .

 

Effekten af ​​ultralyd på udvindingen af ​​protein fra affedtede sojabønner er blevet undersøgt. 20 kHz, 50 W lydfeltbestråling kan forbedre den kontinuerlige ekstraktionsproces af sojabønnemælk. Den overgår enhver tidligere feasibility-teknologi og opnår effektiv udvinding, og teknologien er blevet udvidet. Gå til forsøgsfabrikken.

Det første trin i fremstillingen af ​​instant te er at ekstrahere teens faste stoffer fra tebladene og derefter fjerne vandet fra den rene teopløsning ved spraytørring for at opnå instant teen. ultralyd ved 60 ° C kan øge ekstraktionen med 20%. Ultralydsudvinding er mere effektiv end konventionel varmeudvinding og forkorter ekstraktionstiden. Det meste af materialet udvindes inden for de første 10 minutter af processen.

 

 

Hypertensivt pepsin er et vigtigt råmateriale, der bruges til forarbejdning af emulsion til ost. Det kan udvindes fra maven på pattedyr. Ekstraktionsudbyttet forbedres med succes ved at bruge 19,2 kHz og 3,34 W/cm2 i 45 min. 150 g burre kan kun ekstrahere 30,60 g pepsin uden ultralyd, og ultralydsekstraktion kan nå 47,81 g, og proteaseaktiviteten er lidt forbedret ved ultralydsekstraktion sammenlignet med den almindelige metode.

 

Eksempler på anvendelse af ultralydsforstærket faststof-væske-ekstraktion i kemiske processer er:

(1) Ved ekstraktion af asfaltener fra olieskifer med 8 opløsningsmidler såsom benzen, er ekstraktionshastigheden 24 gange højere end Soxhlets fedtekstraktionsmetode under påvirkning af 50 kHz og 400 W; (2) Natriumhydroxid og chlorering Når den ammoniumblandede opløsning udvaskes fra zink i zink indeholdende 17,3 % zinkmalm, kan udvaskningshastigheden accelereres kraftigt ved at bruge 22 kHz, 100 W ultralyd;

(3) Lydfeltbestråling ved en frekvens på 20 khz, effekt på 100 W og 600 W kan øge hastigheden af ​​pyrethrin ved ekstraktion af pulveriseret pyrethrum fra n-hexan;

(4) 24 khz, (positiv og negativ 2,5 kHz) 120 W ultralydsbestråling påføres methanolekstraktion af benzopyren (a) i miljøprøver, og der er en uovertruffen ekstraktionshastighed ved vakuumsublimering;

(5) 18,5 kHz, 250 W højintensitets stort enkelthovedet indsættelsesultralydsfelt kan øge hastigheden af ​​guldudvinding ved cyanidering;

(6) 20khz ultralyd blev brugt til at ekstrahere de totale alkaloider af Motherwort, og ekstraktionen var højere end den generelle tilbagesvalingsmetode, og ekstraktionstiden blev forkortet. Ekstraktionshastigheden efter ekstraktion ved tilbagesvalingsmetode i 2 timer var 0,176%, og ekstraktionshastigheden efter ultralydsekstraktion i 40 minutter nåede 0,248%.

 

2, væske-væske ekstraktion

Væske-væske-ekstraktion involverer masseoverførselsprocessen mellem to indbyrdes uforenelige organiske og vandige faser. Grænsefladeeffekten forårsaget af kavitationen af ​​ultralydsbølgen øger kontaktområdet mellem de to faser, og turbulenseffekten forårsaget af stødbølgen, når kavitationen kollapser, eliminerer retarderingen af ​​tofaseforbindelsen og øger derved væske-væske-ekstraktionshastigheden. For væske-væske-ekstraktionssystemer, der generelt styres af masseoverførselshastighed, er effekten af ​​ultralydsbølger meget betydelig, især i væske-væske-ekstraktionsprocessen af ​​metaller i den ikke-jernholdige metallurgiske industri, når den passende ultralydsfrekvens og -effekt anvendes, kan nedbrydningshastigheden øges betydeligt. Og øge ekstraktionshastigheden, med 1MHz, 0,2W / cm2 ultralydsbestråling i 15 minutter, kan bruges til at adskille faseadskillelseshastigheden for mo og w adskilt af surt fosforsyreekstraktant med 4-5 gange; med 20kHz, 19W/cm2 ultralydsbestråling. Ekstraktionshastigheden af ​​Ga kan øges med 15 gange; ekstraktionshastigheden af ​​Ni kan øges med 4-7 gange med ultralydsbestråling på 20 khz, 47 W og mekanisk omrøring.

fire. Ultralydsforstærket krystallisation

En lang række eksperimentelle undersøgelser har vist, at stærk ultralyd både kan producere en hurtig og skånsom udfældning af faste opløste stoffer i en overmættet opløsning og øge krystalvæksten. Så tidligt som i 1950'erne blev en blanding af procainopløsning og penicillinsalt bestrålet med 10 kHz ultralyd for at opnå et fint og ensartet procain penicillin krystalpræcipitat med en partikelstørrelsesfordeling på 5 um til 15 um, og produktstørrelsen opnået ved en konventionel metode. For l0um en 20um. Der er to fordele ved at bruge ultralyd i køleprocessen af ​​smeltet metal, det vil sige afgasning og opnåelse af mindre krystalkorn, og under påvirkning af ultralydsbølger går den dannede kerne i en vibrerende tilstand, hvorved vækstprocessen accelereres på kulstofstål. Ultralydsbehandling viser, at den kan reducere kornstørrelsen fra 200um til 25um til 30um, duktiliteten af ​​kulstofstål med 30% til 40% og den mekaniske styrke med 20% til 30%. Undersøgelser af kølekrystallisation af metallisk zink viser, at ultralydsbehandling kan øge den kritiske forskydningsspændingsintensitet med 80 %, og krystalformen af ​​metallisk zink skifter fra cylindrisk til ensartet under påvirkning af ultralydsbølger med en frekvens på 25 kHz og en styrke på 50 W/cm2. Sekskant.

Opløsningskrystallisation spiller en vigtig rolle ved adskillelse og oprensning af organiske opløselige stoffer og uorganiske salte. Det kan ikke kun adskille det opløste stof fra opløsningen i fast tilstand, men også fordi de forskellige krystaller har forskellige krystalgitre. Det kan også bruges til at rense krystallinske materialer. Qiu Taiqiu og andre undersøgte i regi af National Natural Science Foundation of China med succes virkningerne af ultralyd på krystallisationskinetikken af ​​saccharoseopløsning. De påvirkede de fysiske egenskaber af overmættet opløsning, kernedannelse og krystalvækst. Der er gennemført en systematisk undersøgelse. Resultaterne viser, at under påvirkning af det ydre lydfelt øges ledningsevnen af ​​den overmættede opløsning, viskositeten falder, nukleationsinduktionsperioden forkortes, og stabiliteten falder. Derved er det fordelagtigt for den overmættede saccharoseopløsning at udfælde krystaller. Den energikoncentrerende effekt af ultralydskavitation kan give energi til den overmættede opløsning, forbedre vibrationsenergien i hele systemet, og grænsefladeeffekten reducerer krystalliseringsenergien. Som et resultat kan den overmættede saccharoseopløsning opnå primær kernedannelse i den stabile region. Sammenlignet med andre stimuleringskrystallisationsmetoder og podningskrystallisationsmetoder er den overmætning, der kræves til ultralydskimdannelse, lavere, den opnåede krystalkerne er mere ensartet, fuldstændig, glat, og krystalkernen og den færdige krystalstørrelsesfordeling er lille, og variationskoefficienten er lavere. Anvendelsen af ​​ultralydsbestråling i væksten af ​​saccharosekrystaller har både positive og negative virkninger: på den ene side kan den turbulente effekt forårsaget af ultralydskavitation reducere tykkelsen af ​​grænselaget og øge masseoverførselshastigheden; på den anden side kollapser ultralydskavitationsboblen ind i mikrostrålen har en formørkelseseffekt på krystallens overflade, og hvis intensiteten er for stor, vil krystallen blive knækket. Derfor er ultralydseffekten på krystalvæksten relateret til krystalstørrelsen og kavitationsboblestørrelsen. Når krystalstørrelsen er mindre end kavitationsbobleradiusen, fremmer ultralyd krystalvækst; og når krystalstørrelsen er større end kavitationsbobleradiusen, beskadiger ultralyden krystalvæksten.

 

Wang Weining et al. indførte ultralydsbølgen med en frekvens på 33 kHz og en effekt på 250 W i krystallisationsprocessen af ​​basisk magnesiumchlorid (mg3(OH)5Cl?4H2O), hvilket forkortede induktionsperioden for den overmættede opløsning, og krystallisationsprocessen ændrede sig fra 12 timer til 4 timer, og ultralydsfrekvensen var højere. Jo hurtigere kernedannelseshastigheden er, jo kortere induktionsperioden og jo kortere tid kræves for fuldstændig krystallisation. Andre eksempler på ultralydsstyrkende opløsningskrystallisation, såsom kaliumnitrat, acetamid og natriumkaliumtartrat.

I fødevarefryse- og køleindustrien er dannelsen af ​​iskrystaller vigtig for at bevare den oprindelige kvalitet af fødevareingredienserne. For eksempel, når bløde frugter (jordbær) fryses, da de små granulære iskrystaller dannet i fødevarecellematerialet fortsætter med at vokse, når krystalkornstørrelsen øges, vil de ødelægge en del af cellevæggene, det vil sige ødelægge en del af strukturen af ​​råvarerne. Det tager ret lang 'ekspansionstid' fra vandet begynder at krystallisere til is, til maden er helt frossen. Under påvirkning af ultralyd kan der produceres flere og mere ensartede iskrystaller, ekspansionstiden forkortes, den endelige størrelse af iskrystallerne reduceres, og beskadigelsen af ​​cellerne reduceres. ultralydsundersøgelser af virkningerne af frosne konfekture har vist, at partikelstørrelsen af ​​iskrystaller produceret ved ultralydsbestråling reduceres væsentligt og fordeles mere jævnt i faste stoffer, hvilket gør frosne konfekture hårdere end konventionelle produkter, hvilket øger produktets accept blandt forbrugerne. Graden af ​​velkomst og kombinationen af ​​frossen slik og træhåndtag.

 

V. ultralydskondensering

ultralyd blev brugt i begyndelsen af ​​1940'erne til at forbedre koaguleringen af ​​suspenderede stoffer i aerosoler, og i USA har det sat gang i en 'spionfeber' i hele landet. Men på grund af ultralydsudstyrets begrænsninger kølede denne entusiasme hurtigt ned. Indtil fremkomsten af ​​avanceret ultralydsudstyr i 1960'erne, begyndte ultralydskoagulering at blive anvendt til aflejring af ætsende gasser, aflejring af kønrøg og CaCO3 og cementpulver. Genvinding af tjærepulver, fjernelse af højovnsgas og behandling af røggas fra metallurgiske ovne.

For at forklare fænomenet med ultralydsinduceret småpartikelkoagulation, det vil sige lydfeltskondensationseffekten, har forskere foreslået mange hypotetiske modeller. Ultralydsagglomerering anses generelt for at være en proces, hvor når ultralydsbølgerne passerer gennem et strømmende medium med suspenderede partikler, begynder de suspenderede partikler at vibrere med mediet, men da partiklerne af forskellig størrelse begynder at vibrere med mediet, har partiklerne af forskellig størrelse forskellig. Da partiklerne bliver større, kan de ikke længere følge den akustiske vibration, men kan kun bruges til uregelmæssig bevægelse og fortsætte med at støde sammen og binde sig. Det bliver større og falder endelig til ro. Kotyasov og Newtson påpegede, at ovenstående model kun kan forklare lydfeltskondenseringseffekten af ​​ophæng i flere størrelser, og det er ikke overbevisende at stå over for et ophængssystem i en enkelt størrelse. På baggrund af dette foreslår de en fortolkning af lydfeltkondensationseffekt baseret på modellen for partikelkollektiv handling. Modellen betragter ikke kun interaktionen mellem to partikler, men den samlede kraft mellem alle partikler. Under påvirkning af lydfeltet, i det område, hvor tætheden af ​​de dispergerede partikler stiger, falder det effektive tværsnitsareal af den dispergerede fase til den dispergerede fase, hvilket resulterer i en stigning i strømningshastigheden af ​​den dispergerede fase i forhold til partiklerne, ledsaget af en stigning i dispersionshastigheden mellem de dispergerede stoffer. Trykket øges, så faststofpartikeldensiteten øges yderligere, og som følge heraf accelereres koaguleringsprocessen. Ifølge denne model introduceres en række forhold mellem suspensionssystemets ustabilitetstilvækst og ultralydsfrekvensen og ultralydseffekten, og de eksperimentelle fakta verificeres.

For det sjette, ultralydsforbedret filtrering og dehydrering

Blandingen filtreres ofte under kemisk adskillelse for at fjerne faste partikler og rense opløsningen. Konventionelle filtreringsmetoder har en tendens til at få små partikler til at tilstoppe filteret, og filtermembranen skal udskiftes ofte. Ultralydsbestråling har to specielle effekter, der hjælper med at forbedre filtreringsteknikken. Lydfeltskondensationseffekten kan forårsage aggregering af fine partikler for at accelerere filtreringshastigheden. Den anden er, at ultralydsenergiabsorptionseffekten giver tilstrækkelig vibrationsenergi til systemet. En del af partiklerne får lov til at flyde i filtratet, hvilket giver en mere fri passage til vask. Undersøgelser har vist, at ultralydsforstærket filtrering (dvs. 'akustisk filtrering') hurtigt kan reducere vandindholdet i kulslam, der indeholder 50 % vand til 25 %, mens konventionel filtrering kun kan nå 40 %. Den 'elektro-akustiske filtrering' kombineret med det forbedrede elektriske felt og lydfelt kan øge graden af ​​kulslamtørring med 10 %. Når elektroakustisk filtreringsteknologi blev anvendt til at filtrere æblejuice fra frugtkød, faldt fugtindholdet i frugtkødet fra de oprindelige 85 % til 38 %, hvorimod den konventionelle metode kun reducerede vandindholdet til 50 %.

 

I kulbjergarterne, mineraler og kemiske industrier skal det faste materiale udskilt ved sedimentering, filtrering osv. fjerne fugten i materialet så meget som muligt inden tørring, hvilket sparer energi til tørretrinnet. Lydfeltet har forbedret varmeoverførsel og masseoverførsel. Swamy et al. undersøgte fjernelse af vandmættet siderit, sand og savsmuld ved centrifugal dehydrering under højintensiv lydfeltbestråling på 139dB (ca. 100W) og 98kHz. Fugten i materialet viser, at når centrifugal dehydrering påføres den soniske bølge, kan det endelige vandindhold opnået ved centrifugal dehydrering uden lydbølge være 25% til 95% under forskellige forhold, og den kritiske temperatur sænkes også.

7. Lydfelt forbedret adsorption og desorption

Adsorption og desorption er blevet brugt i vid udstrækning i kemiske, fødevare-, metallurgiske og andre industrier og spiller en stadig vigtigere rolle i separation og oprensning. Adsorption og desorption er et par gensidige processer. Under ultralydskavitation øger lydfeltet den hastighed, hvormed adsorbatet diffunderer mod adsorbenten; på den anden side reducerer det van der Waals-kraften mellem adsorbatet og adsorbenten. Førstnævnte har en positiv effekt og styrker adsorptionen; sidstnævnte har en negativ effekt og styrker desorptionen. Derfor kan valg af passende lydfeltparametre forbedre adsorption og desorption separat.

 

Ultralydsforbedret adsorptionsproces studeres: under påvirkning af kraft-ultralyd øges adsorptionshastigheden af ​​polyvinylalkohol, eddikesyre-smørsyrecellulose og glucose i karton og affarvet kraftpulp; adsorptionen af ​​fosfor på jord efter KH2PO4-behandling øges. Adsorptionsmængden af ​​methylenblåt af ler og aktivt kul steg; adsorptionshastigheden af ​​det pulveriserede organiske reagens og pulveriseret A1203 til de begrænsede elementer steg. Nogle undersøgelser har dog fundet, at når phenolformaldehyd-ionbytterharpiks XAD-2 (am berlite XAD-2) adsorberer 4-(2-pyridylazo)isophthalsyre (PAR), er effekten af ​​20 kHz ultralyd på adsorptionshastigheden lavere end 21Orpm. Effekten af ​​mekanisk omrøring, hvor adsorptionshastigheden af ​​mekanisk omrøring er 2-3 gange hurtigere end ultralyds.

 

Tidlige undersøgelser af den ultralydsforstærkede desorptionsproces omfatter: desorption af jod fra aktivt kul; Ag, Cu, etc. desorption fra Ge og Si, Krisccr og Lichtman undersøgte ultralyds overfladebølgeinduceret desorption og observerede nogle adsorberede stoffer. Desorption tilskrives excitationen af ​​de underjordiske bølger.

I de senere år har desorptionsregenerering af spildevandsadsorbenter været aktiv. Det er en enkel og hurtig metode til at fjerne organiske hydrolytiske forurenende stoffer som phenol og phenolerstatninger fra spildevand ved at bruge aktivt kul og polymerharpiks, men på grund af adsorbenten og adsorbatet. Der er en stærk affinitet mellem dem, og desorptionsregenereringen af ​​adsorbenten er stadig et vanskeligt problem. De mest almindelige metoder til phenoldesorption er termisk desorption og kemisk desorption, men den høje temperatur af termisk desorption fører til et fald i udvekslingskapaciteten af ​​adsorbenten efter regenerering, mens kemisk desorption bruger kemikalier og kræver to separationer efter desorption. På nuværende tidspunkt har Qin et al. rapporterede bevægelsen af ​​adsorptionsligevægt under desorptionen af ​​CLTBP-harpiks-phenol-systemet under ultralydsbestråling. Rege et al. undersøgte desorptionshastigheden af ​​phenol fra to polymere harpikser, når de blev desorberet fra aktivt kul under påvirkning af 40 kHz, 120 W, 1,44 MHz, 100 W lydfelt og 40 kHz, 120 W, 40 kHz, 60 W. Variety. Deres resultater viser, at under ultralydsbestråling øger ultralydsdiffusionseffekten partiklernes diffusionshastighed på grund af ultralydsforstyrrelseseffekten, og ultralydsenergiabsorptionseffekten reducerer aktiveringsenergien af ​​førsteordens overfladereaktion. Derfor kan ultralydsenergien fremme phenolen fra det aktiverede kul og Desorption på polymerharpiksen, desorptionshastigheden øges betydeligt, og effekten er mere udtalt, når re-energizeren påføres ved en lav temperatur, ved hjælp af et regenereringsmiddel og en høj ultralydsintensitet.

Otte. Konklusion

Anvendelsen af ​​stærk ultralyd kompenserer ofte for manglerne ved konventionelle kemiske reaktioner og klassiske kemiske separations- og oprensningsteknologier og skaber en ny og effektiv metode til at forbedre separations- og oprensningsprocessen, hvilket reducerer procestiden og forbedrer proceseffekten. Uanset industrielle applikationer eller akademisk forskning vil stærk ultralyd have et bredere forskningsperspektiv i den kemiske industri.