Anwendung eines starken Ultraschallprozessors im chemischen Bereich

Anwendung von starkem Ultraschall im chemischen Bereich

Auch als „aktive Anwendung von Hochleistungsultraschall“ bekannt, handelt es sich um eine Technik, die starken Ultraschall nutzt, um auf Materie einzuwirken, um die Änderung einiger physikalischer, chemischer und biologischer Eigenschaften oder des Zustands der Materie zu verändern oder zu beschleunigen. Der Einsatz von starkem Ultraschall in der chemischen Industrie hat in den letzten Jahren neue Entwicklungen hervorgebracht, die eine breite Perspektive aufzeigen. In diesem Artikel soll ein Überblick über die Anwendung von starkem Ultraschall in der chemischen Industrie gegeben werden, um im chemischen Bereich auf Anwendungen mit starkem Ultraschall aufmerksam zu machen.

Eins. Übersicht über den starken Ultraschallmechanismus

      Wenn sich Ultraschallwellen einer bestimmten Intensität durch das Medium ausbreiten, erzeugt dies eine Reihe von Effekten wie Mechanik, Wärme, Optik, Elektrizität und Chemie. Diese Effekte werden zusammengefasst und haben drei Grundfunktionen.

 

1. Mechanische Aktion. Ultraschallwellen sind eine Form der mechanischen Energieausbreitung, die mit passiven Prozessen zusammenhängt und lineare Wechselschwingungen erzeugt. Diese mechanische Energie spiegelt sich hauptsächlich in der Schwingungs-, Beschleunigungs-, Stoß- und Schalldruck-Scherspannung zwischen den Massenpunkten des Mediums wider. Wenn sich bei 28 kHz die Schallintensität von 1 W/cm2 im Wasser ausbreitet, beträgt der erzeugte Schalldruckwert 242 kPa, was bedeutet, dass unter dem Druck von 242 kPa 28.000 Schwingungen erzeugt werden und die maximale Massenbeschleunigung etwa das 2000-fache der Erdbeschleunigung beträgt. .

 

2. Kavitation. Wenn sich Ultraschallwellen einer bestimmten Intensität im flüssigen Medium ausbreiten, verursachen die Schwingungen, die Vergrößerung, die Kontraktion und der Kollaps der Mikroblasen in der Flüssigkeit eine starke Stoßwelle in der Flüssigkeit in der Nähe der Blase, wodurch eine extrem hohe Temperatur und ein hoher Druck am lokalen Punkt sowie Kavitationsblasen entstehen. Im Moment des Kollaps werden in einem kleinen Raum um ihn herum eine hohe Temperatur von 5000 K oder mehr und ein hoher Druck von etwa 50 MPa erzeugt. Die Temperaturänderungsrate beträgt 109.000/s und wird von einer starken Schockwelle und einem Mikrojet mit einer Geschwindigkeit von 400 km/h begleitet. Diese extrem hohe Spannung, hohe Temperatur und hoher Strahl werden durch Zehntausende kontinuierlicher Aktionen pro Sekunde erzeugt. Ultraschallkavitation verursacht den Turbulenzeffekt, den Störungseffekt, den Grenzflächeneffekt und den Energiesammeleffekt. Durch den Turbulenzeffekt wird die Grenzschicht dünner und die Stoffübergangsrate erhöht; der Störungseffekt verstärkt die Mikroporendiffusion; der Grenzflächeneffekt vergrößert die Stoffübertragungsoberfläche; Der Energiekonzentrationseffekt erweitert die Trennung der Materiemoleküle und verstärkt die chemische Trennung und Stärkung als Ganzes. Die Stoffübertragungsrate und die Wirkung des Prozesses. Daher ist Kavitation das grundlegendste Merkmal von starkem Ultraschall.

 

3. Wärmewirkung. Ultraschallwellen breiten sich durch das Medium aus und ihre Schwingungsenergie wird ständig vom Medium in Wärmeenergie absorbiert, wodurch seine Temperatur steigt. Akustische Energie wird absorbiert und verursacht eine lokale Erwärmung im Medium, eine lokale Erwärmung außerhalb der Grenze und eine lokale Erwärmung an der Wellenfront, wenn der Stoß entsteht.

 

Hauptanwendung

Die früheste Anwendung von Ultraschall in der Biochemie sollte die Verwendung von Ultraschall sein, um die Zellwand zu zerschlagen und ihren Inhalt freizusetzen. Nachfolgende Studien haben gezeigt, dass Ultraschall geringer Intensität biochemische Prozesse fördern kann. Beispielsweise kann die Bestrahlung flüssiger Nährstoffe mit Ultraschall die Wachstumsrate von Algenzellen erhöhen und dadurch die von diesen Zellen produzierte Proteinmenge um den Faktor drei erhöhen.

Die Energiedichte des Ultraschallfeldes vergrößert sich im Vergleich zur Energiedichte der Kavitationsblase um das Billionenfache, was zu einer enormen Energiekonzentration führt; Das sonochemische Phänomen und die Sonolumineszenz, die durch die extrem hohe Temperatur und den hohen Druck verursacht werden, die durch die Kavitationsblase erzeugt werden, sind eine einzigartige Form des Energie- und Materialaustauschs in der Sonochemie. Daher spielen Ultraschall bei der chemischen Extraktion, der Biodieselproduktion, der organischen Synthese, der Behandlung von Mikroorganismen, dem Abbau toxischer organischer Schadstoffe, der Geschwindigkeit und Ausbeute chemischer Reaktionen, der katalytischen Effizienz des Katalysators, der Behandlung des biologischen Abbaus, der Antikalk- und Entkalkung mittels Ultraschall, der Zerkleinerung, Dispersion und Koagulation biologischer Zellen sowie akustischen chemischen Reaktionen eine zunehmende Rolle.

zwei. Ultraschallchemie

1. Ultraschall verstärkt die chemische Reaktion.

Ultraschall verstärkt chemische Reaktionen. Die Hauptantriebskraft kommt von der Ultraschallkavitation. Der Kollaps des Kavitationskerns erzeugt lokal hohe Temperaturen, hohe Drücke sowie starke Stoßwellen und Mikrojets und schafft so eine neue und ganz besondere physikalisch-chemische Umgebung für chemische Reaktionen, die unter normalen Bedingungen nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind.

 

2. Katalytische Ultraschallreaktion.

Als aufstrebendes Forschungsgebiet hat die katalytische Ultraschallreaktion bei Branchenteilnehmern zunehmendes Interesse geweckt. Die Haupteffekte von Ultraschall auf die katalytische Reaktion sind:

 

(1) Die hohen Temperatur- und Hochdruckbedingungen erleichtern die Spaltung der Reaktanten in freie Radikale und zweiwertigen Kohlenstoff, um eine aktivere Reaktionsspezies zu bilden;

(2) Die Stoßwelle und der Mikrostrahl haben eine Desorptions- und Reinigungswirkung auf einer festen Oberfläche (z. B. einem Katalysator) und können Oberflächenreaktionsprodukte oder Zwischenprodukte sowie eine Passivierungsschicht der Katalysatoroberfläche entfernen.

(3) Stoßwellen können die Struktur der Reaktanten beschädigen

(4) ein dispergiertes Reaktionssystem;

(5) Ultraschallkavitation der Metalloberfläche, die Stoßwelle verursacht die Verformung des Metallgitters und die Bildung der inneren Spannungszone und verbessert die chemische Reaktivität des Metalls;

6) Bewirken, dass das Lösungsmittel tief in den Feststoff eindringt, was zu einer sogenannten Einschlussreaktion führt;

(7) Verbessern Sie die Dispergierbarkeit des Katalysators.

 

Bei der homogenen katalytischen Ultraschallreaktion wird verstärkt an der Isomerisierung von Olefinen unter Verwendung von Metallcarbonylverbindungen als Katalysatoren geforscht. Suclick et al. untersuchten im Detail die Reaktion der Isomerisierung von 1-Penten zu 2-Penten durch Fe(co)5 unter Ultraschallbedingungen und stellten fest, dass die Reaktionsgeschwindigkeit unter Ultraschallbedingungen im Vergleich zu keinem Ultraschall um das 105-fache erhöht war. Suclik et al. glauben, dass die hohe Temperatur und der hohe Druck, die durch das Kollabieren von Ultraschallkavitationsblasen und die schnelle Abkühlung der Umgebung entstehen, die Dissoziation von Fe(CO)5 und die Bildung der höher aktiven Spezies Fe3(C0)12 begünstigen.

 

Mai und Tsev aus der ehemaligen Sowjetunion untersuchten zuvor die Wirkung von Ultraschall auf heterogene katalytische Prozesse und fanden heraus, dass Ultraschall die Umwandlung pro Durchgang um fast das Zehnfache steigern kann, was vermutlich die Dispersion des Katalysators erhöht. In den letzten Jahren haben Han et al. untersuchten die Reformatsky-Reaktion unter Einwirkung von Ultraschall geringer Intensität (≤ 10 W/cm2) und stellten fest, dass die Reaktionsausbeute nach 30 Minuten Ultraschall 90 % erreichte. Noch wichtiger ist, dass es nicht mehr notwendig ist, ein hochaktives Zinkpulver durch Reduktion von wasserfreiem Zinkchlorid herzustellen, und es ist nicht mehr notwendig, Trimethylborat zu verwenden. Suslick et al. untersuchten die Reaktion bei einer Schallintensität von 50 W/cm 2 und stellten fest, dass die Mischung 5 Minuten lang bei 25 °C beschallt wurde, die Ausbeute über 95 % betrug und der Cokatalysator in der Ausbeute und Reaktionszeit enthalten war. keine Wirkung. Suslick et al. untersuchten detailliert die Hydrierungsreaktion von Nickelpulver als Katalysator und stellten fest, dass sich seine Reaktivität unter Einwirkung von Ultraschall um fünf Größenordnungen erhöhte.

Es ist bekannt, dass gewöhnliches Nickelpulver eine geringe katalytische Aktivität für die Hydrierung von Olefinen aufweist und es im Allgemeinen schwierig ist, die Reaktion nach etwa 300 Stunden durchzuführen. Nachdem das Nickelpulver jedoch mit Ultraschall behandelt wurde, begann die Reaktion schnell und die Reaktionsgeschwindigkeit nahm mit der Verlängerung der Ultraschallbehandlungszeit zunächst zu und nahm dann allmählich ab. Ronmy und Price untersuchten die Autooxidation von Alkylnitrobenzol in der Phasentransfer-Basenkatalyse. Es wurde festgestellt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit unter Ultraschalleinwirkung stark zunahm, die Reaktionszeit um 2 Stunden verkürzt wurde, die Säureselektivität deutlich verbessert wurde und das Produkt eine große Menge an Nitrogruppen enthielt. Es entsteht Benzoesäure.

Ultraschall zeigt auch einzigartige Vorteile bei der Aktivierung, Regeneration und Vorbereitung von Katalysatoren. Die University of Illinois hat ein Ultraschallwaschbad entwickelt, mit dem der Oxidfilm auf der Oberfläche von Nickelpulver entfernt werden kann, um den Nickelkatalysator zu aktivieren. Henry, ein Exxon-Unternehmen in den USA, berichtete, dass der beim Hydrocracken verwendete permanent deaktivierte Nickel-Molybdän-Katalysator durch Ultraschallwellen regeneriert werden kann. Kürzlich haben Suslick et al. untersuchten die Wechselwirkung von fe(Co)5 und Co(C0)3 unter Einwirkung von Ultraschall. Es wurde festgestellt, dass unter starker Ultraschalleinwirkung ein nanoskaliger Fe-Co-Legierungskatalysator gebildet wurde, der eine Dehydrierungslösung für Cyclohexan aufweist. Hohe Aktivität, detaillierter Mechanismus wird weiter untersucht.

 

3. Ultraschall-Polymerchemie

Die Anwendung der positiven Polymerchemie mit Ultraschall hat große Aufmerksamkeit erregt. Die Ultraschallbehandlung kann Makromoleküle abbauen, insbesondere der Abbau von Polymeren mit hohem Molekulargewicht ist von größerer Bedeutung. Zellulose, Gelatine, Gummi und Protein können nach der Ultraschallbehandlung gut abgebaut werden. Derzeit geht man allgemein davon aus, dass der Mechanismus des Ultraschallabbaus auf die Wirkung der Kraft und des hohen Drucks des Kavitationsblasenplatzens zurückzuführen ist, während der andere Teil des Abbaus möglicherweise auf Hitze zurückzuführen ist. Unter bestimmten Bedingungen kann auch leistungsstarker Ultraschall die Polymerisation initiieren. Durch starke Ultraschallbestrahlung kann die Copolymerisation von Polyvinylalkohol und Acrylnitril zur Herstellung eines Blockcopolymers sowie die Copolymerisation von Polyvinylacetat und Polyethylenoxid zur Bildung eines Pfropfcopolymers initiiert werden.

 

4. Ultraschallfeldverbesserung der neuen chemischen Reaktionstechnologie

Die Kombination aus neuer chemischer Reaktionstechnologie und Ultraschallfeldverstärkung ist eine weitere mögliche Entwicklungsrichtung auf dem Gebiet der Ultraschallchemie. Beispielsweise wird als Medium eine überkritische Flüssigkeit verwendet und mithilfe eines Ultraschallfelds eine verstärkte katalytische Reaktion durchgeführt. Beispielsweise hat eine überkritische Flüssigkeit eine flüssigkeitsähnliche Dichte und eine gasähnliche Viskosität sowie einen Diffusionskoeffizienten, wodurch sie sich als Flüssigkeit auflöst, und die Stoffübertragungsfähigkeit entspricht der eines Gases. Durch den Einsatz überkritischer Flüssigkeiten mit guten Löslichkeits- und Diffusionseigenschaften kann die Desaktivierung heterogener Katalysatoren verbessert werden. Wenn es jedoch durch ein Ultraschallfeld verstärkt werden kann, ist es zweifellos das Tüpfelchen auf dem i. Die durch Ultraschallkavitation erzeugte Stoßwelle und der Mikrostrahl können nicht nur die überkritische Flüssigkeit erheblich verbessern, um einige Substanzen aufzulösen, die zur Deaktivierung des Katalysators führen, sondern auch die Rolle der Desorption und Reinigung spielen, den Katalysator lange Zeit aktiv halten und auch die Wirkung des Rührens haben. Durch die Dispersion des Reaktantensystems wird die Stoffübertragungsrate der chemischen Reaktion des überkritischen Fluids auf ein höheres Niveau gebracht. Darüber hinaus erleichtern die durch Ultraschallkavitation erzeugten lokalen hohen Temperaturen und hohen Drücke die Spaltung der Reaktanten in freie Radikale, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich beschleunigt wird. Derzeit gibt es viele Untersuchungen zu chemischen Reaktionen überkritischer Flüssigkeiten, aber es gibt nur wenige Studien zur Verwendung von Ultraschallfeldern zur Verstärkung solcher Reaktionen.

3. Ultraschallverstärkte Extraktion

1, Fest-Flüssig-Extraktion

In der Lebensmittelchemie wird die Fest-Flüssig-Extraktion häufig als Extraktion bezeichnet, d. Es wurde festgestellt, dass die Anwendung von leistungsstarker Ultraschallenergie den Extraktionsprozess erheblich verbessern und verbessern kann. . Der Störungseffekt von Ultraschall erhöht die Permeabilität des Lösungsmittels in die Extraktzellen und verbessert den Stofftransferprozess. Ein weiterer Effekt von Ultraschall besteht darin, dass die durch Ultraschallkavitation erzeugte starke Scherkraft die Pflanzenzellwand aufbrechen und die Zellen leicht freisetzen kann. Eindämmung, dies wurde durch Ultraschalluntersuchungen zur Erhöhung der Zuckerextraktionsrate von Zuckerrüben bestätigt. Die ultraschallverstärkte Fest-Flüssig-Extraktion wird auch zur Extraktion von Salicylsäure, Berberinchlorin und Steinkohl aus der chinesischen Medizin eingesetzt. Die Alkohol-Reflux-Methode, die normalerweise zur Extraktion von Steinkohl bei Raumtemperatur verwendet wird, kann unter Ultraschallbehandlung in der Hälfte der Extraktionszeit eine Extraktionsausbeute von mehr als 50 % erzielen. Effektiver Stofftransport und Zellaufschluss erweisen sich erneut als Hauptgründe für eine verbesserte Extraktion. .

 

Die Wirkung von Ultraschall auf die Proteinextraktion aus entfetteten Sojabohnen wurde untersucht. Die Schallfeldbestrahlung mit 20 kHz und 50 W kann den kontinuierlichen Extraktionsprozess von Sojamilch verbessern. Es übertrifft alle bisherigen Machbarkeitstechnologien und ermöglicht eine effiziente Extraktion, und die Technologie wurde erweitert. Gehen Sie zur Versuchsfabrik.

Der erste Schritt bei der Herstellung von Instant-Tee besteht darin, die Teebestandteile aus den Teeblättern zu extrahieren und anschließend durch Sprühtrocknung das Wasser aus der reinen Teelösung zu entfernen, um den Instant-Tee zu erhalten. Ultraschall bei 60 °C kann die Extraktion um 20 % steigern. Die Ultraschallextraktion ist effizienter als die herkömmliche Wärmeextraktion und verkürzt die Extraktionszeit. Der Großteil des Materials wird innerhalb der ersten 10 Minuten des Prozesses extrahiert.

 

 

Hypertonisches Pepsin ist ein wichtiger Rohstoff für die Verarbeitung von Emulsion zu Käse. Es kann aus dem Magen von Säugetieren gewonnen werden. Die Extraktionsausbeute wird durch die Verwendung von 19,2 kHz und 3,34 W/cm2 für 45 Minuten erfolgreich verbessert. 150 g Klette können ohne Ultraschall nur 30,60 g Pepsin extrahieren, und die Ultraschallextraktion kann 47,81 g erreichen, und die Aktivität der Protease wird durch die Ultraschallextraktion im Vergleich zur herkömmlichen Methode leicht verbessert.

 

Beispiele für die Anwendung der ultraschallverstärkten Fest-Flüssig-Extraktion in chemischen Prozessen sind:

(1) Bei der Extraktion von Asphaltenen aus Ölschiefer mit 8 Lösungsmitteln wie Benzol beträgt die Extraktionsrate das 24-fache der Fettextraktionsmethode von Soxhlet unter Einwirkung von 50 kHz und 400 W; (2) Natriumhydroxid und Chlorierung Wenn die gemischte Ammoniumlösung aus Zink in Zink mit 17,3 % Zinkerz ausgelaugt wird, kann die Auslaugungsrate durch den Einsatz von 22 kHz, 100 W Ultraschall erheblich beschleunigt werden;

(3) Schallfeldbestrahlung mit einer Frequenz von 20 kHz und einer Leistung von 100 W und 600 W kann die Pyrethrinrate bei der Extraktion von pulverförmigem Pyrethrum aus n-Hexan erhöhen;

(4) 24 kHz (positiv und negativ 2,5 kHz) 120 W Ultraschallbestrahlung wird zur Methanolextraktion von Benzopyren (a) in Umweltproben eingesetzt, und es gibt eine beispiellose Extraktionsrate durch Vakuumsublimation;

(5) Ein hochintensives, großes Einkopf-Ultraschallfeld mit 18,5 kHz und 250 W kann die Geschwindigkeit der Goldgewinnung durch Zyanidierung erhöhen.

(6) 20-kHz-Ultraschall wurde verwendet, um die Gesamtalkaloide des Mutterkrauts zu extrahieren. Die Extraktion war höher als bei der allgemeinen Rückflussmethode und die Extraktionszeit wurde verkürzt. Die Extraktionsrate nach der Extraktion durch die Rückflussmethode über 2 Stunden betrug 0,176 % und die Extraktionsrate nach der Ultraschallextraktion über 40 Minuten erreichte 0,248 %.

 

2, Flüssig-Flüssig-Extraktion

Bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion handelt es sich um den Stoffaustauschprozess zwischen zwei miteinander unverträglichen organischen und wässrigen Phasen. Der durch die Kavitation der Ultraschallwelle verursachte Grenzflächeneffekt vergrößert die Kontaktfläche zwischen den beiden Phasen, und der Turbulenzeffekt, der durch die Stoßwelle beim Zusammenbruch der Kavitation verursacht wird, beseitigt die Verzögerung des Zweiphasenübergangs und erhöht dadurch die Flüssigkeits-Flüssigkeits-Extraktionsrate. Bei Flüssig-Flüssig-Extraktionssystemen, die im Allgemeinen durch die Stoffübertragungsrate gesteuert werden, ist die Wirkung von Ultraschallwellen von großer Bedeutung, insbesondere beim Flüssig-Flüssig-Extraktionsprozess von Metallen in der Nichteisenmetallurgieindustrie. Wenn die entsprechende Ultraschallfrequenz und -leistung angewendet wird, kann die Zersetzungsgeschwindigkeit erheblich gesteigert werden. Und erhöhen Sie die Extraktionsrate mit 1 MHz, 0,2 W/cm2 Ultraschallbestrahlung für 15 Minuten, kann verwendet werden, um die Phasentrennungsgeschwindigkeit von mo und w, getrennt durch saures Phosphorsäure-Extraktionsmittel, um das 4- bis 5-fache zu trennen; mit 20 kHz, 19 W/cm2 Ultraschallbestrahlung kann die Extraktionsrate von Ga um das 15-fache erhöht werden; Die Extraktionsrate von Ni kann durch Ultraschallbestrahlung von 20 kHz, 47 W und mechanisches Rühren um das 4- bis 7-fache erhöht werden.

vier. Ultraschallverstärkte Kristallisation

Zahlreiche experimentelle Studien haben gezeigt, dass starker Ultraschall sowohl eine schnelle und sanfte Ausfällung fester gelöster Stoffe in einer übersättigten Lösung bewirken als auch das Kristallwachstum fördern kann. Bereits in den 1950er Jahren wurde eine Mischung aus Procainlösung und Penicillinsalz mit 10 kHz Ultraschall bestrahlt, um einen feinen und gleichmäßigen Procain-Penicillin-Kristallniederschlag mit einer Partikelgrößenverteilung von 5 µm bis 15 µm zu erhalten, und die Produktgröße wurde nach einem herkömmlichen Verfahren ermittelt. Für l0um eins 20um. Die Verwendung von Ultraschall beim Abkühlprozess von geschmolzenem Metall bietet zwei Vorteile: Entgasung und Erhalt kleinerer Kristallkörner. Unter der Wirkung von Ultraschallwellen gerät der gebildete Kern auf Kohlenstoffstahl in einen Vibrationszustand, wodurch der Wachstumsprozess beschleunigt wird. Die Ultraschallbehandlung zeigt, dass sie die Korngröße von 200 µm auf 25 µm bis 30 µm, die Duktilität von Kohlenstoffstahl um 30 % bis 40 % und die mechanische Festigkeit um 20 % bis 30 % reduzieren kann. Untersuchungen zur Kühlkristallisation von metallischem Zink zeigen, dass eine Ultraschallbehandlung die Intensität der kritischen Scherspannung um 80 % erhöhen kann und dass sich die Kristallform von metallischem Zink unter Einwirkung von Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 25 kHz und einer Stärke von 50 W/cm2 von zylindrisch in einheitlich ändert. Hexagon.

Die Lösungskristallisation spielt eine wichtige Rolle bei der Trennung und Reinigung organischer löslicher Substanzen und anorganischer Salze. Es kann nicht nur den gelösten Stoff im festen Zustand von der Lösung trennen, sondern auch, weil die verschiedenen Kristalle unterschiedliche Kristallgitter haben. Es kann auch zur Reinigung kristalliner Materialien verwendet werden. Qiu Taiqiu und andere untersuchten unter der Schirmherrschaft der National Natural Science Foundation of China erfolgreich die Auswirkungen von Ultraschall auf die Kristallisationskinetik von Saccharoselösungen. Sie beeinflussten die physikalischen Eigenschaften übersättigter Lösungen, die Keimbildung und das Kristallwachstum. Es wurde eine systematische Studie durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass unter Einwirkung des externen Schallfeldes die Leitfähigkeit der übersättigten Lösung zunimmt, die Viskosität abnimmt, die Nukleationsinduktionsperiode verkürzt und die Stabilität abnimmt. Dabei ist es vorteilhaft, dass die übersättigte Saccharoselösung Kristalle ausfällt. Der energiekonzentrierende Effekt der Ultraschallkavitation kann der übersättigten Lösung Energie zuführen, die Vibrationsenergie des gesamten Systems verbessern und der Grenzflächeneffekt reduziert die Kristallisationsenergie. Dadurch kann die mit Saccharose übersättigte Lösung eine primäre Keimbildung im stabilen Bereich erreichen. Im Vergleich zu anderen Stimulationskristallisationsmethoden und Impfkristallisationsmethoden ist die für die Ultraschallkeimbildung erforderliche Übersättigung geringer, der erhaltene Kristallkeim ist gleichmäßiger, vollständiger und glatter und der Kristallkeim- und fertige Kristallgrößenverteilungsbereich ist klein und der Variationskoeffizient ist niedriger. Die Anwendung von Ultraschallbestrahlung beim Wachstum von Saccharosekristallen hat sowohl positive als auch negative Auswirkungen: Einerseits kann der durch Ultraschallkavitation verursachte turbulente Effekt die Dicke der Grenzschicht verringern und die Stofftransferrate erhöhen; Andererseits kollabiert die Ultraschallkavitationsblase in den Mikrostrahl und hat einen Verdunkelungseffekt auf der Oberfläche des Kristalls. Wenn die Intensität zu groß ist, wird der Kristall zerbrochen. Daher hängt der Ultraschalleffekt auf das Kristallwachstum von der Kristallgröße und der Kavitationsblasengröße ab. Wenn die Kristallgröße kleiner als der Kavitationsblasenradius ist, fördert der Ultraschall das Kristallwachstum; Und wenn die Kristallgröße größer als der Kavitationsblasenradius ist, schadet der Ultraschall dem Kristallwachstum.

 

Wang Weining et al. führte die Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 33 kHz und einer Leistung von 250 W in den Kristallisationsprozess von basischem Magnesiumchlorid (mg3(OH)5Cl?4H2O) ein, wodurch die Induktionsperiode der übersättigten Lösung verkürzt wurde, und der Kristallisationsprozess von 12 Stunden auf 4 Stunden verändert wurde und die Ultraschallfrequenz höher war. Je schneller die Keimbildungsrate ist, desto kürzer ist die Induktionsperiode und desto kürzer ist die Zeit, die für eine vollständige Kristallisation erforderlich ist. Weitere Beispiele für die durch Ultraschall verstärkte Lösungskristallisation sind Kaliumnitrat, Acetamid und Natriumkaliumtartrat.

In der Lebensmittelgefrier- und -kühlindustrie ist die Bildung von Eiskristallen wichtig für die Erhaltung der ursprünglichen Qualität der Lebensmittelzutaten. Wenn beispielsweise Beerenfrüchte (Erdbeeren) eingefroren werden, zerstören die kleinen körnigen Eiskristalle, die sich im Zellmaterial der Nahrung bilden, weiter und zerstören bei zunehmender Kristallkorngröße einen Teil der Zellwände, d. h. einen Teil der Struktur der Rohstoffe. Vom Beginn der Kristallisation des Wassers zu Eis bis zum vollständigen Gefrieren des Lebensmittels vergeht eine recht lange „Expansionszeit“. Unter der Einwirkung von Ultraschall können immer gleichmäßigere Eiskristalle erzeugt werden, die Expansionszeit wird verkürzt, die Endgröße der Eiskristalle verringert und die Schädigung der Zellen verringert. Ultraschallstudien zur Wirkung von gefrorenen Süßwaren haben gezeigt, dass die Partikelgröße der durch Ultraschallbestrahlung erzeugten Eiskristalle deutlich reduziert und gleichmäßiger in Feststoffen verteilt wird, wodurch gefrorene Süßwaren härter werden als herkömmliche Produkte und die Akzeptanz des Produkts bei den Verbrauchern steigt. Der Grad der Begrüßung und die Kombination aus gefrorenen Süßigkeiten und Holzgriffen.

 

V. Ultraschallkondensation

Ultraschall wurde in den frühen 1940er Jahren eingesetzt, um die Koagulation von Schwebstoffen in Aerosolen zu verbessern, und hat in den Vereinigten Staaten im ganzen Land ein „Spionagefieber“ ausgelöst. Aufgrund der Einschränkungen der Ultraschallgeräte ließ diese Begeisterung jedoch schnell nach. Bis zum Aufkommen fortschrittlicher Ultraschallgeräte in den 1960er Jahren wurde die Ultraschallkoagulation erstmals zur Abscheidung korrosiver Gase, zur Abscheidung von Ruß und CaCO3 sowie von Zementpulver eingesetzt. Rückgewinnung von Teerpulver, Entfernung von Hochofengas und Behandlung von Rauchgas aus metallurgischen Öfen.

Um das Phänomen der ultraschallinduzierten Koagulation kleiner Partikel, also den Schallfeldkondensationseffekt, zu erklären, haben Wissenschaftler viele hypothetische Modelle vorgeschlagen. Ultraschallagglomeration wird im Allgemeinen als ein Prozess betrachtet, bei dem, wenn die Ultraschallwellen durch ein fließendes Medium mit suspendierten Partikeln laufen, die suspendierten Partikel mit dem Medium zu vibrieren beginnen, aber da die Partikel unterschiedlicher Größe beginnen, mit dem Medium zu vibrieren, haben die Partikel unterschiedlicher Größe unterschiedliche relative Vibrationsgeschwindigkeiten, die Partikel kollidieren und verbinden sich miteinander und das Volumen und das Gewicht nehmen zu. Da die Partikel größer werden, können sie der akustischen Schwingung nicht mehr folgen, sondern können nur noch unregelmäßige Bewegungen ausführen und weiterhin kollidieren und sich verbinden. Es wird größer und beruhigt sich schließlich. Kotyasov und Newtson wiesen darauf hin, dass das obige Modell nur den Schallfeldkondensationseffekt von Aufhängungen mit mehreren Größen erklären kann und gegenüber einem Aufhängungssystem mit nur einer Größe nicht überzeugend ist. Darauf aufbauend schlagen sie eine Interpretation des Schallfeldkondensationseffekts vor, die auf dem Modell der kollektiven Partikelaktion basiert. Das Modell berücksichtigt nicht nur die Wechselwirkung zwischen zwei Teilchen, sondern die Gesamtkraft zwischen allen Teilchen. Unter der Wirkung des Schallfeldes nimmt in dem Bereich, in dem die Dichte der dispergierten Partikel zunimmt, die effektive Querschnittsfläche der dispergierten Phase zur dispergierten Phase ab, was zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der dispergierten Phase relativ zu den Partikeln führt, begleitet von einer Erhöhung der Dispersionsgeschwindigkeit zwischen den dispergierten Substanzen. Der Druck wird erhöht, so dass die Feststoffpartikeldichte weiter erhöht und dadurch der Koagulationsprozess beschleunigt wird. Gemäß diesem Modell wird eine Reihe von Beziehungen zwischen der Instabilitätszunahme des Aufhängungssystems und der Ultraschallfrequenz und Ultraschallleistung eingeführt und die experimentellen Fakten überprüft.

Sechstens: ultraschallverstärkte Filtration und Dehydrierung

Bei der chemischen Trennung wird die Mischung häufig filtriert, um feste Partikel zu entfernen und die Lösung zu reinigen. Herkömmliche Filtermethoden neigen dazu, dass winzige Partikel den Filter verstopfen und die Filtermembran häufig ausgetauscht werden muss. Die Ultraschallbestrahlung hat zwei besondere Effekte, die zur Verbesserung der Filtertechnik beitragen. Der Schallfeldkondensationseffekt kann zur Ansammlung feiner Partikel führen und so die Filtrationsrate beschleunigen. Der zweite Grund ist, dass der Ultraschallenergieabsorptionseffekt ausreichend Vibrationsenergie für das System bereitstellt. Ein Teil der Partikel kann im Filtrat schwimmen, wodurch ein freierer Durchgang zum Waschen gewährleistet wird. Studien haben gezeigt, dass durch ultraschallverstärkte Filtration (d. h. „akustische Filtration“) der Wassergehalt von Kohleschlamm mit 50 % Wasser schnell auf 25 % reduziert werden kann, während herkömmliche Filtration nur 40 % erreichen kann. Die „elektroakustische Filterung“ in Kombination mit dem verbesserten elektrischen Feld und Schallfeld kann den Trocknungsgrad der Kohleaufschlämmung um 10 % erhöhen. Als die elektroakustische Filtrationstechnologie zum Filtern von Apfelsaft aus dem Fruchtfleisch eingesetzt wurde, verringerte sich der Feuchtigkeitsgehalt des Fruchtfleisches von ursprünglich 85 % auf 38 %, während die herkömmliche Methode den Wassergehalt nur auf 50 % reduzierte.

 

In der Kohle-, Mineralien- und Chemieindustrie muss das durch Sedimentation, Filtration usw. abgetrennte Feststoffmaterial vor dem Trocknen so weit wie möglich die Feuchtigkeit im Material entfernen, um Energie für den Trocknungsschritt zu sparen. Das Schallfeld hat eine verbesserte Wärmeübertragung und Stoffübertragung. Swamy et al. untersuchten die Entfernung von wassergesättigtem Siderit, Sand und Sägemehl durch Zentrifugalentwässerung unter hochintensiver Schallfeldbestrahlung von 139 dB (ca. 100 W) und 98 kHz. Die Feuchtigkeit im Material zeigt, dass bei Anwendung der Zentrifugalentwässerung auf die Schallwelle der durch die Zentrifugalentwässerung ohne Schallwelle erhaltene Endwassergehalt unter verschiedenen Bedingungen 25 % bis 95 % betragen kann und die kritische Temperatur ebenfalls gesenkt wird.

7. Schallfeld verstärkte Adsorption und Desorption

Adsorption und Desorption werden in der Chemie-, Lebensmittel-, Metallurgie- und anderen Industrie weit verbreitet eingesetzt und spielen eine immer wichtigere Rolle bei der Trennung und Reinigung. Adsorption und Desorption sind ein Paar wechselseitiger Prozesse. Bei der Ultraschallkavitation erhöht das Schallfeld die Geschwindigkeit, mit der das Adsorbat zum Adsorbens diffundiert. Andererseits verringert es die Van-der-Waals-Kraft zwischen Adsorbat und Adsorbens. Ersteres wirkt sich positiv aus und verstärkt die Adsorption; Letzteres wirkt sich negativ aus und verstärkt die Desorption. Daher kann die Auswahl geeigneter Schallfeldparameter die Adsorption und Desorption separat verbessern.

 

Der durch Ultraschall verstärkte Adsorptionsprozess wird untersucht: Unter der Wirkung von leistungsstarkem Ultraschall wird die Adsorptionsrate von Polyvinylalkohol, Essigsäure-Buttersäure-Cellulose und Glucose in Karton und entfärbtem Kraftzellstoff erhöht; die Adsorption von Phosphor am Boden nach der KH2PO4-Behandlung wird erhöht. Die Adsorptionsmenge von Methylenblau durch Ton und Aktivkohle nahm zu; Die Adsorptionsrate des pulverförmigen organischen Reagens und des pulverförmigen A1203 an die begrenzten Elemente nahm zu. Einige Studien haben jedoch ergeben, dass bei der Adsorption von 4-(2-Pyridylazo)isophthalsäure (PAR) durch Phenol-Formaldehyd-Ionenaustauscherharz XAD-2 (Amberlite XAD-2) die Wirkung von 20 kHz Ultraschall auf die Adsorptionsrate geringer als 21 Orpm ist. Der Effekt der mechanischen Bewegung, bei der die Adsorptionsrate der mechanischen Bewegung 2-3 mal schneller ist als die von Ultraschall.

 

Frühe Studien zum ultraschallverstärkten Desorptionsprozess umfassen: Desorption von Jod aus Aktivkohle; Ag, Cu usw. Desorption von Ge und Si, Krisccr und Lichtman untersuchten die durch Ultraschall-Oberflächenwellen induzierte Desorption und beobachteten einige adsorbierte Substanzen. Die Desorption wird auf die Anregung der Untergrundwellen zurückgeführt.

In den letzten Jahren wurde die Desorptionsregeneration von Abwasseradsorptionsmitteln aktiv. Es handelt sich um eine einfache und schnelle Methode zur Entfernung organischer hydrolytischer Schadstoffe wie Phenol und Phenolersatzstoffe aus Abwasser unter Verwendung von Aktivkohle und Polymerharz, jedoch aufgrund des Adsorptionsmittels und Adsorbats. Es besteht eine starke Affinität zwischen ihnen und die Desorptionsregeneration des Adsorptionsmittels ist immer noch ein schwieriges Problem. Die gebräuchlichsten Methoden zur Phenoldesorption sind die thermische Desorption und die chemische Desorption. Die hohe Temperatur der thermischen Desorption führt jedoch zu einer Verringerung der Austauschkapazität des Adsorptionsmittels nach der Regeneration, während bei der chemischen Desorption Chemikalien zum Einsatz kommen und nach der Desorption zwei Trennungen erforderlich sind. Derzeit haben Qin et al. berichteten über die Bewegung des Adsorptionsgleichgewichts während der Desorption des CLTBP-Harz-Phenol-Systems unter Ultraschallbestrahlung. Rege et al. untersuchte die Desorptionsrate von Phenol aus zwei Polymerharzen bei der Desorption aus Aktivkohle unter der Einwirkung von 40 kHz, 120 W, 1,44 MHz, 100 W Schallfeld und 40 kHz, 120 W, 40 kHz, 60 W. Vielfalt. Ihre Ergebnisse zeigen, dass bei Ultraschallbestrahlung der Ultraschalldiffusionseffekt aufgrund des Ultraschallstörungseffekts die Diffusionsrate der Partikel erhöht und der Ultraschallenergieabsorptionseffekt die Aktivierungsenergie der Oberflächenreaktion erster Ordnung verringert. Daher kann die Ultraschallenergie das Phenol aus der Aktivkohle und die Desorption auf dem Polymerharz fördern, die Desorptionsrate wird deutlich erhöht und der Effekt ist ausgeprägter, wenn der Reenergizer bei niedriger Temperatur, unter Verwendung eines Regenerierungsmittels und einer hohen Ultraschallintensität angewendet wird.

Acht. Abschluss

Die Anwendung von starkem Ultraschall gleicht häufig die Mängel herkömmlicher chemischer Reaktionen und klassischer chemischer Trenn- und Reinigungsverfahren aus und schafft eine neue und effektive Methode zur Verbesserung des Trenn- und Reinigungsprozesses, wodurch die Prozesszeit verkürzt und der Prozesseffekt verbessert wird. Unabhängig von industriellen Anwendungen oder akademischer Forschung wird starker Ultraschall eine breitere Forschungsperspektive in der chemischen Industrie haben.