Application d'un processeur ultrasonique puissant dans le domaine chimique

Application d'ultrasons puissants dans le domaine chimique

Également connue sous le nom d'« application active d'ultrasons de haute puissance », il s'agit d'une technique qui utilise des ultrasons puissants pour agir sur la matière afin de modifier ou d'accélérer le changement de certaines propriétés physiques, chimiques et biologiques ou de l'état de la matière. L'application des ultrasons puissants dans l'industrie chimique a connu de nouveaux développements ces dernières années, ouvrant de larges perspectives. Cet article vise à examiner l'application des ultrasons puissants dans l'industrie chimique, en vue d'attirer l'attention dans le domaine chimique sur les applications des ultrasons puissants.

Un. Aperçu du mécanisme ultrasonique puissant

      Lorsqu'une certaine intensité d'ondes ultrasonores se propage à travers le milieu, elle produira une série d'effets tels que la mécanique, la chaleur, l'optique, l'électricité et la chimie. Ces effets sont résumés et ont trois fonctions de base.

 

1. Action mécanique. Les ondes ultrasoniques sont une forme de propagation d’énergie mécanique liée à des processus passifs et produisant des vibrations alternées linéaires. Cette énergie mécanique se reflète principalement dans les vibrations, les chocs d’accélération et les contraintes équivalentes de cisaillement de pression acoustique entre les points de masse du milieu. Si à 28 kHz, l'intensité sonore de 1 W/cm2 se propage dans l'eau, la valeur de pression acoustique produite est de 242 kpa, ce qui signifie que 28 000 vibrations sont générées sous la pression de 242 kpa, et l'accélération de masse maximale est d'environ 2 000 fois l'accélération de la gravité. .

 

2. Cavitation. Lorsqu'une certaine intensité d'ondes ultrasonores se propage dans le milieu liquide, l'oscillation, l'élargissement, la contraction et l'effondrement des microbulles dans le liquide provoquent une forte onde de choc dans le liquide près de la bulle, formant une température et une pression extrêmement élevées du point local et des bulles de cavitation. Au moment de l'effondrement, une température élevée de 5 000 K ou plus et une haute pression d'environ 50 MPa sont générées dans un petit espace autour de lui. Le taux de changement de température est de 109 k/s, et il s'accompagne d'une forte onde de choc et d'un microjet d'une vitesse de 400 km par heure. Cette tension extrêmement élevée, cette température et ce jet élevés sont générés par des dizaines de milliers d'actions continues par seconde. La cavitation ultrasonique provoque l'effet de turbulence, l'effet de perturbation, l'effet d'interface et l'effet de collecte d'énergie. L'effet de turbulence rend la couche limite plus fine et augmente le taux de transfert de masse ; l'effet de perturbation améliore la diffusion des micropores ; l'effet d'interface augmente la surface de transfert de masse ; l'effet de concentration d'énergie élargit la séparation des molécules de matière et renforce la séparation chimique et le renforcement dans son ensemble. Le taux de transfert de masse et l'effet du processus. Par conséquent, la cavitation est la caractéristique la plus fondamentale des ultrasons puissants.

 

3. Action thermique. Les ondes ultrasoniques se propagent à travers le milieu et leur énergie vibratoire est constamment absorbée par le milieu en énergie thermique, ce qui augmente sa température. L'énergie acoustique est absorbée pour provoquer un échauffement local dans le milieu, un échauffement local à l'extérieur de la limite et un échauffement localisé au niveau du front d'onde lorsque le choc se forme.

 

application principale

La première application des ultrasons en biochimie devrait être l’utilisation d’ultrasons pour briser la paroi cellulaire afin de libérer son contenu. Des études ultérieures ont montré que les ultrasons de faible intensité peuvent favoriser des processus biochimiques, tels que l'irradiation de nutriments liquides par des ultrasons peut augmenter le taux de croissance des cellules d'algues, augmentant ainsi la quantité de protéines produites par ces cellules d'un facteur trois.

La densité d'énergie du champ sonore ultrasonique est multipliée par mille milliards par rapport à la densité d'énergie de la bulle de cavitation, provoquant une énorme concentration d'énergie ; le phénomène sonochimique et la sonoluminescence provoqués par la température et la pression extrêmement élevées générées par la bulle de cavitation constituent une forme unique d'échange d'énergie et de matière en sonochimie. Par conséquent, les ultrasons sur l'extraction chimique, la production de biodiesel, la synthèse organique, le traitement des micro-organismes, la dégradation des polluants organiques toxiques, le taux et le rendement de la réaction chimique, l'efficacité catalytique du catalyseur, le traitement de biodégradation, l'anti-tartre et le détartrage par ultrasons, le broyage des cellules biologiques, la dispersion et la coagulation, et les réactions chimiques acoustiques ont un rôle croissant.

deux. Chimie ultrasonique

1. Les ultrasons renforcent la réaction chimique.

les ultrasons améliorent les réactions chimiques. La principale force motrice vient de la cavitation ultrasonique. L’effondrement du noyau de cavitation produit localement des températures élevées, des pressions élevées, ainsi que de fortes ondes de choc et microjets, fournissant un nouvel environnement physico-chimique très spécial pour des réactions chimiques difficiles, voire impossibles à réaliser dans des conditions normales.

 

2. Réaction catalytique ultrasonique.

En tant que domaine de recherche émergent, la réaction catalytique ultrasonique suscite un intérêt croissant de la part des acteurs industriels. Les principaux effets des ultrasons sur la réaction catalytique sont :

 

(1) Les conditions de température et de pression élevées facilitent le clivage des réactifs en radicaux libres et en carbone divalent pour former une espèce réactionnelle plus active ;

(2) L'onde de choc et le microjet ont une action de désorption et de nettoyage sur une surface solide (telle qu'un catalyseur), et peuvent éliminer les produits de réaction de surface ou les intermédiaires et une couche de passivation de surface du catalyseur ;

(3) Les ondes de choc peuvent endommager la structure des réactifs

(4) un système réactionnel dispersé ;

(5) Cavitation ultrasonique de la surface métallique, l'onde de choc provoque la déformation du réseau métallique et la formation de la zone de contrainte interne, et améliore la réactivité chimique du métal ;

6) faire pénétrer le solvant profondément dans le solide, ce qui entraîne une réaction dite d'inclusion ;

(7) Améliorer la dispersibilité du catalyseur.

 

Dans la réaction catalytique homogène par ultrasons, des recherches supplémentaires portent sur l'isomérisation des oléfines en utilisant des composés métalliques carbonylés comme catalyseurs. Suclick et coll. a étudié en détail la réaction d'isomérisation du 1-pentène en 2-pentène par Fe(co)5 dans des conditions ultrasoniques et a découvert que la vitesse de réaction dans des conditions ultrasoniques était augmentée de 105 fois par rapport à l'absence d'ultrasons. Suclik et al. Je pense que la température et la pression élevées générées par l'effondrement des bulles de cavitation ultrasonique et le refroidissement rapide de l'environnement sont bénéfiques à la dissociation du Fe (CO) 5 et à la formation de l'espèce active supérieure Fe3 (C0) 12.

 

Mai, Tsev de l'ex-Union soviétique a étudié plus tôt l'effet des ultrasons sur les processus catalytiques hétérogènes et a découvert que les ultrasons peuvent augmenter la conversion par passage de près de 10 fois, ce qui est censé augmenter la dispersion du catalyseur. Ces dernières années, Han et al. a étudié la réaction de Reformatsky sous l'action d'ultrasons de faible intensité (≤ 10 W/cm2) et a constaté que le rendement de la réaction atteignait 90 % après 30 minutes d'ultrasons. Plus important encore, il n'est plus nécessaire de préparer une poudre de zinc hautement active par réduction du chlorure de zinc anhydre, et il n'est plus nécessaire d'utiliser du borate de triméthyle. Suslick et coll. a étudié la réaction à une intensité sonore de 50 W/cm 2 et a constaté que le mélange était soniqué à 25 ° C pendant 5 min, le rendement était supérieur à 95 %, et le cocatalyseur s'est avéré être dans le rendement et le temps de réaction. aucun effet. Suslick et coll. a étudié en détail la réaction d'hydrogénation de la poudre de nickel comme catalyseur et a constaté que sa réactivité augmentait de 5 ordres de grandeur sous l'action des ultrasons.

Il est bien connu que la poudre de nickel ordinaire a une faible activité catalytique pour l'hydrogénation des oléfines et qu'il est généralement difficile d'effectuer la réaction après environ 300 heures. Cependant, après que la poudre de nickel ait été traitée par ultrasons, la réaction a commencé rapidement et la vitesse de réaction a d'abord augmenté avec la prolongation du temps de traitement par ultrasons, puis a progressivement diminué. Ronmy et Price ont étudié l'auto-oxydation de l'alkylnitrobenzène dans la catalyse de base par transfert de phase. Il a été constaté que la vitesse de réaction augmentait fortement sous l'action des ultrasons, que le temps de réaction était raccourci de 2 heures, que la sélectivité en acide était considérablement améliorée et que le produit contenait une grande quantité de groupe nitro. De l'acide benzoïque se forme.

les ultrasons présentent également des avantages uniques dans l’activation, la régénération et la préparation des catalyseurs. L'Université de l'Illinois a développé un bain de lavage à ultrasons qui peut être utilisé pour éliminer le film d'oxyde à la surface de la poudre de nickel afin d'activer le catalyseur au nickel. Henry, une société Exxon aux États-Unis, a rapporté que le catalyseur nickel-molybdène permanent désactivé utilisé dans l'hydrocraquage peut être régénéré par des ondes ultrasonores. Récemment, Suslick et al. étudié l'interaction de fe(Co)5 et Co(C0)3 sous l'action des ultrasons. Il a été constaté qu'un catalyseur en alliage Fe-Co à l'échelle nanométrique s'est formé sous une forte action ultrasonique, qui contient une solution de déshydrogénation pour le cyclohexane. Une activité élevée et un mécanisme détaillé font l’objet d’une enquête plus approfondie.

 

3. Chimie des polymères ultrasoniques

L’application de la chimie des polymères positifs aux ultrasons a attiré une large attention. Le traitement par ultrasons peut dégrader les macromolécules, en particulier la dégradation des polymères de haut poids moléculaire qui est plus importante. La cellulose, la gélatine, le caoutchouc et les protéines peuvent être bien dégradées après sonication. À l'heure actuelle, le mécanisme de dégradation ultrasonique est généralement considéré comme dû à l'effet de la force et de la haute pression de l'éclatement de la bulle de cavitation, et l'autre partie de la dégradation peut être due à la chaleur. Dans certaines conditions, les ultrasons puissants peuvent également initier la polymérisation. Une forte irradiation ultrasonique peut initier la copolymérisation de l'alcool polyvinylique et de l'acrylonitrile pour préparer un copolymère séquencé, et la copolymérisation de l'acétate de polyvinyle et de l'oxyde de polyéthylène pour former un copolymère greffé.

 

4. Amélioration du champ ultrasonique de la nouvelle technologie de réaction chimique

La combinaison d’une nouvelle technologie de réaction chimique et de l’amélioration du champ ultrasonique constitue une autre direction de développement potentielle dans le domaine de la chimie ultrasonique. Par exemple, un fluide supercritique est utilisé comme milieu et une réaction catalytique améliorée est réalisée à l'aide d'un champ ultrasonique. Par exemple, un fluide supercritique a une densité semblable à un liquide et une viscosité semblable à celle d'un gaz et un coefficient de diffusion, ce qui le fait se dissoudre sous forme liquide, et la capacité de transfert de masse est équivalente à celle d'un gaz. L'utilisation de fluides supercritiques présentant de bonnes propriétés de solubilité et de diffusion peut améliorer la désactivation des catalyseurs hétérogènes. Cependant, s’il peut être renforcé par un champ ultrasonore, c’est sans aucun doute la cerise sur le gâteau. L'onde de choc et le micro-jet générés par la cavitation ultrasonique peuvent non seulement améliorer considérablement le fluide supercritique pour dissoudre certaines substances qui provoquent la désactivation du catalyseur, mais également jouer le rôle de désorption et de nettoyage, maintenir le catalyseur actif pendant une longue période et avoir également pour effet d'agiter. La dispersion du système réactif augmente le taux de transfert de masse de la réaction chimique du fluide supercritique. De plus, la température et la pression élevées locales formées par la cavitation ultrasonique faciliteront le clivage des réactifs en radicaux libres, accélérant considérablement la vitesse de réaction. À l’heure actuelle, il existe de nombreuses recherches sur les réactions chimiques des fluides supercritiques, mais il existe peu d’études sur l’utilisation des champs ultrasonores pour améliorer de telles réactions.

3. extraction améliorée par ultrasons

1, extraction solide-liquide

L'extraction solide-liquide est souvent appelée extraction dans l'industrie chimique alimentaire, c'est-à-dire l'extraction de composants utiles à partir de matériaux avec un solvant approprié, et un traitement thermique ou une agitation mécanique est utilisé pour améliorer le processus. Il a été constaté que l’application d’énergie ultrasonique de puissance peut considérablement améliorer le processus d’extraction. . L'effet perturbateur des ultrasons augmente la perméabilité du solvant dans les cellules de l'extrait et améliore le processus de transfert de masse. Un autre effet des ultrasons est que la forte force de cisaillement générée par la cavitation ultrasonique peut briser la paroi cellulaire végétale et permettre la libération facile des cellules. Confinement, cela a été confirmé par l'étude des ultrasons pour augmenter le taux d'extraction du sucre de la betterave sucrière. L'extraction solide-liquide améliorée par ultrasons est également appliquée à l'extraction de l'acide salicylique, du chlore de la berbérine et du chou commun de la médecine chinoise. La méthode de reflux d'alcool, qui est habituellement utilisée pour extraire le chou commun à température ambiante, peut obtenir un rendement d'extraction de plus de 50 % sous traitement ultrasonique en la moitié du temps d'extraction. Le transfert de masse efficace et la rupture cellulaire s’avèrent une fois de plus être les principales raisons d’une extraction améliorée. .

 

L'effet des ultrasons sur l'extraction des protéines du soja dégraissé a été étudié. L'irradiation du champ sonore de 20 kHz et 50 W peut améliorer le processus d'extraction continu du lait de soja. Elle surpasse toutes les technologies de faisabilité antérieures et permet d'obtenir une extraction efficace, et la technologie a été étendue. Allez à l'usine expérimentale.

La première étape de la fabrication du thé instantané consiste à extraire les solides du thé des feuilles de thé, puis à éliminer l'eau de la solution de thé pure par séchage par pulvérisation pour obtenir le thé instantané. les ultrasons à 60°C peuvent augmenter l'extraction de 20%. L'extraction par ultrasons est plus efficace que l'extraction thermique conventionnelle et réduit le temps d'extraction. La majeure partie du matériau est extraite dans les 10 premières minutes du processus.

 

 

La pepsine hypertensive est une matière première importante utilisée dans la transformation de l'émulsion en fromage. Il peut être extrait de l’estomac des mammifères. Le rendement d'extraction est amélioré avec succès en utilisant 19,2 kHz et 3,34 W/cm2 pendant 45 min. 150 g de bardane ne peuvent extraire que 30,60 g de pepsine sans ultrasons, et l'extraction par ultrasons peut atteindre 47,81 g, et l'activité de la protéase est légèrement améliorée par l'extraction par ultrasons par rapport à la méthode courante.

 

Des exemples d’application de l’extraction solide-liquide améliorée par ultrasons dans les processus chimiques sont :

(1) Lors de l'extraction des asphaltènes des schistes bitumineux avec 8 solvants tels que le benzène, le taux d'extraction est 24 fois celui de la méthode d'extraction des graisses de Soxhlet sous l'action de 50 kHz et 400 W ; (2) Hydroxyde de sodium et chloration Lorsque la solution mixte d'ammonium est lixiviée du zinc dans du zinc contenant 17,3 % de minerai de zinc, le taux de lixiviation peut être considérablement accéléré en utilisant 22 kHz, 100 W d'ultrasons ;

(3) L'irradiation du champ sonore à une fréquence de 20 kHz, une puissance de 100 W et 600 W peut augmenter le taux de pyréthrine lors de l'extraction du pyrèthre en poudre du n-hexane ;

(4) 24 kHz, (positif et négatif 2,5 kHz) une irradiation ultrasonique de 120 W est appliquée à l'extraction au méthanol du benzopyrène (a) dans des échantillons environnementaux, et il existe un taux d'extraction sans précédent par sublimation sous vide ;

(5) un grand champ ultrasonique d'insertion à une seule tête de 18,5 kHz et 250 W de haute intensité peut augmenter le taux d'extraction de l'or par cyanuration ;

(6) Des ultrasons de 20 kHz ont été utilisés pour extraire les alcaloïdes totaux de l'agripaume et l'extraction était supérieure à la méthode générale de reflux, et le temps d'extraction a été raccourci. Le taux d'extraction après extraction par reflux pendant 2 heures était de 0,176 %, et le taux d'extraction après extraction par ultrasons pendant 40 minutes atteignait 0,248 %.

 

2, extraction liquide-liquide

L'extraction liquide-liquide implique le processus de transfert de masse entre deux phases organiques et aqueuses mutuellement incompatibles. L'effet interfacial provoqué par la cavitation de l'onde ultrasonore augmente la zone de contact entre les deux phases, et l'effet de turbulence provoqué par l'onde de choc lorsque la cavitation s'effondre élimine le retard de la jonction biphasée, augmentant ainsi le taux d'extraction liquide-liquide. Pour les systèmes d'extraction liquide-liquide généralement contrôlés par le taux de transfert de masse, l'effet des ondes ultrasonores est très significatif, en particulier dans le processus d'extraction liquide-liquide des métaux dans l'industrie métallurgique non ferreuse, lorsque la fréquence et la puissance ultrasoniques appropriées sont appliquées, la vitesse de décomposition peut être considérablement améliorée. Et augmenter le taux d'extraction, avec une irradiation ultrasonique de 1 MHz, 0,2 W/cm2 pendant 15 min, peut être utilisé pour séparer la vitesse de séparation de phase de mo et w séparés par un extracteur d'acide phosphorique acide de 4 à 5 fois ; avec une irradiation ultrasonique de 20 kHz, 19 W/cm2, le taux d'extraction de Ga peut être augmenté de 15 fois ; le taux d'extraction de Ni peut être augmenté de 4 à 7 fois avec une irradiation ultrasonique de 20 kHz, 47 W et une agitation mécanique.

quatre. Cristallisation améliorée par ultrasons

Un grand nombre d'études expérimentales ont montré que des ultrasons puissants peuvent à la fois produire une précipitation rapide et douce de solutés solides dans une solution sursaturée et améliorer la croissance des cristaux. Dès les années 1950, un mélange de solution de procaïne et de sel de pénicilline a été irradié avec des ultrasons de 10 kHz pour obtenir un précipité cristallin de pénicilline procaïne fin et uniforme avec une distribution granulométrique de 5 um à 15 um et la taille du produit obtenue par une méthode conventionnelle. Pour l0um un 20um. Il y a deux avantages à utiliser les ultrasons dans le processus de refroidissement du métal en fusion, c'est-à-dire le dégazage et l'obtention de grains de cristal plus petits, et sous l'action des ondes ultrasonores, le noyau formé entre dans un état vibrant, accélérant ainsi le processus de croissance sur l'acier au carbone. Le traitement par ultrasons montre qu'il peut réduire la taille des grains de 200 um à 25 um à 30 um, la ductilité de l'acier au carbone de 30 % à 40 % et la résistance mécanique de 20 % à 30 %. Des études sur la cristallisation par refroidissement du zinc métallique montrent que le traitement par ultrasons peut augmenter l'intensité critique de la contrainte de cisaillement de 80 % et que la forme cristalline du zinc métallique passe de cylindrique à uniforme sous l'action d'ondes ultrasonores d'une fréquence de 25 kHz et d'une force de 50 W/cm2. Hexagone.

La cristallisation en solution joue un rôle important dans la séparation et la purification des substances organiques solubles et des sels inorganiques. Il peut non seulement séparer le soluté de la solution à l’état solide, mais aussi parce que les différents cristaux ont des réseaux cristallins différents. Il peut également être utilisé pour purifier des matériaux cristallins. Qiu Taiqiu et d'autres, sous les auspices de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, ont étudié avec succès les effets des ultrasons sur la cinétique de cristallisation d'une solution de saccharose. Ils ont influencé les propriétés physiques de la solution sursaturée, la nucléation et la croissance cristalline. Une étude systématique a été réalisée. Les résultats montrent que sous l'action du champ sonore externe, la conductivité de la solution sursaturée augmente, la viscosité diminue, la période d'induction de nucléation diminue et la stabilité diminue. Ainsi, il est avantageux que la solution sursaturée de saccharose précipite des cristaux. L'effet de concentration d'énergie de la cavitation ultrasonique peut fournir de l'énergie à la solution sursaturée, améliorer l'énergie de vibration de l'ensemble du système et l'effet interfacial réduit l'énergie de cristallisation. En conséquence, la solution sursaturée de saccharose peut réaliser une nucléation primaire dans la région stable. Par rapport à d'autres méthodes de cristallisation par stimulation et méthodes de cristallisation par ensemencement, la sursaturation requise pour la nucléation ultrasonique est plus faible, le noyau cristallin obtenu est plus uniforme, complet, lisse, et la plage de distribution de la taille du noyau cristallin et du cristal fini est petite et le coefficient de variation inférieur. L'application de l'irradiation ultrasonique dans la croissance des cristaux de saccharose a des effets à la fois positifs et négatifs : d'une part, l'effet turbulent provoqué par la cavitation ultrasonique peut réduire l'épaisseur de la couche limite et augmenter le taux de transfert de masse ; d'autre part, la bulle de cavitation ultrasonique s'effondre dans le microjet. Le microjet a un effet d'éclipse sur la surface du cristal, et si l'intensité est trop grande, le cristal sera brisé. Par conséquent, l’effet des ultrasons sur la croissance des cristaux est lié à la taille des cristaux et à la taille des bulles de cavitation. Lorsque la taille des cristaux est inférieure au rayon de la bulle de cavitation, les ultrasons favorisent la croissance des cristaux ; et lorsque la taille des cristaux est supérieure au rayon de la bulle de cavitation, les ultrasons endommagent la croissance des cristaux.

 

Wang Weining et coll. introduit l'onde ultrasonore avec une fréquence de 33 kHz et une puissance de 250 W dans le processus de cristallisation du chlorure de magnésium basique (mg3(OH)5Cl?4H2O), ce qui a raccourci la période d'induction de la solution sursaturée, et le processus de cristallisation a changé de 12h à 4h, et la fréquence ultrasonique était plus élevée. Plus le taux de nucléation est rapide, plus la période d’induction et le temps requis pour une cristallisation complète sont courts. Autres exemples de cristallisation de solution renforcée par ultrasons, tels que le nitrate de potassium, l'acétamide et le tartrate de sodium et de potassium.

Dans les industries de la congélation et de la réfrigération des aliments, la formation de cristaux de glace est importante pour maintenir la qualité originale des ingrédients alimentaires. Par exemple, lorsque les fruits mous (fraises) sont congelés, alors que les petits cristaux de glace granulaires formés dans le matériau cellulaire alimentaire continuent de croître, lorsque la taille des grains cristallins augmente, ils détruiront une partie des parois cellulaires, c'est-à-dire qu'ils détruiront une partie de la structure des matières premières. Il faut un « temps d'expansion » assez long à partir du moment où l'eau commence à se cristalliser en glace jusqu'à ce que les aliments soient complètement congelés. Sous l'action des ultrasons, des cristaux de glace de plus en plus uniformes peuvent être produits, le temps d'expansion est raccourci, la taille finale des cristaux de glace est réduite et les dommages causés aux cellules sont réduits. des études par ultrasons sur les effets des confiseries glacées ont montré que la taille des particules des cristaux de glace produits par irradiation ultrasonique est considérablement réduite et répartie plus uniformément dans les solides, ce qui rend les confiseries glacées plus dures que les produits conventionnels, augmentant ainsi l'acceptation du produit par les consommateurs. Le degré d'accueil et la combinaison de bonbons glacés et de manches en bois.

 

V. condensation ultrasonique

Les ultrasons ont été utilisés au début des années 1940 pour améliorer la coagulation des matières en suspension dans les aérosols et, aux États-Unis, ils ont déclenché une « fièvre d'espionnage » dans tout le pays. Cependant, en raison des limites des équipements à ultrasons, cet enthousiasme s’est rapidement refroidi. Jusqu'à l'émergence d'équipements ultrasoniques avancés dans les années 1960, la coagulation ultrasonique a commencé à être appliquée au dépôt de gaz corrosifs, au dépôt de noir de carbone et de CaCO3 et à la poudre de ciment. Récupération de poudre de goudron, élimination des gaz de haut fourneau et traitement des fumées des fours métallurgiques.

Afin d’expliquer le phénomène de coagulation des petites particules induite par les ultrasons, c’est-à-dire l’effet de condensation du champ sonore, les scientifiques ont proposé de nombreux modèles hypothétiques. L'agglomération ultrasonique est généralement considérée comme un processus dans lequel lorsque les ondes ultrasonores traversent un milieu en écoulement contenant des particules en suspension, les particules en suspension commencent à vibrer avec le milieu, mais comme les particules de différentes tailles commencent à vibrer avec le milieu, les particules de différentes tailles ont une vitesse de vibration relative différente, les particules entreront en collision et se lieront les unes aux autres, et le volume et le poids augmenteront. À mesure que les particules deviennent plus grosses, elles ne peuvent plus suivre la vibration acoustique, mais ne peuvent être utilisées que pour des mouvements irréguliers et continuer à entrer en collision et à se lier. Il grossit et finit par s'installer. Kotyasov et Newtson ont souligné que le modèle ci-dessus ne peut expliquer que l'effet de condensation du champ sonore des suspensions multi-tailles, et qu'il n'est pas convaincant de faire face à un système de suspension à taille unique. Sur cette base, ils proposent une interprétation de l’effet de condensation du champ sonore basée sur le modèle de l’action collective des particules. Le modèle prend en compte non seulement l’interaction entre deux particules, mais aussi la force globale entre toutes les particules. Sous l'action du champ sonore, dans la région où la densité des particules dispersées augmente, la section efficace de la phase dispersée par rapport à la phase dispersée diminue, ce qui entraîne une augmentation du débit de la phase dispersée par rapport aux particules, accompagnée d'une augmentation du taux de dispersion entre les substances dispersées. La pression est augmentée, de sorte que la densité des particules solides augmente encore et, par conséquent, le processus de coagulation est accéléré. Selon ce modèle, une série de relations entre l'incrément d'instabilité du système de suspension et la fréquence et la puissance ultrasoniques est introduite, et les faits expérimentaux sont vérifiés.

Sixièmement, filtration et déshydratation améliorées par ultrasons

Le mélange est souvent filtré lors de la séparation chimique pour éliminer les particules solides et purifier la solution. Les méthodes de filtration conventionnelles ont tendance à obstruer le filtre par de minuscules particules et la membrane filtrante doit être remplacée fréquemment. L'irradiation ultrasonique a deux effets spéciaux qui contribuent à améliorer la technique de filtrage. L'effet de condensation du champ sonore peut provoquer l'agrégation de fines particules pour accélérer le taux de filtration. La seconde est que l’effet d’absorption d’énergie ultrasonique fournit une énergie de vibration suffisante au système. Une partie des particules peut flotter dans le filtrat, offrant ainsi un passage plus libre pour le lavage. Des études ont montré que la filtration améliorée par ultrasons (c'est-à-dire « filtration acoustique ») peut rapidement réduire la teneur en eau d'une boue de charbon contenant 50 % d'eau à 25 %, alors que la filtration conventionnelle ne peut atteindre que 40 %. La « filtration électro-acoustique » combinée au champ électrique et au champ sonore améliorés peut augmenter le degré de séchage de la boue de charbon de 10 %. Lorsque la technologie de filtration électroacoustique a été appliquée pour filtrer le jus de pomme de la pulpe, la teneur en humidité de la pulpe a diminué de 85 % initialement à 38 %, alors que la méthode conventionnelle ne réduisait la teneur en eau qu'à 50 %.

 

Dans les industries du charbon, des minéraux et de la chimie, le matériau solide séparé par sédimentation, filtration, etc. doit éliminer autant que possible l'humidité du matériau avant le séchage, économisant ainsi de l'énergie pour l'étape de séchage. Le champ sonore a amélioré le transfert de chaleur et le transfert de masse. Swamy et coll. ont étudié l'élimination de la sidérite, du sable et de la sciure saturés d'eau par déshydratation centrifuge sous irradiation d'un champ sonore de haute intensité de 139 dB (environ 100 W) et 98 kHz. L'humidité dans le matériau montre que lorsque la déshydratation centrifuge est appliquée à l'onde sonique, la teneur finale en eau obtenue par déshydratation centrifuge sans onde sonore peut être de 25 % à 95 % dans différentes conditions, et la température critique est également diminuée.

7. Adsorption et désorption améliorées par champ sonore

L'adsorption et la désorption ont été largement utilisées dans les industries chimiques, alimentaires, métallurgiques et autres, jouant un rôle de plus en plus important dans la séparation et la purification. L'adsorption et la désorption sont deux processus réciproques. Sous cavitation ultrasonique, le champ sonore augmente la vitesse à laquelle l'adsorbat se diffuse vers l'adsorbant ; d'autre part, cela réduit la force de Van der Waals entre l'adsorbat et l'adsorbant. Le premier a un effet positif et renforce l’adsorption ; cette dernière a un effet négatif et renforce la désorption. Par conséquent, la sélection de paramètres de champ sonore appropriés peut améliorer séparément l’adsorption et la désorption.

 

Le processus d'adsorption améliorée par ultrasons est étudié : sous l'action des ultrasons puissants, le taux d'adsorption de l'alcool polyvinylique, de l'acide acétique-acide butyrique, de la cellulose et du glucose est augmenté dans le carton plat et la pâte kraft décolorée ; l'adsorption du phosphore sur le sol après le traitement au KH2PO4 est augmentée. La quantité d'adsorption du bleu de méthylène par l'argile et le charbon actif a augmenté ; le taux d'adsorption du réactif organique en poudre et de l'A1203 en poudre sur les éléments limités a augmenté. Cependant, certaines études ont montré que lorsque la résine échangeuse d'ions phénol-formaldéhyde XAD-2 (am berlite XAD-2) adsorbe l'acide 4-(2-pyridylazo)isophtalique (PAR), l'effet des ultrasons de 20 kHz sur le taux d'adsorption est inférieur à 21Orpm. L'effet de l'agitation mécanique, dans lequel le taux d'adsorption de l'agitation mécanique est 2 à 3 fois plus rapide que celui des ultrasons.

 

Les premières études sur le processus de désorption améliorée par ultrasons comprennent : la désorption de l'iode du charbon actif ; Ag, Cu, etc. désorption de Ge et Si, Krisccr et Lichtman ont étudié la désorption induite par les ondes de surface ultrasoniques et ont observé certaines substances adsorbées. La désorption est attribuée à l'excitation des ondes souterraines.

Ces dernières années, la régénération par désorption des adsorbants des eaux usées a été active. Il s'agit d'une méthode simple et rapide pour éliminer les polluants hydrolytiques organiques tels que le phénol et les substituts du phénol des eaux usées en utilisant du charbon actif et de la résine polymère, mais grâce à l'adsorbant et à l'adsorbat. Il existe une forte affinité entre eux et la régénération par désorption de l'adsorbant reste un problème difficile. Les méthodes les plus courantes de désorption du phénol sont la désorption thermique et la désorption chimique, mais la température élevée de désorption thermique entraîne une diminution de la capacité d'échange de l'adsorbant après régénération, tandis que la désorption chimique utilise des produits chimiques et nécessite deux séparations après désorption. À l'heure actuelle, Qin et al. ont rapporté le mouvement de l'équilibre d'adsorption lors de la désorption du système résine-phénol CLTBP sous irradiation ultrasonique. Rege et coll. a étudié le taux de désorption du phénol de deux résines polymères lorsqu'il est désorbé du charbon actif sous l'action d'un champ sonore de 40 kHz, 120 W, 1,44 MHz, 100 W et 40 kHz, 120 W, 40 kHz, 60 W. Variété. Leurs résultats montrent que sous irradiation ultrasonore, l'effet de diffusion ultrasonore augmente le taux de diffusion des particules en raison de l'effet de perturbation ultrasonore, et l'effet d'absorption d'énergie ultrasonore réduit l'énergie d'activation de la réaction de surface de premier ordre. Par conséquent, l'énergie ultrasonique peut favoriser le phénol du charbon actif et la désorption sur la résine polymère, le taux de désorption est considérablement augmenté et l'effet est plus prononcé lorsque le réénergisant est appliqué à basse température, en utilisant un régénérant et une intensité ultrasonique élevée.

Huit. Conclusion

L'application d'ultrasons puissants compense souvent les inconvénients des réactions chimiques conventionnelles et des technologies classiques de séparation et de purification chimiques, et crée une méthode nouvelle et efficace pour améliorer le processus de séparation et de purification, ce qui réduit le temps de traitement et améliore l'effet du processus. Indépendamment des applications industrielles ou de la recherche universitaire, les ultrasons puissants auront des perspectives de recherche plus larges dans l'industrie chimique.