Applicazione di un potente processore ad ultrasuoni nell'area chimica

Applicazione di forti ultrasuoni nell'area chimica

Conosciuta anche come 'applicazione attiva di ultrasuoni ad alta potenza', è una tecnica che utilizza forti ultrasuoni per agire sulla materia per alterare o accelerare il cambiamento di alcune proprietà fisiche, chimiche e biologiche o dello stato della materia. L'applicazione di forti ultrasuoni nell'industria chimica ha apportato nuovi sviluppi negli ultimi anni, mostrando un'ampia prospettiva. Questo articolo intende esaminare l'applicazione degli ultrasuoni forti nell'industria chimica, con l'obiettivo di attirare l'attenzione nel campo chimico per le applicazioni a ultrasuoni forti.

Uno. Panoramica del forte meccanismo ultrasonico

      Quando una certa intensità di onde ultrasoniche si propaga attraverso il mezzo, produrrà una serie di effetti come meccanica, calore, ottica, elettricità e chimica. Questi effetti sono riassunti e hanno tre funzioni fondamentali.

 

1. Azione meccanica. Le onde ultrasoniche sono una forma di propagazione dell'energia meccanica correlata ai processi passivi e produce vibrazioni lineari alternate. Questa energia meccanica si riflette principalmente nella vibrazione, nello shock di accelerazione e nello stress equivalente al taglio della pressione sonora tra i punti di massa del mezzo. Se a 28khz, l'intensità sonora di 1W/cm2 si propaga nell'acqua, il valore di pressione sonora prodotto è di 242kpa, il che significa che sotto la pressione di 242kpa vengono generate 28.000 vibrazioni e l'accelerazione massima di massa è circa 2000 volte l'accelerazione di gravità. .

 

2. Cavitazione. Quando una certa intensità di onde ultrasoniche si propaga nel mezzo liquido, l'oscillazione, l'allargamento, la contrazione e il collasso delle microbolle nel liquido provocano una forte onda d'urto nel liquido vicino alla bolla, formando una temperatura estremamente elevata e un'alta pressione del punto locale e bolle di cavitazione. Al momento del collasso, in un piccolo spazio attorno ad esso si generano un'alta temperatura di 5000 K o più e un'alta pressione di circa 50 mpa. La velocità di variazione della temperatura è di 109 k/s ed è accompagnata da una forte onda d'urto e da un microgetto con una velocità di 400 km all'ora. Questa altissima tensione, alta temperatura e alta Il getto è generato da decine di migliaia di azioni continue al secondo. La cavitazione ultrasonica provoca l'effetto di turbolenza, l'effetto di perturbazione, l'effetto di interfaccia e l'effetto di raccolta di energia. L'effetto turbolenza rende lo strato limite più sottile e aumenta la velocità di trasferimento di massa; l'effetto perturbatore favorisce la diffusione dei micropori; l'effetto interfaccia aumenta la superficie di trasferimento di massa; l'effetto di concentrazione dell'energia espande la separazione delle molecole della materia e rafforza la separazione chimica e il rafforzamento nel suo insieme. La velocità di trasferimento di massa e l'effetto del processo. Pertanto, la cavitazione è la caratteristica fondamentale degli ultrasuoni forti.

 

3. Azione termica. Le onde ultrasoniche si propagano attraverso il mezzo e la loro energia vibrazionale viene costantemente assorbita dal mezzo in energia termica, che ne aumenta la temperatura. L'energia acustica viene assorbita per provocare un riscaldamento locale nel mezzo, un riscaldamento locale all'esterno del confine e un riscaldamento localizzato sul fronte d'onda quando si forma lo shock.

 

applicazione principale

La prima applicazione degli ultrasuoni in biochimica dovrebbe essere l'uso degli ultrasuoni per rompere la parete cellulare per rilasciare il suo contenuto. Studi successivi hanno dimostrato che gli ultrasuoni a bassa intensità possono promuovere processi biochimici, come l'irradiazione di nutrienti liquidi con ultrasuoni può aumentare il tasso di crescita delle cellule delle alghe, aumentando così la quantità di proteine ​​prodotte da queste cellule di un fattore tre.

La densità di energia del campo sonoro ultrasonico viene ampliata di un trilione di volte rispetto alla densità di energia della bolla di cavitazione, provocando un'enorme concentrazione di energia; il fenomeno sonochimico e la sonoluminescenza causati dalla temperatura estremamente elevata e dall'alta pressione generate dalla bolla di cavitazione è una forma unica di scambio di energia e materiale nella sonochimica. Pertanto, gli ultrasuoni sull'estrazione chimica, la produzione di biodiesel, la sintesi organica, il trattamento di microrganismi, la degradazione di inquinanti organici tossici, la velocità e la resa della reazione chimica, l'efficienza catalitica del catalizzatore, il trattamento di biodegradazione, l'anti-incrostazione e la disincrostazione ad ultrasuoni, la sminuzzamento delle cellule biologiche, la dispersione e la coagulazione e le reazioni chimiche acustiche hanno un ruolo crescente.

due. Chimica ad ultrasuoni

1. gli ultrasuoni rafforzano la reazione chimica.

gli ultrasuoni migliorano le reazioni chimiche. La principale forza trainante proviene dalla cavitazione ultrasonica. Il collasso del nucleo di cavitazione produce alte temperature locali, alte pressioni e forti onde d’urto e microgetti, fornendo un nuovo e molto speciale ambiente fisico-chimico per reazioni chimiche difficili o impossibili da ottenere in condizioni normali.

 

2. Reazione catalitica ad ultrasuoni.

Essendo un campo di ricerca emergente, la reazione catalitica ad ultrasuoni ha attirato un crescente interesse da parte degli operatori del settore. I principali effetti degli ultrasuoni sulla reazione catalitica sono:

 

(1) Le condizioni di alta temperatura e alta pressione facilitano la scissione dei reagenti in radicali liberi e carbonio bivalente per formare specie di reazione più attive;

(2) L'onda d'urto e il microgetto hanno un'azione di desorbimento e pulizia su una superficie solida (come un catalizzatore) e possono rimuovere prodotti o intermedi di reazione superficiale e uno strato di passivazione superficiale del catalizzatore;

(3) Le onde d'urto possono danneggiare la struttura dei reagenti

(4) un sistema di reazione disperso;

(5) Cavitazione ultrasonica della superficie metallica, l'onda d'urto provoca la deformazione del reticolo metallico e la formazione della zona di deformazione interna e migliora la reattività chimica del metallo;

6) far penetrare il solvente in profondità nel solido, determinando la cosiddetta reazione di inclusione;

(7) Migliorare la disperdibilità del catalizzatore.

 

Nella reazione catalitica omogenea ad ultrasuoni, ulteriori ricerche sono sull'isomerizzazione delle olefine utilizzando composti metallocarbonilici come catalizzatori. Suclick et al. ha studiato in dettaglio la reazione di isomerizzazione di 1-pentene in 2-pentene da parte di Fe(co)5 in condizioni ultrasoniche e ha scoperto che la velocità di reazione in condizioni ultrasoniche era aumentata di 105 volte rispetto a senza ultrasuoni. Suclik et al. ritengono che l'alta temperatura e l'alta pressione generate dal collasso delle bolle di cavitazione ultrasonica e il rapido raffreddamento dell'ambiente circostante siano benefici per la dissociazione di Fe(CO)5 e la formazione della specie attiva superiore Fe3(C0)12.

 

Mai, Tsev dell'ex Unione Sovietica ha studiato in precedenza l'effetto degli ultrasuoni su processi catalitici eterogenei e ha scoperto che gli ultrasuoni possono aumentare la conversione per passaggio di quasi 10 volte, il che si ritiene aumenti la dispersione del catalizzatore. Negli ultimi anni, Han et al. hanno studiato la reazione Reformatsky sotto l'azione di ultrasuoni a bassa intensità (≤10 W/cm2) e hanno scoperto che la resa della reazione raggiungeva il 90% dopo 30 minuti di ultrasuoni. Ancora più importante, non è più necessario preparare una polvere di zinco altamente attiva riducendo il cloruro di zinco anidro e non è più necessario utilizzare trimetilborato. Suslick et al. hanno studiato la reazione con un'intensità sonora di 50 W/cm 2 e hanno scoperto che la miscela veniva sonicata a 25 ° C per 5 minuti, la resa era superiore al 95% e il cocatalizzatore risultava essere nella resa e nel tempo di reazione. nessun effetto. Suslick et al. ha studiato in dettaglio la reazione di idrogenazione della polvere di nichel come catalizzatore e ha scoperto che la sua reattività aumentava di 5 ordini di grandezza sotto l'azione degli ultrasuoni.

È noto che la comune polvere di nichel ha scarsa attività catalitica per l'idrogenazione delle olefine, ed è generalmente difficile effettuare la reazione dopo circa 300 ore. Tuttavia, dopo che la polvere di nichel è stata trattata mediante ultrasuoni, la reazione è iniziata rapidamente e la velocità di reazione è prima aumentata con il prolungamento del tempo di trattamento ad ultrasuoni, quindi è gradualmente diminuita. Ronmy e Price hanno studiato l'autoossidazione dell'alchil nitrobenzene nella catalisi basica a trasferimento di fase. Si è scoperto che la velocità di reazione aumentava notevolmente sotto l'azione degli ultrasuoni, il tempo di reazione veniva ridotto di 2 ore, la selettività acida era significativamente migliorata e il prodotto conteneva una grande quantità di gruppo nitro. Si forma acido benzoico.

gli ultrasuoni mostrano anche vantaggi unici nell'attivazione, rigenerazione e preparazione dei catalizzatori. L'Università dell'Illinois ha sviluppato un bagno di lavaggio ad ultrasuoni che può essere utilizzato per rimuovere la pellicola di ossido sulla superficie della polvere di nichel per attivare il catalizzatore di nichel. Henry, una società Exxon negli Stati Uniti, ha riferito che il catalizzatore al nichel-molibdeno permanentemente disattivato utilizzato nell'idrocracking può essere rigenerato mediante onde ultrasoniche. Recentemente, Suslick et al. ha studiato l'interazione di fe(Co)5 e Co(C0)3 sotto l'azione degli ultrasuoni. Si è scoperto che sotto una forte azione ultrasonica si è formato un catalizzatore di lega Fe-Co su scala nanometrica, che ha una soluzione di deidrogenazione per il cicloesano. Il meccanismo dettagliato ad alta attività è in fase di ulteriore indagine.

 

3. Chimica dei polimeri ad ultrasuoni

L'applicazione della chimica dei polimeri positivi agli ultrasuoni ha attirato l'attenzione diffusa. Il trattamento ad ultrasuoni può degradare le macromolecole, in particolare la degradazione dei polimeri ad alto peso molecolare è più significativa. Cellulosa, gelatina, gomma e proteine ​​possono essere ben degradate dopo la sonicazione. Allo stato attuale, il meccanismo di degradazione ultrasonica è generalmente considerato dovuto all'effetto della forza e dell'alta pressione dello scoppio della bolla di cavitazione, e l'altra parte della degradazione potrebbe essere dovuta al calore. In determinate condizioni, la potenza ultrasonica può anche avviare la polimerizzazione. Una forte irradiazione ultrasonica può avviare la copolimerizzazione di alcol polivinilico e acrilonitrile per preparare un copolimero a blocchi e la copolimerizzazione di polivinilacetato e polietilene ossido per formare un copolimero ad innesto.

 

4. Miglioramento del campo ultrasonico della nuova tecnologia di reazione chimica

La combinazione della nuova tecnologia di reazione chimica e del potenziamento del campo ultrasonico è un'altra potenziale direzione di sviluppo nel campo della chimica ultrasonica. Ad esempio, come mezzo viene utilizzato un fluido supercritico e viene eseguita una reazione catalitica potenziata utilizzando un campo ultrasonico. Ad esempio, un fluido supercritico ha una densità simile a quella di un liquido, una viscosità simile a quella di un gas e un coefficiente di diffusione che lo fa dissolvere come un liquido e la capacità di trasferimento di massa è equivalente a quella di un gas. L'uso di fluidi supercritici con buone proprietà di solubilità e diffusione può migliorare la disattivazione di catalizzatori eterogenei. Tuttavia, se può essere rafforzato dal campo ultrasonico, è senza dubbio la ciliegina sulla torta. L'onda d'urto e il microgetto generati dalla cavitazione ultrasonica non solo possono migliorare notevolmente il fluido supercritico per dissolvere alcune sostanze che causano la disattivazione del catalizzatore, ma svolgono anche il ruolo di desorbimento e pulizia, mantengono il catalizzatore attivo per lungo tempo e hanno anche l'effetto di agitazione. La dispersione del sistema reagente aumenta la velocità di trasferimento di massa della reazione chimica del fluido supercritico. Inoltre, l'alta temperatura locale e l'alta pressione formate dalla cavitazione ultrasonica faciliteranno la scissione dei reagenti in radicali liberi, accelerando notevolmente la velocità di reazione. Al momento, ci sono molte ricerche sulle reazioni chimiche dei fluidi supercritici, ma ci sono pochi studi sull'uso dei campi ultrasonici per potenziare tali reazioni.

3. Estrazione migliorata ad ultrasuoni

1, estrazione solido-liquido

L'estrazione solido-liquido viene spesso definita estrazione nell'industria chimica alimentare, ovvero l'estrazione di componenti utili da materiali con un solvente adatto e il trattamento termico o l'agitazione meccanica vengono utilizzati per migliorare il processo. È stato scoperto che l'applicazione dell'energia ultrasonica di potenza può migliorare e migliorare significativamente il processo di estrazione. . L'effetto di perturbazione degli ultrasuoni aumenta la permeabilità del solvente nelle cellule dell'estratto e migliora il processo di trasferimento di massa. Un altro effetto degli ultrasuoni è che la forte forza di taglio generata dalla cavitazione ultrasonica può rompere la parete cellulare della pianta e far sì che le cellule vengano facilmente rilasciate. Contenimento, questo è stato confermato dallo studio degli ultrasuoni per aumentare la velocità di estrazione dello zucchero dalla barbabietola da zucchero. L'estrazione solido-liquido potenziata dagli ultrasuoni viene applicata anche all'estrazione di acido salicilico, cloro berberina e cavolo roccia dalla medicina cinese. Il metodo a riflusso di alcol, che viene solitamente utilizzato per estrarre il cavolo selvatico a temperatura ambiente, può ottenere una resa di estrazione superiore al 50% sotto trattamento ad ultrasuoni nella metà del tempo di estrazione. L'efficace trasferimento di massa e la rottura cellulare si sono rivelati ancora una volta le ragioni principali per una maggiore estrazione. .

 

È stato studiato l'effetto degli ultrasuoni sull'estrazione delle proteine ​​dai semi di soia sgrassati. L'irradiazione del campo sonoro da 20 kHz e 50 W può migliorare il processo di estrazione continua del latte di soia. Supera qualsiasi tecnologia di fattibilità precedente e ottiene un'estrazione efficiente e la tecnologia è stata ampliata. Vai alla fabbrica sperimentale.

Il primo passo nella produzione del tè solubile è quello di estrarre i solidi del tè dalle foglie di tè, quindi rimuovere l'acqua dalla soluzione di tè puro mediante essiccazione a spruzzo per ottenere il tè solubile. gli ultrasuoni a 60°C possono aumentare l'estrazione del 20%. L'estrazione ad ultrasuoni è più efficiente dell'estrazione del calore convenzionale e riduce i tempi di estrazione. La maggior parte del materiale viene estratta entro i primi 10 minuti del processo.

 

 

La pepsina ipertensiva è un'importante materia prima utilizzata nella lavorazione dell'emulsione nel formaggio. Può essere estratto dallo stomaco dei mammiferi. La resa dell'estrazione viene migliorata con successo utilizzando 19,2 kHz e 3,34 W/cm2 per 45 min. 150 g di bardana possono estrarre solo 30,60 g di pepsina senza ultrasuoni e l'estrazione ad ultrasuoni può raggiungere 47,81 g e l'attività della proteasi è leggermente migliorata dall'estrazione ad ultrasuoni rispetto al metodo comune.

 

Esempi di applicazione dell'estrazione solido-liquido migliorata ad ultrasuoni nei processi chimici sono:

(1) Quando si estraggono asfalteni dallo scisto bituminoso con 8 solventi come il benzene, la velocità di estrazione è 24 volte quella del metodo di estrazione del grasso di Soxhlet sotto l'azione di 50 kHz e 400 W; (2) Idrossido di sodio e clorazione Quando la soluzione mista di ammonio viene lisciviata dallo zinco in zinco contenente il 17,3% di minerale di zinco, la velocità di lisciviazione può essere notevolmente accelerata utilizzando 22 kHz, 100 W di ultrasuoni;

(3) L'irradiazione del campo sonoro ad una frequenza di 20 khz, potenza di 100 W e 600 W può aumentare la velocità della piretrina nell'estrazione del piretro in polvere dal n-esano;

(4) L'irradiazione ultrasonica da 120 W a 24 kHz (positiva e negativa a 2,5 kHz) viene applicata all'estrazione con metanolo del benzopirene (a) in campioni ambientali e si verifica una velocità di estrazione senza precedenti mediante sublimazione sotto vuoto;

(5) Il campo ultrasonico di inserimento a testa singola di grandi dimensioni ad alta intensità da 18,5 kHz, 250 W può aumentare la velocità di estrazione dell'oro mediante cianurazione;

(6) Per estrarre gli alcaloidi totali dell'erba madre sono stati utilizzati ultrasuoni a 20 kHz e l'estrazione è stata superiore rispetto al metodo a riflusso generale e il tempo di estrazione è stato ridotto. La velocità di estrazione dopo l'estrazione con metodo a riflusso per 2 ore è stata dello 0,176% e la velocità di estrazione dopo l'estrazione ad ultrasuoni per 40 minuti ha raggiunto lo 0,248%.

 

2, estrazione liquido-liquido

L'estrazione liquido-liquido prevede il processo di trasferimento di massa tra due fasi organiche e acquose reciprocamente incompatibili. L'effetto interfacciale causato dalla cavitazione dell'onda ultrasonica aumenta l'area di contatto tra le due fasi e l'effetto di turbolenza causato dall'onda d'urto quando la cavitazione collassa elimina il ritardo della giunzione bifase, aumentando così la velocità di estrazione liquido-liquido. Per i sistemi di estrazione liquido-liquido generalmente controllati dalla velocità di trasferimento di massa, l'effetto delle onde ultrasoniche è molto significativo, specialmente nel processo di estrazione liquido-liquido dei metalli nell'industria metallurgica non ferrosa, quando vengono applicate la frequenza e la potenza ultrasoniche appropriate, la velocità di decomposizione può essere notevolmente migliorata. E aumentare la velocità di estrazione, con irradiazione ultrasonica da 1 MHz, 0,2 W / cm2 per 15 minuti, può essere utilizzata per separare la velocità di separazione di fase di mo e w separati dall'estrattore acido fosforico acido di 4-5 volte; con irradiazione ultrasonica a 20kHz, 19W/cm2 La velocità di estrazione del Ga può essere aumentata di 15 volte; la velocità di estrazione del Ni può essere aumentata di 4-7 volte con irradiazione ultrasonica di 20 khz, 47 W e agitazione meccanica.

quattro. Cristallizzazione migliorata ad ultrasuoni

Un gran numero di studi sperimentali hanno dimostrato che forti ultrasuoni possono sia produrre una precipitazione rapida e delicata di soluti solidi in una soluzione sovrasatura sia migliorare la crescita dei cristalli. Già negli anni '50, una miscela di soluzione di procaina e sale di penicillina veniva irradiata con ultrasuoni a 10 kHz per ottenere un precipitato di cristalli di penicillina di procaina fine e uniforme con una distribuzione granulometrica da 5 um a 15 um e la dimensione del prodotto ottenuta con un metodo convenzionale. Per 10um uno 20um. Ci sono due vantaggi nell'utilizzare gli ultrasuoni nel processo di raffreddamento del metallo fuso, cioè degasare e ottenere grani di cristallo più piccoli e, sotto l'azione delle onde ultrasoniche, il nucleo formato entra in uno stato vibrante, accelerando così il processo di crescita, sull'acciaio al carbonio. Il trattamento ad ultrasuoni mostra che può ridurre la dimensione del grano da 200um a 25um a 30um, la duttilità dell'acciaio al carbonio dal 30% al 40% e la resistenza meccanica dal 20% al 30%. Studi sulla cristallizzazione di raffreddamento dello zinco metallico mostrano che il trattamento ad ultrasuoni può aumentare l'intensità critica dello sforzo di taglio dell'80% e la forma cristallina dello zinco metallico cambia da cilindrica a uniforme sotto l'azione delle onde ultrasoniche con una frequenza di 25 kHz e una forza di 50 W/cm2. Esagono.

La cristallizzazione della soluzione svolge un ruolo importante nella separazione e purificazione delle sostanze organiche solubili e dei sali inorganici. Non solo può separare il soluto dalla soluzione allo stato solido, ma anche perché i diversi cristalli hanno reticoli cristallini diversi. Può essere utilizzato anche per purificare materiali cristallini. Qiu Taiqiu e altri, sotto gli auspici della National Natural Science Foundation of China, hanno studiato con successo gli effetti degli ultrasuoni sulla cinetica di cristallizzazione della soluzione di saccarosio. Hanno influenzato le proprietà fisiche della soluzione sovrasatura, della nucleazione e della crescita dei cristalli. È stato effettuato uno studio sistematico. I risultati mostrano che sotto l'azione del campo sonoro esterno, la conduttività della soluzione sovrasatura aumenta, la viscosità diminuisce, il periodo di induzione della nucleazione si accorcia e la stabilità diminuisce. In tal modo è vantaggioso che la soluzione sovrasatura di saccarosio precipiti cristalli. L'effetto di concentrazione dell'energia della cavitazione ultrasonica può fornire energia alla soluzione sovrasatura, migliorare l'energia di vibrazione dell'intero sistema e l'effetto interfacciale riduce l'energia di cristallizzazione. Di conseguenza, la soluzione sovrasatura di saccarosio può raggiungere la nucleazione primaria nella regione stabile. Rispetto ad altri metodi di cristallizzazione di stimolazione e metodi di cristallizzazione di semina, la sovrasaturazione richiesta per la nucleazione ultrasonica è inferiore, il nucleo di cristallo ottenuto è più uniforme, completo, liscio e l'intervallo di distribuzione delle dimensioni del nucleo di cristallo e del cristallo finito è piccolo e il coefficiente di variazione inferiore. L'applicazione dell'irradiazione ultrasonica nella crescita dei cristalli di saccarosio ha effetti sia positivi che negativi: da un lato, l'effetto turbolento causato dalla cavitazione ultrasonica può ridurre lo spessore dello strato limite e aumentare la velocità di trasferimento di massa; d'altra parte, la bolla di cavitazione ultrasonica collassa nel Il microgetto ha un effetto eclissante sulla superficie del cristallo e se l'intensità è troppo grande, il cristallo si romperà. Pertanto, l'effetto ultrasonico sulla crescita dei cristalli è correlato alla dimensione dei cristalli e alla dimensione delle bolle di cavitazione. Quando la dimensione del cristallo è inferiore al raggio della bolla di cavitazione, gli ultrasuoni favoriscono la crescita dei cristalli; e quando la dimensione del cristallo è maggiore del raggio della bolla di cavitazione, gli ultrasuoni danneggiano la crescita dei cristalli.

 

Wang Weining et al. ha introdotto l'onda ultrasonica con una frequenza di 33 kHz e una potenza di 250 W nel processo di cristallizzazione del cloruro di magnesio basico (mg3(OH)5Cl?4H2O), che ha accorciato il periodo di induzione della soluzione sovrasatura e il processo di cristallizzazione è cambiato da 12 ore a 4 ore e la frequenza ultrasonica era più alta. Più veloce è la velocità di nucleazione, più breve è il periodo di induzione e più breve è il tempo necessario per la completa cristallizzazione. Altri esempi di cristallizzazione della soluzione rinforzante ad ultrasuoni come nitrato di potassio, acetamide e tartrato di sodio e potassio.

Nelle industrie del congelamento e della refrigerazione degli alimenti, la formazione di cristalli di ghiaccio è importante per mantenere la qualità originale degli ingredienti alimentari. Ad esempio, quando i frutti di bosco (fragole) vengono congelati, poiché i piccoli cristalli di ghiaccio granulari formati nel materiale delle cellule alimentari continuano a crescere, quando la dimensione dei grani dei cristalli aumenta, distruggeranno parte delle pareti cellulari, cioè distruggeranno parte della struttura delle materie prime. Dal momento in cui l'acqua inizia a cristallizzarsi in ghiaccio fino al completo congelamento del cibo, occorre un 'tempo di espansione' abbastanza lungo. Sotto l'azione degli ultrasuoni, possono essere prodotti cristalli di ghiaccio sempre più uniformi, il tempo di espansione viene ridotto, la dimensione finale dei cristalli di ghiaccio viene ridotta e il danno alle cellule viene ridotto. studi ad ultrasuoni sugli effetti dei dolciumi surgelati hanno dimostrato che la dimensione delle particelle dei cristalli di ghiaccio prodotti dall'irradiazione ultrasonica è significativamente ridotta e distribuita in modo più uniforme nei solidi, il che rende i dolciumi surgelati più duri rispetto ai prodotti convenzionali, aumentando l'accettazione del prodotto tra i consumatori. Il grado di accoglienza e l'accostamento tra caramelle ghiacciate e manici in legno.

 

V. condensazione ultrasonica

gli ultrasuoni furono utilizzati all'inizio degli anni '40 per migliorare la coagulazione dei solidi sospesi negli aerosol, e negli Stati Uniti hanno scatenato una 'febbre da spia' in tutto il paese. Tuttavia, a causa dei limiti delle apparecchiature a ultrasuoni, questo entusiasmo si è rapidamente raffreddato. Fino all'emergere di apparecchiature ad ultrasuoni avanzate negli anni '60, la coagulazione ad ultrasuoni cominciò ad essere applicata alla deposizione di gas corrosivi, alla deposizione di nerofumo e CaCO3 e alla polvere di cemento. Recupero di polvere di catrame, rimozione dei gas di altoforno e trattamento dei gas di scarico dei forni metallurgici.

Per spiegare il fenomeno della coagulazione delle piccole particelle indotta dagli ultrasuoni, cioè l'effetto di condensazione del campo sonoro, gli scienziati hanno proposto molti modelli ipotetici. L'agglomerazione ad ultrasuoni è generalmente considerata un processo in cui quando le onde ultrasoniche passano attraverso un mezzo fluente con particelle sospese, le particelle sospese iniziano a vibrare con il mezzo, ma poiché le particelle di dimensioni diverse iniziano a vibrare con il mezzo, le particelle di dimensioni diverse hanno una velocità di vibrazione relativa diversa, le particelle si scontreranno e si legheranno tra loro e il volume e il peso aumenteranno. Poiché le particelle diventano più grandi, non possono più seguire la vibrazione acustica, ma possono essere utilizzate solo per movimenti irregolari e continuano a scontrarsi e a legarsi. Diventa più grande e finalmente si sistema. Kotyasov e Newtson hanno sottolineato che il modello di cui sopra può solo spiegare l'effetto di condensazione del campo sonoro delle sospensioni multi-dimensione, e non è convincente affrontare un sistema di sospensione a dimensione singola. Sulla base di ciò, propongono un'interpretazione dell'effetto di condensazione del campo sonoro basata sul modello dell'azione collettiva delle particelle. Il modello considera non solo l'interazione tra due particelle, ma la forza complessiva tra tutte le particelle. Sotto l'azione del campo sonoro, nella regione in cui aumenta la densità delle particelle disperse, l'area della sezione trasversale effettiva della fase dispersa rispetto alla fase dispersa diminuisce, determinando un aumento della portata della fase dispersa rispetto alle particelle, accompagnato da un aumento della velocità di dispersione tra le sostanze disperse. La pressione viene aumentata, per cui la densità delle particelle solide aumenta ulteriormente e di conseguenza il processo di coagulazione viene accelerato. Secondo questo modello viene introdotta una serie di relazioni tra l'incremento di instabilità del sistema di sospensione e la frequenza e la potenza ultrasonica e vengono verificati i fatti sperimentali.

Sesto, filtrazione e disidratazione potenziate ad ultrasuoni

La miscela viene spesso filtrata durante la separazione chimica per rimuovere le particelle solide e purificare la soluzione. I metodi di filtrazione convenzionali tendono a far sì che piccole particelle intasino il filtro e la membrana del filtro deve essere sostituita frequentemente. L'irradiazione ultrasonica ha due effetti speciali che aiutano a migliorare la tecnica di filtraggio. L'effetto di condensazione del campo sonoro può causare l'aggregazione di particelle fini per accelerare la velocità di filtrazione. Il secondo è che l'effetto di assorbimento dell'energia ultrasonica fornisce energia di vibrazione sufficiente per il sistema. Parte delle particelle vengono lasciate galleggiare nel filtrato, fornendo un passaggio più libero per il lavaggio. Gli studi hanno dimostrato che la filtrazione potenziata a ultrasuoni (ovvero la 'filtrazione acustica') può ridurre rapidamente il contenuto di acqua dei liquami di carbone contenenti il ​​50% di acqua al 25%, mentre la filtrazione convenzionale può raggiungere solo il 40%. La 'filtrazione elettroacustica' combinata con il campo elettrico e il campo sonoro potenziati possono aumentare il grado di essiccazione del liquame di carbone del 10%. Quando è stata applicata la tecnologia di filtrazione elettroacustica per filtrare il succo di mela dalla polpa, il contenuto di umidità della polpa è diminuito dall'85% iniziale al 38%, mentre il metodo convenzionale ha ridotto il contenuto di acqua solo al 50%.

 

Nelle industrie del carbone, dei minerali e dei prodotti chimici, il materiale solido separato mediante sedimentazione, filtrazione, ecc. deve rimuovere quanto più possibile l'umidità nel materiale prima dell'essiccazione, risparmiando energia per la fase di essiccazione. Il campo sonoro ha migliorato il trasferimento di calore e di massa. Swamy et al. hanno studiato la rimozione di siderite, sabbia e segatura sature di acqua mediante disidratazione centrifuga sotto irradiazione di campo sonoro ad alta intensità di 139 dB (circa 100 W) e 98 kHz. L'umidità nel materiale mostra che quando si applica la disidratazione centrifuga all'onda sonora, il contenuto finale di acqua ottenuto mediante disidratazione centrifuga senza onda sonora può essere compreso tra il 25% e il 95% in condizioni diverse e anche la temperatura critica diminuisce.

7. Campo sonoro potenziato adsorbimento e desorbimento

L'adsorbimento e il desorbimento sono stati ampiamente utilizzati nell'industria chimica, alimentare, metallurgica e di altro tipo, svolgendo un ruolo sempre più importante nella separazione e purificazione. Adsorbimento e desorbimento sono una coppia di processi reciproci. Sotto cavitazione ultrasonica, il campo sonoro aumenta la velocità con cui l'adsorbato si diffonde verso l'adsorbente; dall'altro riduce la forza di van der Waals tra l'adsorbato e l'adsorbente. Il primo ha un effetto positivo e rafforza l'assorbimento; quest'ultimo ha un effetto negativo e rafforza il desorbimento. Pertanto, la selezione di parametri di campo sonoro appropriati può migliorare l'adsorbimento e il desorbimento separatamente.

 

Viene studiato il processo di adsorbimento potenziato ad ultrasuoni: sotto l'azione del potere ultrasonico, il tasso di adsorbimento di alcol polivinilico, cellulosa di acido acetico-butirrico e glucosio viene aumentato nel cartone e nella pasta kraft decolorata; l'adsorbimento di fosforo nel suolo dopo il trattamento con KH2PO4 aumenta. La quantità di blu di metilene assorbita dall'argilla e dal carbone attivo è aumentata; il tasso di adsorbimento del reagente organico in polvere e dell'A1203 in polvere agli elementi limitati è aumentato. Tuttavia, alcuni studi hanno scoperto che quando la resina a scambio ionico fenolo formaldeide XAD-2 (amberlite XAD-2) adsorbe l'acido 4-(2-piridilazo)isoftalico (PAR), l'effetto degli ultrasuoni a 20 kHz sulla velocità di adsorbimento è inferiore a 21 Orpm. L'effetto dell'agitazione meccanica, in cui la velocità di assorbimento dell'agitazione meccanica è 2-3 volte più veloce di quella degli ultrasuoni.

 

I primi studi sul processo di desorbimento potenziato ad ultrasuoni includono: desorbimento di iodio da carbone attivo; Desorbimento di Ag, Cu, ecc. da Ge e Si, Krisccr e Lichtman hanno studiato il desorbimento indotto dalle onde superficiali ultrasoniche e hanno osservato alcune sostanze adsorbite. Il desorbimento è attribuito all'eccitazione delle onde sotterranee.

Negli ultimi anni è stata attiva la rigenerazione per desorbimento degli adsorbenti delle acque reflue. È un metodo semplice e rapido per rimuovere gli inquinanti idrolitici organici come il fenolo e i sostituti del fenolo dalle acque reflue utilizzando carbone attivo e resina polimerica, ma grazie all'adsorbente e all'adsorbato. Esiste una forte affinità tra loro e la rigenerazione del desorbimento dell'adsorbente è ancora un problema difficile. I metodi più comuni per il desorbimento del fenolo sono il desorbimento termico e il desorbimento chimico, ma l'elevata temperatura del desorbimento termico porta ad una diminuzione della capacità di scambio dell'adsorbente dopo la rigenerazione, mentre il desorbimento chimico utilizza sostanze chimiche e richiede due separazioni dopo il desorbimento. Allo stato attuale, Qin et al. riportato il movimento dell'equilibrio di adsorbimento durante il desorbimento del sistema resina-fenolo CLTBP sotto irradiazione ultrasonica. Rege et al. ha studiato il tasso di desorbimento del fenolo da due resine polimeriche quando desorbito da carbone attivo sotto l'azione di un campo sonoro di 40 kHz, 120 W, 1,44 MHz, 100 W e 40 kHz, 120 W, 40 kHz, 60 W. Varietà. I loro risultati mostrano che sotto irradiazione ultrasonica, l'effetto di diffusione ultrasonica aumenta la velocità di diffusione delle particelle a causa dell'effetto di perturbazione ultrasonica e l'effetto di assorbimento dell'energia ultrasonica riduce l'energia di attivazione della reazione superficiale del primo ordine. Pertanto, l'energia ultrasonica può promuovere il fenolo dal carbone attivo e il desorbimento sulla resina polimerica, la velocità di desorbimento è significativamente aumentata e l'effetto è più pronunciato quando il rigenerante viene applicato a bassa temperatura, utilizzando un rigenerante e un'elevata intensità ultrasonica.

Otto. Conclusione

L'applicazione di forti ultrasuoni spesso compensa le carenze delle reazioni chimiche convenzionali e delle classiche tecnologie di separazione chimica e purificazione e crea un metodo nuovo ed efficace per migliorare il processo di separazione e purificazione, che riduce il tempo del processo e migliora l'effetto del processo. Indipendentemente dalle applicazioni industriali o dalla ricerca accademica, gli ultrasuoni potenti avranno una prospettiva di ricerca più ampia nell'industria chimica.