화학분야에 강력한 초음파 적용
'고출력 초음파의 능동 응용'이라고도 알려져 있으며, 강력한 초음파를 활용하여 물질에 작용하여 물질의 일부 물리적, 화학적, 생물학적 특성이나 상태의 변화를 변경하거나 가속화하는 기술입니다. 화학 산업에서 강력한 초음파를 적용하는 것은 최근 몇 년 동안 새로운 발전을 이루었으며 광범위한 전망을 보여줍니다. 본 논문에서는 강한 초음파 응용이 의 강한 초음파 응용을 검토하고자 한다 .화학분야에서 주목받고 있다는 관점에서 화학산업에서
하나. 강력한 초음파 메커니즘 개요
특정 강도의 초음파가 매질을 통해 전파되면 역학, 열, 광학, 전기 및 화학과 같은 일련의 효과가 생성됩니다. 이러한 효과는 요약되어 있으며 세 가지 기본 기능을 가지고 있습니다.
1. 기계적 작용. 초음파는 수동 프로세스와 관련되어 선형 교번 진동을 생성하는 기계적 에너지 전파의 한 형태입니다. 이 기계적 에너지는 주로 매질의 질량점 사이의 진동, 가속 충격 및 음압 전단 등가 응력에 반영됩니다. 28khz, 1W/cm2의 소리강도가 물속에 전파되면 생성되는 음압값은 242kpa입니다. 즉, 242kpa의 압력에서 28,000번의 진동이 발생하고, 최대 질량가속도는 중력가속도의 약 2000배가 된다는 의미입니다. .
2. 캐비테이션. 액체 매질에 일정한 강도의 초음파가 전파되면 액체 내 마이크로 버블의 진동, 확대, 수축, 붕괴로 인해 버블 근처의 액체에 강한 충격파가 발생하여 국부적인 지점의 극도의 고온 고압과 캐비테이션 버블이 형성됩니다. 붕괴 순간 주변의 작은 공간에는 5000k 이상의 고온과 50mpa 정도의 고압이 발생한다. 온도변화율은 109k/s이며, 강력한 충격파와 시속 400km의 마이크로제트를 동반한다. 이 극도의 고전압, 고온 및 높은 제트는 초당 수만 번의 연속적인 동작에 의해 생성됩니다. 초음파 캐비테이션은 난류 효과, 섭동 효과, 계면 효과 및 에너지 수집 효과를 유발합니다. 난류 효과는 경계층을 더 얇게 만들고 물질 전달 속도를 증가시킵니다. 교란 효과는 미세 기공 확산을 향상시킵니다. 인터페이스 효과는 물질 전달 표면적을 증가시킵니다. 에너지 집중 효과는 물질 분자의 분리를 확장하고 전체적으로 화학적 분리 및 강화를 강화합니다. 프로세스의 질량 전달 속도 및 효과. 따라서 캐비테이션은 강력한 초음파의 가장 기본적인 특성입니다.
3. 열 작용. 초음파는 매질을 통해 전파되며, 그 진동 에너지는 매질에 의해 지속적으로 열 에너지로 흡수되어 온도가 상승합니다. 음향 에너지는 흡수되어 매질 내 국부 가열, 경계 외부 국부 가열, 충격이 형성될 때 파면에 국부 가열을 발생시킵니다.
주요 응용 프로그램
생화학에서 초음파를 가장 먼저 적용하는 방법은 초음파를 사용하여 세포벽을 부수어 내용물을 방출하는 것입니다. 후속 연구에 따르면 저강도 초음파는 초음파로 액체 영양분을 조사하는 등 생화학적 과정을 촉진하여 조류 세포의 성장 속도를 증가시켜 이들 세포에서 생산되는 단백질의 양을 3배 증가시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.
초음파 음장의 에너지 밀도는 캐비테이션 기포의 에너지 밀도에 비해 1조 배 확장되어 엄청난 에너지 집중을 유발합니다. 캐비테이션 기포에 의해 발생하는 극도의 고온, 고압에 의해 발생하는 음파화학 현상과 음파발광은 음파화학에서 독특한 형태의 에너지 및 물질 교환입니다. 따라서 화학 추출, 바이오디젤 생산, 유기 합성, 미생물 처리, 독성 유기 오염 물질 분해, 화학 반응 속도 및 수율, 촉매 촉매 효율, 생분해 처리, 초음파 스케일링 방지 및 스케일 제거, 생물학적 세포 분쇄, 분산 및 응고, 음향 화학 반응에 대한 초음파의 역할이 증가하고 있습니다.
둘. 초음파 화학
1. 초음파는 화학반응을 강화시킨다.
초음파는 화학 반응을 향상시킵니다. 주요 원동력은 초음파 캐비테이션에서 비롯됩니다. 캐비테이션 핵의 붕괴는 국지적인 고온, 고압, 강한 충격파와 마이크로젯을 생성하여 정상적인 조건에서는 달성하기 어렵거나 불가능한 화학 반응을 위한 새롭고 매우 특별한 물리화학적 환경을 제공합니다.
2. 초음파 촉매 반응.
새로운 연구 분야로서 초음파 촉매 반응은 업계 관계자들의 관심이 높아지고 있습니다. 촉매 반응에 대한 초음파의 주요 효과는 다음과 같습니다.
(1) 고온 및 고압 조건은 반응물이 자유 라디칼과 2가 탄소로 분해되는 것을 촉진하여 보다 활성인 반응종을 형성합니다.
(2) 충격파와 마이크로젯은 고체 표면(촉매 등)에 대한 탈착 및 세정 작용을 갖고, 표면 반응 생성물 또는 중간체 및 촉매 표면 보호층을 제거할 수 있다.
(3) 충격파는 반응물의 구조를 손상시킬 수 있습니다.
(4) 분산 반응 시스템;
(5) 금속 표면의 초음파 캐비테이션, 충격파는 금속 격자의 변형과 내부 변형 영역의 형성을 유발하고 금속의 화학적 반응성을 향상시킵니다.
6) 용매가 고체 속으로 깊숙이 침투하여 소위 내포 반응이 일어나게 하는 단계;
(7) 촉매의 분산성을 향상시킨다.
초음파 균질 촉매 반응에서는 금속 카르보닐 화합물을 촉매로 사용하여 올레핀의 이성질화에 대한 더 많은 연구가 진행되고 있습니다. Suclicket al. 초음파 조건 하에서 Fe(co)5에 의한 1-펜텐의 2-펜텐으로의 이성질화 반응을 자세히 연구한 결과, 초음파 조건 하에서 반응 속도가 초음파가 없는 경우에 비해 105배 증가한 것으로 나타났습니다. Sucliket al. 초음파 캐비테이션 기포의 붕괴와 주변 환경의 급속한 냉각에 의해 생성된 고온 및 고압은 Fe(CO)5의 해리와 더 높은 활성 종인 Fe3(C0)12의 형성에 유익하다고 믿습니다.
구소련의 Mai, Tsev는 이전에 이종 촉매 공정에 대한 초음파의 효과를 연구한 결과 초음파가 통과당 전환율을 거의 10배 증가시킬 수 있으며 이는 촉매의 분산을 증가시키는 것으로 믿어진다는 사실을 발견했습니다. 최근에는 Han et al. 저강도 초음파(≤10W/cm2) 작용 하에서 Reformatsky 반응을 조사한 결과, 초음파 30분 후에 반응 수율이 90%에 도달하는 것으로 나타났습니다. 더 중요한 것은 더 이상 무수염화아연을 환원시켜 고활성 아연분말을 제조할 필요가 없으며, 더 이상 트리메틸보레이트를 사용할 필요가 없다는 점이다. Suslicket al. 50 W/cm 2 의 음향 강도에서 반응을 연구한 결과 혼합물을 25 ° C에서 5분간 초음파 처리한 결과 수율이 95% 이상이었으며 조촉매는 수율과 반응 시간에 있는 것으로 나타났습니다. 효과가 없습니다. Suslicket al. 촉매로서 니켈 분말의 수소화 반응을 자세히 연구한 결과 초음파 작용으로 반응성이 5배 증가한다는 사실을 발견했습니다.
일반적인 니켈 분말은 올레핀의 수소화에 대한 촉매 활성이 좋지 않으며 일반적으로 약 300시간 이후에는 반응을 진행하기 어렵다는 것이 잘 알려져 있다. 그러나 니켈 분말을 초음파 처리한 후 반응이 빠르게 시작되어 초음파 처리 시간이 길어질수록 반응 속도가 처음에는 증가하다가 점차 감소하였다. Ronmy와 Price는 상전이 염기 촉매작용에서 알킬 니트로벤젠의 자동 산화를 연구했습니다. 초음파 작용 하에서 반응 속도가 급격히 증가하고, 반응 시간이 2시간 단축되고, 산 선택성이 크게 향상되었으며, 생성물에 다량의 니트로기가 포함되어 있는 것으로 나타났습니다. 벤조산이 형성됩니다.
초음파는 또한 촉매의 활성화, 재생 및 준비에 독특한 이점을 보여줍니다. 일리노이대학교에서는 니켈 분말 표면의 산화막을 제거해 니켈 촉매를 활성화할 수 있는 초음파 세척조를 개발했다. 미국 엑손(Exxon)사의 헨리(Henry)는 수소화분해에 사용되는 영구 비활성화 니켈-몰리브덴 촉매가 초음파에 의해 재생될 수 있다고 보고했다. 최근 Suslick et al. 초음파 작용 하에서 fe(Co)5와 Co(C0)3의 상호 작용을 연구했습니다. 사이클로헥산에 대한 탈수소화 용액을 갖는 나노 규모의 Fe-Co 합금 촉매가 강한 초음파 작용 하에서 형성되는 것으로 밝혀졌습니다. 활동성이 높고 자세한 메커니즘이 추가 조사 중입니다.
3. 초음파 고분자 화학
초음파 포지티브 폴리머 화학의 적용은 광범위한 관심을 끌었습니다. 초음파 처리는 거대분자를 분해할 수 있으며, 특히 고분자량 폴리머의 분해가 더 중요합니다. 셀룰로오스, 젤라틴, 고무 및 단백질은 초음파 처리 후에 잘 분해될 수 있습니다. 현재 초음파 열화 메커니즘은 일반적으로 캐비테이션 기포 파열의 힘과 높은 압력의 영향으로 인한 것으로 간주되며 열화의 다른 부분은 열로 인한 것일 수 있습니다. 특정 조건에서는 전력 초음파가 중합을 시작할 수도 있습니다. 강한 초음파 조사는 폴리비닐알코올과 아크릴로니트릴의 공중합을 개시하여 블록 공중합체를 제조하고, 폴리비닐 아세테이트와 폴리에틸렌 옥사이드의 공중합을 개시하여 그래프트 공중합체를 형성할 수 있습니다.
4. 새로운 화학반응 기술의 초음파장 강화
새로운 화학 반응 기술과 초음파 장 강화의 결합은 초음파 화학 분야의 또 다른 잠재적인 발전 방향입니다. 예를 들어, 초임계 유체를 매질로 사용하고, 초음파장을 이용하여 강화된 촉매 반응을 수행합니다. 예를 들어, 초임계 유체는 액체와 같은 밀도와 기체와 같은 점도 및 확산 계수를 갖고 있어 액체처럼 용해되며 물질 전달 능력은 기체와 동일합니다. 용해도와 확산 특성이 좋은 초임계 유체를 사용하면 불균일 촉매의 비활성화를 향상시킬 수 있습니다. 그러나 초음파장으로 강화할 수 있다면 의심할 여지 없이 금상첨화입니다. 초음파 캐비테이션에 의해 생성된 충격파와 마이크로 제트는 초임계 유체를 크게 향상시켜 촉매를 비활성화시키는 일부 물질을 용해시킬 수 있을 뿐만 아니라 탈착 및 세척 역할을 하고 촉매를 오랫동안 활성 상태로 유지하며 교반 효과도 있습니다. 반응물 시스템의 분산은 초임계 유체 화학 반응의 물질 전달 속도를 더 높은 수준으로 만듭니다. 또한, 초음파 캐비테이션에 의해 형성된 국부적인 고온 및 고압은 반응물이 자유 라디칼로 분해되는 것을 촉진하여 반응 속도를 크게 가속화합니다. 현재 초임계 유체 화학반응에 대한 많은 연구가 있지만, 초음파장을 사용하여 이러한 반응을 향상시키는 연구는 거의 없습니다.
3. 초음파 강화 추출
1, 고체-액체 추출
고액추출은 식품화학산업에서 흔히 추출이라고 부르는데, 즉 적절한 용매를 사용하여 물질로부터 유용한 성분을 추출하고, 열처리나 기계적 교반을 통해 공정을 향상시키는 방법을 사용한다. 전력 초음파 에너지를 적용하면 추출 과정이 크게 향상되고 개선될 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. . 초음파의 교란 효과는 추출 세포에 대한 용매의 투과성을 증가시키고 물질 전달 과정을 향상시킵니다. 초음파의 또 다른 효과는 초음파 캐비테이션에 의해 생성된 강한 전단력이 식물 세포벽을 깨뜨려 세포가 쉽게 방출될 수 있다는 것입니다. 봉쇄는 사탕무의 당 추출률을 높이기 위한 초음파 연구를 통해 확인되었습니다. 초음파 강화 고액 추출은 한약의 살리실산, 베르베린 클로린, 양배추 추출에도 적용됩니다. 상온에서 양배추를 추출할 때 주로 사용하는 알코올 환류법은 초음파 처리를 통해 추출 시간을 절반으로 단축해 50% 이상의 추출 수율을 얻을 수 있다. 효과적인 물질 전달과 세포 파열은 추출 강화의 주요 원인임이 다시 한 번 입증되었습니다. .
탈지된 대두에서 단백질 추출에 대한 초음파의 효과가 연구되었습니다. 20kHz, 50W 음장 조사는 두유의 연속 추출 과정을 향상시킬 수 있습니다. 기존 타당성 기술을 뛰어넘어 효율적인 추출을 구현하고 기술을 확장했습니다. 실험공장으로 가세요.
인스턴트 차 제조의 첫 번째 단계는 찻잎에서 차 고형물을 추출한 후 분무 건조를 통해 순수 차 용액에서 수분을 제거하여 인스턴트 차를 얻는 것입니다. 60 ° C의 초음파는 추출을 20% 증가시킬 수 있습니다. 초음파 추출은 기존의 열 추출보다 효율적이며 추출 시간을 단축시킵니다. 대부분의 재료는 공정 시작 후 10분 이내에 추출됩니다.
고혈압성 펩신은 유제를 치즈로 가공하는 데 사용되는 중요한 원료입니다. 포유류의 위에서 추출될 수 있습니다. 19.2 kHz 및 3.34 W/cm2를 45분 동안 사용하면 추출 수율이 성공적으로 향상되었습니다. 우엉 150g에서는 초음파 없이 펩신 30.60g만 추출할 수 있으며, 초음파 추출은 47.81g에 달할 수 있으며, 일반적인 방법에 비해 초음파 추출을 하면 프로테아제 활성이 약간 향상된다.
화학 공정에서 초음파 강화 고체-액체 추출을 적용한 예는 다음과 같습니다.
(1) 벤젠 등 8종의 용매를 사용하여 오일 셰일에서 아스팔텐을 추출할 때 추출 속도는 50kHz 및 400W의 작용 하에서 Soxhlet 지방 추출 방법의 24배입니다. (2) 수산화나트륨 및 염소화 아연광석 17.3%를 함유한 아연에서 암모늄 혼합용액을 아연으로부터 침출시킬 때, 22kHz, 100W의 초음파를 이용하면 침출속도를 크게 가속시킬 수 있다.
(3) 20kHz의 주파수, 100W 및 600W의 음장 조사는 n-헥산에서 분말 제충국 추출 시 피레스린의 비율을 증가시킬 수 있습니다.
(4) 24khz, (양수 및 음수 2.5kHz) 120W 초음파 조사는 환경 시료에서 벤조피렌 (a)의 메탄올 추출에 적용되며 진공 승화에 의한 추출 속도는 비교할 수 없습니다.
(5) 18.5kHz, 250W 고강도 대형 단일 헤드 삽입 초음파장은 시안화에 의한 금 추출 속도를 증가시킬 수 있습니다.
(6) 익모초의 총알칼로이드 추출을 위해 20khz 초음파를 사용하였으며, 일반적인 환류법에 비해 추출량이 높고 추출시간이 단축되었다. 환류법으로 2시간 추출한 후 추출율은 0.176%, 40분간 초음파 추출한 후 추출율은 0.248%에 이르렀다.
2, 액체-액체 추출
액체-액체 추출에는 상호 호환되지 않는 두 유기 및 수성 상 사이의 물질 전달 과정이 포함됩니다. 초음파의 캐비테이션에 의한 계면효과는 두 상 사이의 접촉면적을 증가시키며, 캐비테이션이 붕괴될 때 충격파에 의한 난류효과는 2상 접합의 지연을 해소시켜 액액추출율을 증가시킨다. 일반적으로 질량 전달 속도로 제어되는 액체-액체 추출 시스템의 경우 초음파의 효과는 매우 중요합니다. 특히 비철 야금 산업의 금속 액체-액체 추출 공정에서 적절한 초음파 주파수와 전력이 적용되면 분해 속도가 크게 향상될 수 있습니다. 그리고 추출 속도를 높이십시오. 15분 동안 1MHz, 0.2W/cm2 초음파 조사를 사용하면 산성 인산 추출제로 분리된 mo와 w의 상 분리 속도를 4~5배 분리하는 데 사용할 수 있습니다. 20kHz, 19W/cm2 초음파 조사로 Ga의 추출 속도를 15배 증가시킬 수 있습니다. 20khz, 47W의 초음파 조사와 기계적 교반을 통해 Ni의 추출 속도를 4~7배 증가시킬 수 있습니다.
4개. 초음파 강화 결정화
많은 실험 연구에 따르면 강한 초음파는 과포화 용액에서 고체 용질의 빠르고 온화한 침전을 생성하고 결정 성장을 향상시킬 수 있음이 밝혀졌습니다. 1950년대 초에는 프로카인 용액과 페니실린 염의 혼합물에 10kHz 초음파를 조사하여 입자 크기 분포가 5um~15um인 미세하고 균일한 프로카인 페니실린 결정 침전물을 얻었으며, 제품 크기는 기존 방법으로 얻은 것과 같습니다. l0um 하나의 경우 20um입니다. 용융 금속의 냉각 과정, 즉 탈기 및 더 작은 결정립을 얻는 과정에서 초음파를 사용하면 두 가지 장점이 있으며, 초음파의 작용으로 형성된 핵이 진동 상태가 되어 탄소강의 성장 과정이 가속화됩니다. 초음파 처리는 입자 크기를 200um에서 25um, 30um로 줄이고 탄소강의 연성을 30%~40%, 기계적 강도를 20%~30% 줄일 수 있음을 보여줍니다. 금속 아연의 냉각 결정화에 대한 연구에 따르면 초음파 처리는 임계 전단 응력 강도를 80%까지 증가시킬 수 있으며 금속 아연의 결정 형태는 주파수 25kHz, 강도 50W/cm2의 초음파 작용에 따라 원통형에서 균일한 형태로 변하는 것으로 나타났습니다. 육각형.
용액 결정화는 유기 용해성 물질과 무기염의 분리 및 정제에 중요한 역할을 합니다. 고체 상태의 용액에서 용질을 분리할 수 있을 뿐만 아니라, 서로 다른 결정이 서로 다른 결정 격자를 갖기 때문에 가능합니다. 또한 결정질 물질을 정제하는 데에도 사용할 수 있습니다. Qiu Taiqiu 등은 중국 국립자연과학재단의 후원으로 자당 용액의 결정화 동역학에 대한 초음파의 영향을 성공적으로 연구했습니다. 이는 과포화 용액의 물리적 특성, 핵 생성 및 결정 성장에 영향을 미쳤습니다. 체계적인 연구가 진행되었습니다. 결과는 외부 음장의 영향으로 과포화 용액의 전도도가 증가하고 점도가 감소하며 핵 생성 유도 기간이 단축되고 안정성이 감소한다는 것을 보여줍니다. 따라서, 자당 과포화 용액이 결정을 침전시키는 것이 유리하다. 초음파 캐비테이션의 에너지 집중 효과는 과포화 용액에 에너지를 제공하고 전체 시스템의 진동 에너지를 향상시키며 계면 효과는 결정화 에너지를 감소시킵니다. 결과적으로, 수크로스 과포화 용액은 안정 영역에서 1차 핵형성을 달성할 수 있습니다. 다른 자극 결정화 방법 및 시딩 결정화 방법과 비교하여 초음파 핵 생성에 필요한 과포화도가 낮고, 얻은 결정핵이 더 균일하고 완전하며 매끄러우며 결정핵 및 완성된 결정 크기 분포 범위가 작고 변동 계수가 더 낮습니다. 자당 결정의 성장에 초음파 조사를 적용하면 긍정적인 효과와 부정적인 효과가 모두 있습니다. 한편으로는 초음파 캐비테이션으로 인한 난류 효과가 경계층의 두께를 줄이고 물질 전달 속도를 높일 수 있습니다. 반면에 초음파 캐비테이션 기포는 결정 표면에 일식 효과가 있으며 강도가 너무 크면 결정이 깨집니다. 따라서 결정 성장에 대한 초음파 효과는 결정 크기 및 캐비테이션 기포 크기와 관련이 있습니다. 결정 크기가 캐비테이션 기포 반경보다 작을 때 초음파는 결정 성장을 촉진합니다. 결정 크기가 캐비테이션 기포 반경보다 크면 초음파 손상 결정 성장이 발생합니다.
Wang Weininget al. 염기성 염화마그네슘(mg3(OH)5Cl·4H2O)의 결정화 과정에 주파수 33kHz, 출력 250W의 초음파를 도입해 과포화 용액의 유도 기간을 단축시켰고, 결정화 과정을 12h에서 4h로 변경했으며 초음파 주파수도 더 높아졌다. 핵 생성 속도가 빠를수록 유도 기간이 짧아지고 완전한 결정화에 필요한 시간도 짧아집니다. 질산칼륨, 아세트아미드 및 타르타르산칼륨나트륨과 같은 초음파 강화 용액 결정화의 다른 예입니다.
식품 냉동 및 냉장 산업에서 얼음 결정의 형성은 식품 성분의 원래 품질을 유지하는 데 중요합니다. 예를 들어, 부드러운 과일(딸기)을 냉동할 때 식품 세포 물질에 형성된 작은 입상 얼음 결정이 계속 성장함에 따라 결정 입자 크기가 증가하면 세포벽의 일부, 즉 원료 구조의 일부가 파괴됩니다. 물이 얼음으로 결정화되기 시작할 때부터 음식이 완전히 얼 때까지 상당히 긴 '팽창 시간'이 걸립니다. 초음파의 작용으로 점점 더 균일한 얼음 결정이 생성될 수 있으며, 팽창 시간이 단축되고, 얼음 결정의 최종 크기가 감소하며, 세포의 손상이 줄어듭니다. 냉동 과자의 효과에 대한 초음파 연구에 따르면 초음파 조사에 의해 생성된 얼음 결정의 입자 크기가 크게 줄어들고 고형물에 더 고르게 분포되어 냉동 과자가 기존 제품보다 단단해지며 소비자 사이에서 제품의 수용도가 높아집니다. 환영의 정도와 냉동 캔디와 나무 손잡이의 조합.
V. 초음파 응축
초음파는 1940년대 초에 에어로졸에 있는 부유 물질의 응고를 강화하기 위해 사용되었으며, 미국에서는 전국적으로 '스파이 열병'을 일으켰습니다. 그러나 초음파 장비의 한계로 인해 이러한 열정은 금세 식어갔습니다. 1960년대 첨단 초음파 장비가 등장하기 전까지는 부식성 가스의 증착, 카본블랙 및 CaCO3의 증착, 시멘트 분말 등의 증착에 초음파 응고가 적용되기 시작하였다. 타르 분말 회수, 고로 가스 제거, 야금로의 배가스 처리.
초음파에 의해 유발되는 소립자 응고 현상, 즉 음장 응축 효과를 설명하기 위해 과학자들은 많은 가상 모델을 제안해 왔습니다. 초음파 응집은 일반적으로 초음파가 부유 입자가 흐르는 매질을 통과할 때 부유 입자가 매질과 함께 진동하기 시작하지만 크기가 다른 입자가 매질과 함께 진동하기 시작하므로 크기가 다른 입자의 상대 진동 속도가 다르고 입자가 서로 충돌하여 결합하여 부피와 무게가 증가하는 과정으로 간주됩니다. 입자가 커지기 때문에 더 이상 음향 진동을 따라갈 수 없고 불규칙한 움직임에만 사용할 수 있으며 계속 충돌하고 결합할 수 있습니다. 점점 커지고 마침내 안정됩니다. Kotyasov와 Newtson은 위 모델은 다중 크기 서스펜션의 음장 응축 효과만 설명할 수 있으며 단일 크기 서스펜션 시스템에 직면하는 것은 설득력이 없다고 지적했습니다. 이를 바탕으로 그들은 입자 집단 행동 모델을 기반으로 한 음장 응축 효과 해석을 제안합니다. 모델은 두 입자 사이의 상호 작용뿐만 아니라 모든 입자 사이의 전반적인 힘을 고려합니다. 음장의 작용으로 분산 입자의 밀도가 증가하는 영역에서는 분산상에 대한 분산상의 유효 단면적이 감소하여 입자에 대한 분산상의 유속이 증가하고 분산 물질 간의 분산 속도가 증가합니다. 압력이 증가하여 고체 입자 밀도가 더욱 증가하고 결과적으로 응고 과정이 가속화됩니다. 이 모델에 따르면 현가장치의 불안정성 증가와 초음파 주파수 및 초음파 출력 사이의 일련의 관계가 도입되고 실험적 사실이 검증된다.
여섯째, 초음파 강화 여과 및 탈수
혼합물은 종종 화학적 분리 중에 여과되어 고체 입자를 제거하고 용액을 정제합니다. 기존 여과 방법은 작은 입자로 인해 필터가 막히는 경향이 있어 필터 멤브레인을 자주 교체해야 합니다. 초음파 조사에는 필터링 기술을 향상시키는 데 도움이 되는 두 가지 특수 효과가 있습니다. 음장 응축 효과로 인해 미세 입자가 응집되어 여과 속도가 빨라질 수 있습니다. 두 번째는 초음파 에너지 흡수 효과가 시스템에 충분한 진동 에너지를 제공한다는 것입니다. 입자의 일부가 여과액에 떠다니도록 허용되어 세척 시 더 자유로운 통로를 제공합니다. 연구에 따르면 초음파 강화 여과(예: '음향 여과')는 50%의 물을 함유한 석탄 슬러리의 수분 함량을 25%로 빠르게 줄일 수 있는 반면 기존 여과는 40%에 도달할 수 있는 것으로 나타났습니다. 강화된 전기장 및 음장과 결합된 '전기 음향 여과'는 석탄 슬러리 건조 정도를 10% 증가시킬 수 있습니다. 과육에서 사과즙을 여과하기 위해 전기음향여과 기술을 적용한 경우 과육의 수분함량이 초기 85%에서 38%로 감소한 반면, 기존 방식은 50% 수준으로 감소하였다.
석탄암석, 광물, 화학산업에서는 침전, 여과 등을 통해 분리된 고형물질을 건조하기 전에 물질 내의 수분을 최대한 제거해야 건조단계에 필요한 에너지를 절약할 수 있습니다. 음장은 열 전달과 물질 전달이 향상되었습니다. Swamyet al. 139dB(약 100W) 및 98kHz의 고강도 음장 조사 하에서 원심 탈수에 의한 물에 포화된 능철석, 모래 및 톱밥 제거를 연구했습니다. 재료 내 수분을 보면 음파에 원심 탈수를 적용할 경우 다양한 조건에서 음파 없이 원심 탈수를 통해 얻은 최종 수분 함량이 25~95%에 달할 수 있으며 임계 온도도 감소하는 것으로 나타났습니다.
7. 음장 강화된 흡착 및 탈착
흡착 및 탈착은 화학, 식품, 야금 및 기타 산업에서 널리 사용되어 왔으며 분리 및 정제에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 흡착과 탈착은 한 쌍의 상호 과정입니다. 초음파 캐비테이션 하에서 음장은 흡착제가 흡착제를 향해 확산되는 속도를 증가시킵니다. 반면에 흡착물과 흡착제 사이의 반 데르 발스 힘을 감소시킵니다. 전자는 긍정적인 효과가 있으며 흡착을 강화합니다. 후자는 부정적인 영향을 미치고 탈착을 강화시킵니다. 따라서 적절한 음장 매개변수를 선택하면 흡착과 탈착을 별도로 향상시킬 수 있습니다.
초음파 강화 흡착 과정이 연구되었습니다. 전력 초음파의 작용으로 폴리비닐 알코올, 아세트산-부티르산 셀룰로오스 및 포도당의 흡착 속도가 상자판 및 탈색된 크라프트 펄프에서 증가합니다. KH2PO4 처리 후 토양의 인 흡착이 증가합니다. 점토와 활성탄에 의한 메틸렌블루의 흡착량이 증가하였다. 분말형 유기시약과 분말형 Al2O3의 제한된 원소에 대한 흡착률이 증가했습니다. 그러나 일부 연구에서는 페놀 포름알데히드 이온 교환 수지 XAD-2(am berlite XAD-2)가 4-(2-피리딜라조)이소프탈산(PAR)을 흡착할 때 흡착 속도에 대한 20kHz 초음파의 효과가 21Orpm보다 낮다는 것을 발견했습니다. 기계적 교반의 효과로 기계적 교반의 흡착속도는 초음파의 흡착속도보다 2~3배 빠르다.
초음파 강화 탈착 공정에 대한 초기 연구에는 다음이 포함됩니다. 활성탄에서 요오드 탈착; Ge 및 Si로부터 Ag, Cu 등의 탈착, Krisccr 및 Lichtman은 초음파 표면파 유도 탈착을 연구하고 일부 흡착 물질을 관찰했습니다. 탈착은 표면하파의 여기로 인한 것입니다.
최근에는 폐수흡착제의 탈착재생이 활발히 진행되고 있다. 활성탄과 고분자수지를 이용하여 폐수에서 페놀, 페놀대체물 등 유기가수분해성 오염물질을 제거하는 간단하고 빠른 방법이지만 흡착제와 흡착질이 있기 때문이다. 이들 사이에는 강한 친화력이 있어 흡착제의 탈착 재생은 여전히 어려운 문제이다. 페놀 탈착의 가장 일반적인 방법은 열탈착과 화학적 탈착이 있으나 열탈착의 온도가 높기 때문에 재생 후 흡착제의 교환 용량이 감소하는 반면, 화학적 탈착은 화학 물질을 사용하며 탈착 후 두 번의 분리가 필요합니다. 현재 Qin et al. 초음파 조사 하에서 CLTBP 수지-페놀 시스템의 탈착 동안 흡착 평형의 움직임을 보고했습니다. Rege et al. 40kHz, 120W, 1.44MHz, 100W 음장 및 40kHz, 120W, 40kHz, 60W의 작용 하에서 활성탄에서 탈착될 때 두 가지 고분자 수지로부터 페놀의 탈착 속도를 연구했습니다. 다양성. 그들의 결과는 초음파 조사 하에서 초음파 확산 효과는 초음파 섭동 효과로 인해 입자의 확산 속도를 증가시키고, 초음파 에너지 흡수 효과는 1차 표면 반응의 활성화 에너지를 감소시키는 것을 보여줍니다. 따라서 초음파 에너지는 활성탄으로부터 페놀을 촉진하고 고분자 수지에 대한 탈착을 촉진할 수 있어 탈착 속도가 현저히 증가하며, 재생제와 높은 초음파 강도를 사용하여 저온에서 재생기를 적용할 때 그 효과가 더욱 두드러진다.
여덟. 결론
강력한 초음파의 적용은 기존 화학 반응과 고전적인 화학 분리 및 정제 기술의 단점을 보완하고 분리 및 정제 공정을 향상시키는 새롭고 효과적인 방법을 만들어 공정 시간을 단축하고 공정 효과를 향상시킵니다. 산업적 응용이나 학문적 연구에 관계없이 강력한 초음파는 화학 산업에서 더 넓은 연구 전망을 가질 것입니다.
