Zastosowanie silnego procesora ultradźwiękowego w obszarze chemicznym

Zastosowanie silnego ultradźwięku w obszarze chemicznym

Znana również jako „aktywne zastosowanie ultradźwięków o dużej mocy” jest techniką wykorzystującą silne ultradźwięki do oddziaływania na materię w celu zmiany lub przyspieszenia zmiany niektórych właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych lub stanu materii. Zastosowanie silnego ultradźwięku w przemyśle chemicznym poczyniło w ostatnich latach nowe postępy, pokazując szerokie perspektywy. Celem tego artykułu jest dokonanie przeglądu zastosowania silnego ultradźwięku w przemyśle chemicznym, w celu zwrócenia uwagi w dziedzinie chemii na silne zastosowania ultradźwiękowe.

Jeden. Przegląd silnego mechanizmu ultradźwiękowego

      Kiedy fale ultradźwiękowe rozchodzą się w ośrodku o określonej intensywności, powoduje to szereg efektów, takich jak mechanika, ciepło, optyka, elektryczność i chemia. Efekty te są podsumowane i mają trzy podstawowe funkcje.

 

1. Działanie mechaniczne. Fale ultradźwiękowe są formą propagacji energii mechanicznej związaną z procesami pasywnymi i wytwarzającą liniowe drgania przemienne. Ta energia mechaniczna odbija się głównie w wibracjach, uderzeniu przyspieszenia i naprężeniu równoważnym ciśnieniu ścinającemu pomiędzy punktami masowymi ośrodka. Jeżeli w wodzie rozchodzi się dźwięk o częstotliwości 28 khz o natężeniu 1 W/cm2, wytworzona wartość ciśnienia akustycznego wynosi 242 kpa, co oznacza, że ​​pod ciśnieniem 242 kpa powstaje 28 000 drgań, a maksymalne przyspieszenie masy jest około 2000 razy większe od przyspieszenia ziemskiego. .

 

2. Kawitacja. Kiedy pewna intensywność fal ultradźwiękowych rozchodzi się w ciekłym ośrodku, oscylacja, powiększanie, kurczenie się i zapadanie mikropęcherzyków w cieczy powoduje silną falę uderzeniową w cieczy w pobliżu pęcherzyka, tworząc ekstremalnie wysoką temperaturę i wysokie ciśnienie w punkcie lokalnym oraz pęcherzyki kawitacyjne. W momencie zawalenia się na małej przestrzeni wokół niego wytwarza się wysoka temperatura wynosząca 5000 K lub więcej i wysokie ciśnienie około 50 mpa. Szybkość zmian temperatury wynosi 109 tys./s, towarzyszy jej silna fala uderzeniowa i mikroodrzutowiec o prędkości 400 km na godzinę. To ekstremalnie wysokie napięcie, wysoka temperatura i wysoki strumień są generowane przez dziesiątki tysięcy ciągłych działań na sekundę. Kawitacja ultradźwiękowa powoduje efekt turbulencji, efekt zaburzeń, efekt granicy faz i efekt gromadzenia energii. Efekt turbulencji powoduje, że warstwa graniczna staje się cieńsza i zwiększa szybkość przenikania masy; efekt zaburzeń zwiększa dyfuzję mikroporów; efekt interfejsu zwiększa powierzchnię przenoszenia masy; efekt koncentracji energii rozszerza separację cząsteczek materii i wzmacnia separację chemiczną i wzmocnienie jako całości. Szybkość przenoszenia masy i efekt procesu. Dlatego kawitacja jest najbardziej podstawową cechą silnego ultradźwięku.

 

3. Działanie cieplne. Fale ultradźwiękowe rozchodzą się w ośrodku, a ich energia wibracyjna jest stale absorbowana przez ośrodek w energię cieplną, co podnosi jego temperaturę. Energia akustyczna jest pochłaniana, powodując lokalne nagrzewanie ośrodka, lokalne nagrzewanie poza granicą i zlokalizowane nagrzewanie czoła fali w momencie powstania szoku.

 

główne zastosowanie

Najwcześniejszym zastosowaniem ultradźwięków w biochemii powinno być użycie ultradźwięków do rozbicia ściany komórkowej w celu uwolnienia jej zawartości. Późniejsze badania wykazały, że ultradźwięki o niskiej intensywności mogą sprzyjać procesom biochemicznym, takim jak napromieniowanie płynnych składników odżywczych ultradźwiękami, może zwiększyć tempo wzrostu komórek glonów, zwiększając w ten sposób ilość białka wytwarzanego przez te komórki trzykrotnie.

Gęstość energii ultradźwiękowego pola dźwiękowego zwiększa się bilion razy w porównaniu z gęstością energii pęcherzyka kawitacyjnego, powodując ogromną koncentrację energii; zjawisko sonochemiczne i sonoluminescencja spowodowane ekstremalnie wysoką temperaturą i wysokim ciśnieniem generowanym przez pęcherzyk kawitacyjny. Jest to unikalna forma wymiany energii i materiału w sonochemii. Dlatego coraz większą rolę odgrywają ultradźwiękowe ekstrakcje chemiczne, produkcja biodiesla, synteza organiczna, obróbka mikroorganizmów, degradacja toksycznych zanieczyszczeń organicznych, szybkość i wydajność reakcji chemicznej, wydajność katalityczna katalizatora, obróbka biodegradacyjna, ultradźwiękowe zapobieganie osadzaniu się kamienia i odkamienianiu, biologiczne rozdrabnianie komórek, dyspersja i koagulacja oraz akustyczne reakcje chemiczne.

dwa. Chemia ultradźwiękowa

1. Ultradźwięki wzmacniają reakcję chemiczną.

ultradźwięki wzmagają reakcje chemiczne. Główną siłą napędową jest kawitacja ultradźwiękowa. Zapadnięcie się jądra kawitacyjnego powoduje powstawanie lokalnych wysokich temperatur, wysokiego ciśnienia oraz silnych fal uderzeniowych i mikrostrumieni, zapewniając nowe i bardzo szczególne środowisko fizykochemiczne dla reakcji chemicznych, które są trudne lub niemożliwe do osiągnięcia w normalnych warunkach.

 

2. Ultradźwiękowa reakcja katalityczna.

Jako wschodząca dziedzina badań, ultradźwiękowa reakcja katalityczna cieszy się coraz większym zainteresowaniem graczy z branży. Główne skutki działania ultradźwięków na reakcję katalityczną to:

 

(1) Warunki wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia ułatwiają rozszczepienie reagentów na wolne rodniki i węgiel dwuwartościowy, tworząc bardziej aktywne formy reakcji;

(2) Fala uderzeniowa i mikrostrumień mają działanie desorpcyjne i czyszczące na powierzchni stałej (takiej jak katalizator) i mogą usuwać produkty reakcji powierzchniowych lub produkty pośrednie oraz warstwę pasywacji powierzchni katalizatora;

(3) Fale uderzeniowe mogą uszkodzić strukturę reagentów

(4) rozproszony układ reakcyjny;

(5) Kawitacja ultradźwiękowa powierzchni metalu, fala uderzeniowa powoduje odkształcenie siatki metalowej i utworzenie wewnętrznej strefy naprężenia oraz poprawia reaktywność chemiczną metalu;

6) spowodowanie wniknięcia rozpuszczalnika w głąb ciała stałego, co skutkuje tzw. reakcją inkluzji;

(7) Poprawić dyspergowalność katalizatora.

 

W jednorodnej ultradźwiękowej reakcji katalitycznej więcej badań dotyczy izomeryzacji olefin przy użyciu związków karbonylowych metali jako katalizatorów. Suclick i in. szczegółowo zbadał reakcję izomeryzacji 1-pentenu do 2-pentenu przez Fe(co)5 w warunkach ultradźwiękowych i stwierdził, że szybkość reakcji w warunkach ultradźwiękowych wzrosła 105 razy w porównaniu z brakiem ultradźwięków. Suclik i in. uważają, że wysoka temperatura i wysokie ciśnienie generowane przez zapadanie się pęcherzyków kawitacji ultradźwiękowej i szybkie chłodzenie otaczającego środowiska są korzystne dla dysocjacji Fe(CO)5 i tworzenia wyższej aktywnej formy Fe3(C0)12.

 

Mai, Tsev z byłego Związku Radzieckiego wcześniej badał wpływ ultradźwięków na heterogeniczne procesy katalityczne i odkrył, że ultradźwięki mogą zwiększyć konwersję na przejście prawie 10 razy, co uważa się za zwiększenie dyspersji katalizatora. W ostatnich latach Han i in. zbadali reakcję Reformatsky'ego pod działaniem ultradźwięków o niskim natężeniu (≤10 W/cm2) i stwierdzili, że wydajność reakcji osiągnęła 90% po 30 minutach działania ultradźwięków. Co ważniejsze, nie ma już konieczności wytwarzania wysoce aktywnego proszku cynku poprzez redukcję bezwodnego chlorku cynku i nie jest już konieczne stosowanie boranu trimetylu. Suslick i in. zbadał reakcję przy natężeniu dźwięku 50 W/cm2 i stwierdził, że mieszaninę poddano sonikacji w temperaturze 25 ° C przez 5 minut, wydajność wyniosła ponad 95%, a stwierdzono, że kokatalizator ma wydajność i czas reakcji. bez efektu. Suslick i in. szczegółowo zbadał reakcję uwodornienia proszku niklu jako katalizatora i stwierdził, że jego reaktywność wzrosła o 5 rzędów wielkości pod działaniem ultradźwięków.

Powszechnie wiadomo, że zwykły proszek niklowy ma słabą aktywność katalityczną w przypadku uwodornienia olefin i na ogół trudno jest przeprowadzić reakcję po około 300 godzinach. Jednakże, po obróbce proszku niklu za pomocą ultradźwięków, reakcja rozpoczęła się szybko, a szybkość reakcji najpierw wzrosła wraz z wydłużeniem czasu obróbki ultradźwiękowej, a następnie stopniowo malała. Ronmy i Price badali autoutlenianie alkilonitrobenzenu w katalizie zasadowego przeniesienia fazowego. Stwierdzono, że pod wpływem ultradźwięków szybkość reakcji gwałtownie wzrosła, czas reakcji skrócił się o 2 godziny, znacznie poprawiła się selektywność kwasu, a produkt zawierał dużą ilość grupy nitrowej. Tworzy się kwas benzoesowy.

Ultradźwięki wykazują również wyjątkowe zalety w aktywacji, regeneracji i przygotowaniu katalizatorów. Na Uniwersytecie Illinois opracowano ultradźwiękową kąpiel płuczącą, którą można zastosować do usunięcia warstwy tlenku z powierzchni proszku niklowego w celu aktywacji katalizatora niklowego. Henry, firma Exxon ze Stanów Zjednoczonych, poinformowała, że ​​trwale dezaktywowany katalizator niklowo-molibdenowy stosowany w hydrokrakingu można regenerować za pomocą fal ultradźwiękowych. Ostatnio Suslick i in. badał interakcję fe(Co)5 i Co(C0)3 pod działaniem ultradźwięków. Stwierdzono, że pod silnym działaniem ultradźwiękowym powstał katalizator ze stopu Fe-Co w skali nano, zawierający roztwór odwodornienia cykloheksanu. Wysoka aktywność, szczegółowy mechanizm jest w trakcie dalszych badań.

 

3. Chemia polimerów ultradźwiękowych

Zastosowanie ultradźwiękowej chemii polimerów dodatnich przyciągnęło powszechną uwagę. Obróbka ultradźwiękowa może powodować degradację makrocząsteczek, zwłaszcza degradacja polimerów o wysokiej masie cząsteczkowej jest bardziej znacząca. Celuloza, żelatyna, guma i białko mogą zostać dobrze rozłożone po sonikacji. Obecnie ogólnie uważa się, że mechanizm degradacji ultradźwiękowej wynika z działania siły i wysokiego ciśnienia pękania pęcherzyków kawitacyjnych, a pozostała część degradacji może wynikać z ciepła. W pewnych warunkach moc ultradźwiękowa może również zainicjować polimeryzację. Silne promieniowanie ultradźwiękowe może zainicjować kopolimeryzację alkoholu poliwinylowego i akrylonitrylu w celu wytworzenia kopolimeru blokowego oraz kopolimeryzację polioctanu winylu i tlenku polietylenu w celu utworzenia kopolimeru szczepionego.

 

4. Wzmocnienie pola ultradźwiękowego nowej technologii reakcji chemicznych

Połączenie nowej technologii reakcji chemicznych i wzmocnienia pola ultradźwiękowego to kolejny potencjalny kierunek rozwoju w dziedzinie chemii ultradźwiękowej. Na przykład jako medium stosuje się płyn nadkrytyczny, a wzmocnioną reakcję katalityczną przeprowadza się za pomocą pola ultradźwiękowego. Na przykład płyn nadkrytyczny ma gęstość cieczy i lepkość gazu oraz współczynnik dyfuzji, co powoduje, że rozpuszcza się jako ciecz, a zdolność przenoszenia masy jest równoważna gazowi. Zastosowanie płynów nadkrytycznych o dobrej rozpuszczalności i właściwościach dyfuzyjnych może poprawić dezaktywację katalizatorów heterogenicznych. Jeśli jednak uda się go wzmocnić polem ultradźwiękowym, to niewątpliwie jest to wisienka na torcie. Fala uderzeniowa i mikrostrumieni generowane przez kawitację ultradźwiękową mogą nie tylko znacznie zwiększyć płyn nadkrytyczny w celu rozpuszczenia niektórych substancji powodujących dezaktywację katalizatora, ale także pełnić rolę desorpcji i czyszczenia, utrzymywać katalizator aktywny przez długi czas, a także mieć efekt mieszania. Dyspersja układu reagentów powoduje, że szybkość przenoszenia masy reakcji chemicznej płynu nadkrytycznego jest na wyższym poziomie. Ponadto lokalna wysoka temperatura i wysokie ciśnienie powstające w wyniku kawitacji ultradźwiękowej ułatwią rozkład reagentów na wolne rodniki, znacznie przyspieszając szybkość reakcji. Obecnie prowadzi się wiele badań nad reakcjami chemicznymi płynów nadkrytycznych, ale niewiele jest badań nad wykorzystaniem pól ultradźwiękowych do wzmocnienia takich reakcji.

3. Ekstrakcja wzmocniona ultradźwiękowo

1, ekstrakcja ciało stałe-ciecz

Ekstrakcję ciało stałe-ciecz często określa się jako ekstrakcję w przemyśle chemii spożywczej, to znaczy ekstrakcję użytecznych składników z materiałów za pomocą odpowiedniego rozpuszczalnika, a w celu usprawnienia procesu stosuje się obróbkę cieplną lub mieszanie mechaniczne. Stwierdzono, że zastosowanie mocy energii ultradźwiękowej może znacznie usprawnić i usprawnić proces ekstrakcji. . Efekt zaburzeń ultradźwiękowych zwiększa przepuszczalność rozpuszczalnika do komórek ekstraktu i poprawia proces przenoszenia masy. Innym efektem działania ultradźwięków jest to, że silna siła ścinająca generowana przez kawitację ultradźwiękową może rozbić ścianę komórkową rośliny i spowodować łatwe uwolnienie komórek. Powstrzymywanie, zostało to potwierdzone w badaniach ultradźwiękowych mających na celu zwiększenie szybkości ekstrakcji cukru z buraków cukrowych. Ekstrakcja ciało stałe-ciecz wzmocniona ultradźwiękowo jest również stosowana do ekstrakcji kwasu salicylowego, chloru berberyny i kapusty kamiennej z medycyny chińskiej. Metoda refluksu alkoholowego, która jest zwykle stosowana do ekstrakcji kapusty skalnej w temperaturze pokojowej, może uzyskać ponad 50% wydajności ekstrakcji przy obróbce ultradźwiękowej w połowie czasu ekstrakcji. Po raz kolejny udowodniono, że skuteczny transfer masy i rozerwanie komórek są głównymi przyczynami zwiększonej ekstrakcji. .

 

Badano wpływ działania ultradźwięków na ekstrakcję białka z odtłuszczonych nasion soi. Napromieniowanie pola dźwiękowego o częstotliwości 20 kHz i mocy 50 W może usprawnić ciągły proces ekstrakcji mleka sojowego. Przewyższa każdą poprzednią technologię wykonalności i zapewnia wydajną ekstrakcję, a technologia została rozszerzona. Udaj się do eksperymentalnej fabryki.

Pierwszym etapem wytwarzania herbaty rozpuszczalnej jest ekstrakcja stałych składników herbaty z liści herbaty, a następnie usunięcie wody z roztworu czystej herbaty poprzez suszenie rozpyłowe w celu otrzymania herbaty rozpuszczalnej. Ultradźwięki w temperaturze 60 ° C mogą zwiększyć ekstrakcję o 20%. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest bardziej wydajna niż konwencjonalna ekstrakcja cieplna i skraca czas ekstrakcji. Większość materiału ekstrahuje się w ciągu pierwszych 10 minut procesu.

 

 

Pepsyna nadciśnieniowa jest ważnym surowcem stosowanym w przetwórstwie emulsji na ser. Można go ekstrahować z żołądków ssaków. Wydajność ekstrakcji można skutecznie poprawić stosując 19,2 kHz i 3,34 W/cm2 przez 45 minut. 150 g łopianu może wyekstrahować tylko 30,60 g pepsyny bez użycia ultradźwięków, a ekstrakcja ultradźwiękowa może osiągnąć 47,81 g, a aktywność proteazy jest nieznacznie poprawiona przez ekstrakcję ultradźwiękową w porównaniu ze zwykłą metodą.

 

Przykładami zastosowania ultradźwiękowej ekstrakcji ciało stałe-ciecz w procesach chemicznych są:

(1) Podczas ekstrakcji asfaltenów z łupków bitumicznych za pomocą 8 rozpuszczalników, takich jak benzen, szybkość ekstrakcji jest 24 razy większa niż w przypadku metody ekstrakcji tłuszczu Soxhleta pod działaniem 50 kHz i 400 W; (2) Wodorotlenek sodu i chlorowanie Gdy mieszany roztwór amonowy jest ługowany z cynku w cynku zawierającym 17,3% rudy cynku, szybkość ługowania można znacznie przyspieszyć stosując ultradźwięki o częstotliwości 22 kHz i mocy 100 W;

(3) Napromienianie pola dźwiękowego o częstotliwości 20 kHz, mocy 100 W i 600 W może zwiększyć szybkość pyretryny w ekstrakcji sproszkowanego złocienia z n-heksanu;

(4) Do ekstrakcji benzopirenu (a) w próbkach środowiskowych stosuje się promieniowanie ultradźwiękowe o mocy 24 kHz (dodatniej i ujemnej 2,5 kHz) o mocy 120 W, co zapewnia niezrównaną szybkość ekstrakcji metodą sublimacji próżniowej;

(5) Duże, jednogłowicowe pole ultradźwiękowe o dużej intensywności i mocy 18,5 kHz, 250 W może zwiększyć szybkość ekstrakcji złota przez cyjanizację;

(6) Do ekstrakcji wszystkich alkaloidów z Motherwort zastosowano ultradźwięki o częstotliwości 20 kHz, a ekstrakcja była wyższa niż ogólna metoda refluksu, a czas ekstrakcji został skrócony. Stopień ekstrakcji po ekstrakcji metodą refluksu przez 2 godziny wyniósł 0,176%, a po ekstrakcji ultradźwiękowej przez 40 minut osiągnął 0,248%.

 

2, ekstrakcja ciecz-ciecz

Ekstrakcja ciecz-ciecz polega na procesie przenoszenia masy pomiędzy dwiema wzajemnie niekompatybilnymi fazami organiczną i wodną. Efekt międzyfazowy spowodowany kawitacją fali ultradźwiękowej zwiększa powierzchnię styku pomiędzy dwiema fazami, a efekt turbulencji wywołany falą uderzeniową podczas zapadania się kawitacji eliminuje opóźnienie połączenia dwufazowego, zwiększając w ten sposób szybkość ekstrakcji ciecz-ciecz. W przypadku systemów ekstrakcji ciecz-ciecz, ogólnie sterowanych szybkością przenoszenia masy, wpływ fal ultradźwiękowych jest bardzo znaczący, szczególnie w procesie ekstrakcji ciecz-ciecz metali w przemyśle metalurgicznym metali nieżelaznych, gdy zastosuje się odpowiednią częstotliwość i moc ultradźwiękową, prędkość rozkładu można znacznie zwiększyć. Zwiększ także szybkość ekstrakcji, stosując napromienianie ultradźwiękowe o częstotliwości 1 MHz i mocy 0,2 W/cm2 przez 15 minut, można zastosować do oddzielenia prędkości separacji faz mo i w oddzielonych 4-5-krotnym ekstrahentem kwaśnym kwasem fosforowym; przy 20 kHz, naświetlaniu ultradźwiękowym 19 W/cm2 Szybkość ekstrakcji Ga można zwiększyć 15-krotnie; szybkość ekstrakcji Ni można zwiększyć 4-7 razy za pomocą naświetlania ultradźwiękowego o częstotliwości 20 kHz, mocy 47 W i mieszania mechanicznego.

cztery. Krystalizacja wzmocniona ultradźwiękowo

Duża liczba badań eksperymentalnych wykazała, że ​​silne ultradźwięki mogą zarówno powodować szybkie i delikatne wytrącanie stałych substancji rozpuszczonych w roztworze przesyconym, jak i zwiększać wzrost kryształów. Już w latach pięćdziesiątych XX wieku mieszaninę roztworu prokainy i soli penicyliny poddano napromieniowaniu ultradźwiękami o częstotliwości 10 kHz w celu uzyskania drobnego i jednolitego osadu kryształów penicyliny prokainowej o rozkładzie wielkości cząstek od 5 µm do 15 µm i wielkości produktu uzyskanej metodą konwencjonalną. Dla 10um jeden 20um. Zastosowanie ultradźwięków w procesie chłodzenia roztopionego metalu, czyli odgazowaniu i uzyskaniu mniejszych ziaren kryształów, ma dwie zalety, a powstałe jądro pod działaniem fal ultradźwiękowych wchodzi w stan wibracyjny, przyspieszając tym samym proces wzrostu, na stali węglowej. Obróbka ultradźwiękowa pokazuje, że może zmniejszyć wielkość ziaren z 200um do 25um do 30um, ciągliwość stali węglowej o 30% do 40% i wytrzymałość mechaniczną o 20% do 30%. Badania nad krystalizacją chłodzącą metalicznego cynku pokazują, że obróbka ultradźwiękowa może zwiększyć krytyczną intensywność naprężeń ścinających o 80%, a postać krystaliczna metalicznego cynku zmienia się z cylindrycznej na jednorodną pod działaniem fal ultradźwiękowych o częstotliwości 25 kHz i wytrzymałości 50 W/cm2. Sześciokąt.

Krystalizacja roztworów odgrywa ważną rolę w oddzielaniu i oczyszczaniu organicznych substancji rozpuszczalnych i soli nieorganicznych. Może nie tylko oddzielić substancję rozpuszczoną od roztworu w stanie stałym, ale także dlatego, że różne kryształy mają różne sieci krystaliczne. Można go również stosować do oczyszczania materiałów krystalicznych. Qiu Taiqiu i inni pod auspicjami Chińskiej Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych z powodzeniem zbadali wpływ ultradźwięków na kinetykę krystalizacji roztworu sacharozy. Wpływały one na właściwości fizyczne roztworu przesyconego, zarodkowanie i wzrost kryształów. Przeprowadzono systematyczne badania. Wyniki pokazują, że pod wpływem zewnętrznego pola akustycznego wzrasta przewodność roztworu przesyconego, maleje lepkość, skraca się okres indukcji zarodkowania i zmniejsza się stabilność. W związku z tym korzystne jest, aby przesycony roztwór sacharozy wytrącał kryształy. Koncentrujący energię efekt kawitacji ultradźwiękowej może dostarczyć energię do przesyconego roztworu, poprawić energię wibracji całego układu, a efekt międzyfazowy zmniejsza energię krystalizacji. W rezultacie przesycony roztwór sacharozy może osiągnąć pierwotne zarodkowanie w obszarze stabilnym. W porównaniu z innymi metodami krystalizacji stymulacyjnej i metodami krystalizacji zaszczepiającej, przesycenie wymagane do zarodkowania ultradźwiękowego jest niższe, otrzymane jądro kryształu jest bardziej jednolite, kompletne, gładkie, a zakres rozkładu wielkości jądra kryształu i gotowego kryształu jest niewielki, a współczynnik zmienności niższy. Zastosowanie promieniowania ultradźwiękowego do wzrostu kryształów sacharozy ma zarówno pozytywne, jak i negatywne skutki: z jednej strony efekt turbulentny wywołany kawitacją ultradźwiękową może zmniejszyć grubość warstwy granicznej i zwiększyć szybkość przenoszenia masy; z drugiej strony pęcherzyk kawitacji ultradźwiękowej zapada się w mikrostrumienię, która powoduje zaćmienie powierzchni kryształu, a jeśli intensywność jest zbyt duża, kryształ zostanie rozbity. Dlatego wpływ ultradźwięków na wzrost kryształów jest powiązany z wielkością kryształów i wielkością pęcherzyków kawitacyjnych. Gdy rozmiar kryształu jest mniejszy niż promień pęcherzyka kawitacyjnego, ultradźwięki sprzyjają wzrostowi kryształów; a gdy rozmiar kryształu jest większy niż promień pęcherzyka kawitacyjnego, wzrost kryształów powoduje uszkodzenie ultradźwiękowe.

 

Wang Weining i in. wprowadził do procesu krystalizacji zasadowego chlorku magnezu (mg3(OH)5Cl·4H2O) falę ultradźwiękową o częstotliwości 33 kHz i mocy 250 W, co skróciło okres indukcji roztworu przesyconego, a proces krystalizacji zmienił się z 12h na 4h, a częstotliwość ultradźwiękowa była wyższa. Im większa jest szybkość zarodkowania, tym krótszy jest okres indukcji i krótszy czas wymagany do całkowitej krystalizacji. Inne przykłady krystalizacji roztworów wzmacniających ultradźwiękowo, takie jak azotan potasu, acetamid i winian sodowo-potasowy.

W przemyśle zamrażania i chłodzenia żywności tworzenie się kryształków lodu jest ważne dla utrzymania pierwotnej jakości składników żywności. Na przykład, gdy zamrożone są miękkie owoce (truskawki), w miarę dalszego wzrostu małych ziarnistych kryształków lodu utworzonych w materiale komórek spożywczych, gdy wzrasta wielkość ziaren kryształów, zniszczą one część ścian komórkowych, to znaczy zniszczą część struktury surowców. Od chwili, gdy woda zaczyna krystalizować w lód, do całkowitego zamrożenia żywności, upływa dość długi „czas ekspansji”. Pod działaniem ultradźwięków można wytworzyć coraz bardziej jednorodne kryształki lodu, skrócić czas ekspansji, zmniejszyć ostateczny rozmiar kryształków lodu i zmniejszyć uszkodzenia komórek. badania ultradźwiękowe wpływu mrożonych wyrobów cukierniczych wykazały, że wielkość cząstek kryształków lodu wytwarzanych w wyniku napromieniania ultradźwiękowego jest znacznie zmniejszona i rozprowadzana jest bardziej równomiernie w ciałach stałych, co sprawia, że ​​mrożone słodycze są twardsze niż produkty konwencjonalne, zwiększając akceptację produktu wśród konsumentów. Stopień powitania i połączenie mrożonych cukierków i drewnianych uchwytów.

 

V. kondensacja ultradźwiękowa

Ultradźwięki zastosowano na początku lat czterdziestych XX wieku w celu zwiększenia koagulacji zawieszonych w aerozolach cząstek stałych, co wywołało w całym kraju „gorączkę szpiegowską” w Stanach Zjednoczonych. Jednak ze względu na ograniczenia sprzętu ultradźwiękowego entuzjazm ten szybko ostygł. Do czasu pojawienia się zaawansowanych urządzeń ultradźwiękowych w latach 60. XX wieku zaczęto stosować koagulację ultradźwiękową do osadzania gazów korozyjnych, osadzania sadzy i CaCO3 oraz proszku cementowego. Odzyskiwanie proszku smolistego, usuwanie gazów wielkopiecowych i oczyszczanie gazów spalinowych z pieców hutniczych.

Aby wyjaśnić zjawisko koagulacji małych cząstek pod wpływem ultradźwięków, czyli efekt kondensacji pola dźwiękowego, naukowcy zaproponowali wiele modeli hipotetycznych. Aglomerację ultradźwiękową ogólnie uważa się za proces, w którym fale ultradźwiękowe przechodzą przez przepływający ośrodek z zawieszonymi cząstkami, zawieszone cząstki zaczynają wibrować wraz z ośrodkiem, ale ponieważ cząstki o różnych rozmiarach zaczynają wibrować z ośrodkiem, cząstki o różnych rozmiarach mają różną względną prędkość drgań, cząstki będą zderzać się i wiązać ze sobą, a objętość i masa wzrastają. Ponieważ cząstki stają się większe, nie mogą już podążać za wibracjami akustycznymi, ale można ich używać jedynie do nieregularnego ruchu i nadal zderzają się i łączą. Robi się coraz większy i w końcu się uspokaja. Kotyasov i Newtson wskazali, że powyższy model może jedynie wyjaśnić efekt kondensacji pola dźwiękowego w zawieszeniach o różnych rozmiarach i nie jest przekonujący, aby stawić czoła systemowi zawieszenia o jednym rozmiarze. Na tej podstawie proponują interpretację efektu kondensacji pola dźwiękowego w oparciu o model zbiorowego działania cząstek. Model uwzględnia nie tylko interakcję między dwiema cząstkami, ale także ogólną siłę między wszystkimi cząstkami. Pod wpływem pola dźwiękowego, w obszarze, w którym wzrasta gęstość cząstek rozproszonych, efektywne pole przekroju poprzecznego fazy rozproszonej do fazy rozproszonej maleje, co powoduje wzrost natężenia przepływu fazy rozproszonej względem cząstek, czemu towarzyszy wzrost szybkości dyspersji pomiędzy rozproszonymi substancjami. Zwiększa się ciśnienie, dzięki czemu następuje dalsze zwiększenie gęstości cząstek stałych, a co za tym idzie, przyspieszenie procesu koagulacji. Zgodnie z tym modelem wprowadza się szereg zależności pomiędzy przyrostem niestabilności układu zawieszenia a częstotliwością i mocą ultradźwiękową oraz weryfikuje fakty eksperymentalne.

Po szóste, ulepszona filtracja i odwadnianie ultradźwiękowe

Mieszaninę często filtruje się podczas separacji chemicznej w celu usunięcia cząstek stałych i oczyszczenia roztworu. Konwencjonalne metody filtracji powodują, że drobne cząstki zatykają filtr i membranę filtra należy często wymieniać. Promieniowanie ultradźwiękowe ma dwa specjalne efekty, które pomagają ulepszyć technikę filtrowania. Efekt kondensacji pola dźwiękowego może powodować agregację drobnych cząstek, przyspieszając szybkość filtracji. Po drugie, efekt absorpcji energii ultradźwiękowej zapewnia wystarczającą energię wibracji dla systemu. Część cząstek może unosić się w filtracie, zapewniając bardziej swobodny przepływ do przemywania. Badania wykazały, że ulepszona filtracja ultradźwiękowa (tj. „filtracja akustyczna”) może szybko zmniejszyć zawartość wody w zawiesinie węglowej zawierającej 50% wody do 25%, podczas gdy konwencjonalna filtracja może osiągnąć jedynie 40%. „Filtracja elektroakustyczna” w połączeniu ze wzmocnionym polem elektrycznym i akustycznym może zwiększyć stopień wysuszenia mułu węglowego o 10%. Po zastosowaniu technologii filtracji elektroakustycznej do odfiltrowania soku jabłkowego z miąższu zawartość wilgoci w miąższu spadła z początkowych 85% do 38%, podczas gdy metodą konwencjonalną obniżono zawartość wody jedynie do 50%.

 

W przemyśle węglowym, mineralnym i chemicznym materiał stały oddzielony w drodze sedymentacji, filtracji itp. musi w jak największym stopniu usunąć wilgoć z materiału przed suszeniem, oszczędzając energię na etapie suszenia. Pole dźwiękowe ma zwiększoną wymianę ciepła i masy. Swamy i in. badali usuwanie nasyconego wodą syderytu, piasku i trocin poprzez odwadnianie odśrodkowe pod wpływem promieniowania pola dźwiękowego o wysokiej intensywności 139 dB (około 100 W) i 98 kHz. Wilgoć w materiale pokazuje, że po zastosowaniu odwodnienia odśrodkowego do fali dźwiękowej końcowa zawartość wody uzyskana w wyniku odwodnienia odśrodkowego bez fali dźwiękowej może wynosić od 25% do 95% w różnych warunkach, a temperatura krytyczna również ulega obniżeniu.

7. Wzmocniona adsorpcja i desorpcja pola dźwiękowego

Adsorpcja i desorpcja są szeroko stosowane w przemyśle chemicznym, spożywczym, metalurgicznym i innych, odgrywając coraz ważniejszą rolę w separacji i oczyszczaniu. Adsorpcja i desorpcja to para wzajemnych procesów. W przypadku kawitacji ultradźwiękowej pole dźwiękowe zwiększa szybkość, z jaką adsorbat dyfunduje w kierunku adsorbentu; z drugiej strony zmniejsza siłę van der Waalsa pomiędzy adsorbatem a adsorbentem. Ten pierwszy ma pozytywny wpływ i wzmacnia adsorpcję; ten ostatni ma negatywny wpływ i wzmacnia desorpcję. Dlatego dobór odpowiednich parametrów pola dźwiękowego może oddzielnie zwiększyć adsorpcję i desorpcję.

 

Badany jest proces wzmocnionej adsorpcji ultradźwiękowej: pod wpływem mocy ultradźwiękowej zwiększa się szybkość adsorpcji alkoholu poliwinylowego, celulozy kwasu octowego-kwasu masłowego i glukozy w kartonie i odbarwionej masie celulozowej; zwiększa się adsorpcja fosforu na glebie po zastosowaniu KH2PO4. Zwiększyła się ilość adsorpcji błękitu metylenowego przez glinę i węgiel aktywny; wzrosła szybkość adsorpcji sproszkowanego odczynnika organicznego i sproszkowanego A1203 do ograniczonych pierwiastków. Jednak niektóre badania wykazały, że gdy żywica jonowymienna fenolowo-formaldehydowa XAD-2 (aberlite XAD-2) adsorbuje kwas 4-(2-pirydylazo)izoftalowy (PAR), wpływ ultradźwięków 20 kHz na szybkość adsorpcji jest niższy niż 21Orpm. Efekt mieszania mechanicznego, w którym szybkość adsorpcji mieszania mechanicznego jest 2-3 razy większa niż ultradźwiękowa.

 

Wczesne badania nad procesem desorpcji wzmocnionej ultradźwiękowo obejmują: desorpcję jodu z węgla aktywnego; Desorpcja Ag, Cu itp. z Ge i Si. Krisccr i Lichtman badali desorpcję indukowaną ultradźwiękowymi falami powierzchniowymi i zaobserwowali pewne zaadsorbowane substancje. Desorpcję przypisuje się wzbudzeniu fal podpowierzchniowych.

W ostatnich latach aktywna jest regeneracja desorpcyjna adsorbentów ściekowych. Jest to prosta i szybka metoda usuwania ze ścieków organicznych zanieczyszczeń hydrolitycznych, takich jak fenol i substytuty fenolu, przy użyciu węgla aktywnego i żywicy polimerowej, ale ze względu na adsorbent i adsorbat. Istnieje między nimi silne powinowactwo, a regeneracja desorpcyjna adsorbentu jest w dalszym ciągu trudnym problemem. Najpopularniejszymi metodami desorpcji fenolu są desorpcja termiczna i desorpcja chemiczna, jednak wysoka temperatura desorpcji termicznej prowadzi do zmniejszenia pojemności wymiennej adsorbentu po regeneracji, natomiast desorpcja chemiczna wykorzystuje środki chemiczne i wymaga dwóch separacji po desorpcji. Obecnie Qin i wsp. opisali ruch równowagi adsorpcji podczas desorpcji układu żywica-fenol CLTBP pod wpływem promieniowania ultradźwiękowego. Rege i in. badali szybkość desorpcji fenolu z dwóch żywic polimerowych po desorbcji z węgla aktywnego pod działaniem pola dźwiękowego 40 kHz, 120 W, 1,44 MHz, 100 W i 40 kHz, 120 W, 40 kHz, 60 W. Odmiana. Ich wyniki pokazują, że pod wpływem napromieniowania ultradźwiękowego efekt dyfuzji ultradźwiękowej zwiększa szybkość dyfuzji cząstek z powodu efektu zaburzeń ultradźwiękowych, a efekt absorpcji energii ultradźwiękowej zmniejsza energię aktywacji reakcji powierzchniowej pierwszego rzędu. Dlatego energia ultradźwiękowa może promować fenol z węgla aktywnego i desorpcję na żywicy polimerowej, szybkość desorpcji jest znacznie zwiększona, a efekt jest bardziej wyraźny, gdy regenerator jest stosowany w niskiej temperaturze, przy użyciu regeneratora i dużej intensywności ultradźwiękowej.

Osiem. Wniosek

Zastosowanie silnego ultradźwięku często kompensuje wady konwencjonalnych reakcji chemicznych i klasycznych technologii separacji i oczyszczania chemicznego, tworząc nową i skuteczną metodę usprawnienia procesu separacji i oczyszczania, co skraca czas procesu i poprawia efekt procesu. Niezależnie od zastosowań przemysłowych lub badań akademickich, silne ultradźwięki będą miały szersze perspektywy badawcze w przemyśle chemicznym.