Aplicarea procesorului cu ultrasunete puternic în zona chimică

Aplicarea ultrasunetelor puternice în zona chimică

Cunoscută și sub denumirea de „aplicarea activă a ultrasunetelor de mare putere”, este o tehnică care utilizează ultrasunete puternice pentru a acționa asupra materiei pentru a modifica sau accelera schimbarea unor proprietăți fizice, chimice și biologice sau a stării materiei. Aplicarea ultrasunetelor puternice în industria chimică a făcut noi dezvoltări în ultimii ani, arătând o perspectivă largă. Această lucrare își propune să revizuiască aplicarea ultrasunetelor puternice în industria chimică, cu scopul de a atrage atenția în domeniul chimic pentru aplicații cu ultrasunete puternice.

Unul. Prezentare generală a mecanismului puternic cu ultrasunete

      Când o anumită intensitate a undelor ultrasonice se propagă prin mediu, aceasta va produce o serie de efecte precum mecanică, căldură, optică, electricitate și chimie. Aceste efecte sunt rezumate și au trei funcții de bază.

 

1. Acțiune mecanică. Undele ultrasunete sunt o formă de propagare a energiei mecanice care este legată de procese pasive și produce vibrații liniare alternative. Această energie mecanică se reflectă în principal în vibrația, șocul de accelerație și stresul echivalent de forfecare a presiunii sonore între punctele de masă ale mediului. Dacă 28khz, intensitatea sunetului de 1W/cm2 se propagă în apă, valoarea presiunii sonore produsă este de 242kpa, ceea ce înseamnă că sunt generate 28.000 de vibrații sub presiunea de 242kpa, iar accelerația maximă a masei este de aproximativ 2000 de ori accelerația gravitației. .

 

2. Cavitația. Când o anumită intensitate a undelor ultrasonice se propagă în mediul lichid, oscilația, mărirea, contracția și colapsul microbulelor din lichid provoacă o undă de șoc puternică în lichidul din apropierea bulei, formând o temperatură extrem de ridicată și presiune ridicată a punctului local și bule de cavitație. În momentul prăbușirii, se generează o temperatură ridicată de 5000k sau mai mult și o presiune ridicată de aproximativ 50mpa într-un spațiu mic în jurul acesteia. Rata de schimbare a temperaturii este de 109k/s și este însoțită de o undă de șoc puternică și un microjet cu o viteză de 400 km pe oră. Această tensiune extrem de înaltă, temperatură ridicată și înaltă Jetul este generat de zeci de mii de acțiuni continue pe secundă. Cavitația cu ultrasunete provoacă efectul de turbulență, efectul de perturbare, efectul de interfață și efectul de adunare a energiei. Efectul de turbulență face stratul limită mai subțire și crește viteza de transfer de masă; efectul de perturbare sporește difuzia microporilor; efectul de interfață mărește suprafața de transfer de masă; efectul de concentrare a energiei extinde separarea moleculelor de materie și întărește separarea chimică și întărirea în ansamblu. Viteza de transfer de masă și efectul procesului. Prin urmare, cavitația este cea mai de bază trăsătură a ultrasunetelor puternice.

 

3. Acţiunea căldurii. Undele ultrasunete se propagă prin mediu, iar energia lor vibrațională este absorbită constant de mediu în energie termică, ceea ce îi crește temperatura. Energia acustică este absorbită pentru a provoca încălzire locală în mediu, încălzire locală în afara graniței și încălzire localizată la frontul de undă atunci când se formează șocul.

 

aplicația principală

Cea mai timpurie aplicare a ultrasunetelor în biochimie ar trebui să fie utilizarea ultrasunetelor pentru a sparge peretele celular pentru a elibera conținutul acestuia. Studiile ulterioare au arătat că ultrasunetele de intensitate scăzută pot promova procese biochimice, cum ar fi iradierea nutrienților lichizi cu ultrasunete, pot crește rata de creștere a celulelor de alge, crescând astfel cantitatea de proteine ​​​​produsă de aceste celule cu un factor de trei.

Densitatea de energie a câmpului sonor ultrasonic este extinsă de un trilion de ori în comparație cu densitatea de energie a bulei de cavitație, determinând o concentrație uriașă de energie; fenomenul sonochimic și sonoluminiscența cauzate de temperatura extrem de ridicată și presiunea ridicată generate de bula de cavitație este o formă unică de schimb de energie și materiale în sonochimie. Prin urmare, ultrasunete la extracția chimică, producția de biodiesel, sinteza organică, tratarea microorganismelor, degradarea poluanților organici toxici, viteza de reacție chimică și randamentul, eficiența catalitică a catalizatorului, tratamentul de biodegradare, anti-detartrare și detartrare ultrasonică, măcinarea celulelor biologice, dispersia și coagularea și reacția chimică acustică au un rol din ce în ce mai mare.

două. Chimie cu ultrasunete

1. ultrasunete întărește reacția chimică.

ultrasunetele îmbunătățesc reacțiile chimice. Forța motrice principală provine din cavitația ultrasonică. Prăbușirea nucleului de cavitație produce temperaturi ridicate locale, presiuni ridicate și unde de șoc și microjet puternice, oferind un mediu fizico-chimic nou și foarte special pentru reacții chimice care sunt dificil sau imposibil de realizat în condiții normale.

 

2. Reacție catalitică cu ultrasunete.

Ca domeniu de cercetare în curs de dezvoltare, reacția catalitică ultrasonică a atras un interes din ce în ce mai mare din partea jucătorilor din industrie. Principalele efecte ale ultrasunetelor asupra reacției catalitice sunt:

 

(1) Condițiile de temperatură ridicată și presiune ridicată facilitează scindarea reactanților în radicali liberi și carbon divalent pentru a forma o specie de reacție mai activă;

(2) Unda de șoc și microjetul au o acțiune de desorbție și curățare pe o suprafață solidă (cum ar fi un catalizator) și pot îndepărta produsele de reacție de suprafață sau intermediarii și un strat de pasivizare a suprafeței catalizatorului;

(3) Undele de șoc pot deteriora structura reactanților

(4) un sistem de reacție dispersat;

(5) Cavitația cu ultrasunete a suprafeței metalice, unda de șoc provoacă deformarea rețelei metalice și formarea zonei de deformare internă și îmbunătățește reactivitatea chimică a metalului;

6) determinarea pătrunderii adânci a solventului în solid, rezultând o așa-numită reacție de incluziune;

(7) Îmbunătățirea dispersabilității catalizatorului.

 

În reacția catalitică omogenă cu ultrasunete, mai multe cercetări sunt asupra izomerizării olefinelor folosind compuși carbonilici metalici ca catalizatori. Suclick și colab. a studiat în detaliu reacția de izomerizare a 1-pentenei la 2-pentenă de către Fe(co)5 în condiții de ultrasunete și a constatat că viteza de reacție în condiții de ultrasunete a fost crescută de 105 ori în comparație cu fără ultrasunete. Suclik și colab. cred că temperatura ridicată și presiunea ridicată generate de prăbușirea bulelor de cavitație ultrasonică și răcirea rapidă a mediului înconjurător sunt benefice pentru disocierea Fe(CO)5 și formarea speciilor active superioare Fe3(C0)12.

 

Mai, Tsev din fosta Uniune Sovietică a studiat efectul ultrasunetelor asupra proceselor catalitice eterogene și a descoperit că ultrasunetele pot crește conversia pe trecere de aproape 10 ori, ceea ce se crede că crește dispersia catalizatorului. În ultimii ani, Han și colab. a investigat reacția Reformatsky sub acțiunea ultrasunetelor de joasă intensitate (≤10W/cm2) și a constatat că randamentul reacției a atins 90% după 30 de minute de ultrasunete. Mai important, nu mai este necesar să se pregătească o pulbere de zinc foarte activă prin reducerea clorurii de zinc anhidru și nu mai este necesară utilizarea boratului de trimetil. Suslick şi colab. a studiat reacția la o intensitate a sunetului de 50 W/cm2 și a constatat că amestecul a fost supus cu ultrasunete la 25°C timp de 5 minute, randamentul a fost de peste 95%, iar cocatalizatorul s-a dovedit a fi în randament și timpul de reacție. nici un efect. Suslick şi colab. a studiat în detaliu reacția de hidrogenare a pulberii de nichel ca catalizator și a constatat că reactivitatea acesteia a crescut cu 5 ordine de mărime sub acțiunea ultrasunetelor.

Este bine cunoscut faptul că pulberea obișnuită de nichel are o activitate catalitică slabă pentru hidrogenarea olefinelor și, în general, este dificil să se efectueze reacția după aproximativ 300 de ore. Cu toate acestea, după ce pulberea de nichel a fost tratată prin ultrasunete, reacția a început rapid, iar viteza de reacție a crescut mai întâi odată cu prelungirea timpului de tratament cu ultrasunete, apoi a scăzut treptat. Ronmy și Price au studiat auto-oxidarea alchil nitrobenzenului în cataliza de bază de transfer de fază. Sa constatat că viteza de reacție a crescut brusc sub acțiunea ultrasunetelor, timpul de reacție a fost scurtat cu 2 ore, selectivitatea acidului a fost îmbunătățită semnificativ, iar produsul conține o cantitate mare de grupare nitro. Se formează acidul benzoic.

ultrasunetele prezintă, de asemenea, avantaje unice în activarea, regenerarea și prepararea catalizatorilor. Universitatea din Illinois a dezvoltat o baie de spălare cu ultrasunete care poate fi folosită pentru a îndepărta pelicula de oxid de pe suprafața pulberii de nichel pentru a activa catalizatorul de nichel. Henry, o companie Exxon din Statele Unite, a raportat că catalizatorul de nichel-molibden dezactivat permanent utilizat în hidrocracare poate fi regenerat prin unde ultrasonice. Recent, Suslick et al. a studiat interacțiunea fe(Co)5 și Co(C0)3 sub acțiunea ultrasunetelor. S-a descoperit că un catalizator de aliaj Fe-Co la scară nanometrică a fost format sub o acțiune puternică de ultrasunete, care are o soluție de dehidrogenare pentru ciclohexan. Activitate mare, mecanism detaliat este în curs de investigare ulterioară.

 

3. Chimia polimerilor cu ultrasunete

Aplicarea chimiei polimerilor pozitivi cu ultrasunete a atras atenția pe scară largă. Tratamentul cu ultrasunete poate degrada macromoleculele, în special degradarea polimerilor cu greutate moleculară mare este mai semnificativă. Celuloza, gelatina, cauciucul și proteinele pot fi bine degradate după sonicare. În prezent, mecanismul de degradare cu ultrasunete este în general considerat ca fiind datorat efectului forței și presiunii ridicate a exploziei bulei de cavitație, iar cealaltă parte a degradării se poate datora căldurii. În anumite condiții, ultrasunetele pot iniția și polimerizarea. Iradierea puternică cu ultrasunete poate iniția copolimerizarea alcoolului polivinilic și acrilonitrilului pentru a prepara copolimer bloc și copolimerizarea acetatului de polivinil și oxidului de polietilenă pentru a forma un copolimer grefat.

 

4. Îmbunătățirea câmpului cu ultrasunete a noii tehnologii de reacție chimică

Combinația dintre noile tehnologii de reacție chimică și îmbunătățirea câmpului ultrasonic este o altă direcție potențială de dezvoltare în domeniul chimiei ultrasonice. De exemplu, un fluid supercritic este utilizat ca mediu și o reacție catalitică îmbunătățită este efectuată folosind un câmp ultrasonic. De exemplu, un fluid supercritic are o densitate asemănătoare lichidului și o vâscozitate asemănătoare gazului și un coeficient de difuzie, ceea ce îl face să se dizolve ca lichid, iar capacitatea de transfer de masă este echivalentă cu un gaz. Utilizarea fluidelor supercritice cu proprietăți bune de solubilitate și difuzie poate îmbunătăți dezactivarea catalizatorilor eterogene. Totuși, dacă poate fi întărită de câmpul ultrasonic, este, fără îndoială, cireașa de pe tort. Unda de șoc și micro-jetul generate de cavitația ultrasonică nu numai că pot îmbunătăți foarte mult fluidul supercritic pentru a dizolva unele substanțe care provoacă dezactivarea catalizatorului, dar joacă și rolul de desorbție și curățare, mențin catalizatorul activ pentru o lungă perioadă de timp și au, de asemenea, efectul de agitare. Dispersia sistemului de reactanți face ca rata de transfer de masă a reacției chimice a fluidului supercritic la un nivel mai ridicat. În plus, temperatura locală ridicată și presiunea ridicată formate de cavitația ultrasonică vor facilita scindarea reactanților în radicali liberi, grăbind foarte mult viteza de reacție. În prezent, există multe cercetări privind reacțiile chimice ale fluidelor supercritice, dar există puține studii privind utilizarea câmpurilor ultrasonice pentru a îmbunătăți astfel de reacții.

3. extracție îmbunătățită cu ultrasunete

1, extracție solid-lichid

Extracția solid-lichid este adesea denumită extracție în industria chimică alimentară, adică extragerea componentelor utile din materiale cu un solvent adecvat, iar tratamentul termic sau agitarea mecanică sunt utilizate pentru a îmbunătăți procesul. S-a descoperit că aplicarea energiei ultrasunete de putere poate îmbunătăți și îmbunătăți în mod semnificativ procesul de extracție. . Efectul de perturbare al ultrasunetelor crește permeabilitatea solventului în celulele extractului și îmbunătățește procesul de transfer de masă. Un alt efect al ultrasunetelor este că forța puternică de forfecare generată de cavitația ultrasonică poate sparge peretele celular al plantei și poate face celulele să fie ușor eliberate. Izolarea, acest lucru a fost confirmat din studiul ultrasunetelor pentru a crește rata de extracție a zahărului din sfecla de zahăr. Extracția solid-lichid îmbunătățită cu ultrasunete este, de asemenea, aplicată la extracția acidului salicilic, a clorului de berberină și a varzei din medicina chineză. Metoda de reflux de alcool, care este de obicei folosită pentru extragerea varzei de rocă la temperatura camerei, poate obține un randament de extracție de peste 50% sub tratament cu ultrasunete în jumătate din timpul de extracție. Transferul efectiv de masă și ruptura celulară s-au dovedit încă o dată a fi principalele motive pentru extracția îmbunătățită. .

 

A fost studiat efectul ultrasunetelor asupra extragerii proteinelor din boabele de soia degresate. Iradierea câmpului sonor de 20 kHz, 50 W poate îmbunătăți procesul de extracție continuă a laptelui de soia. Depășește orice tehnologie anterioară de fezabilitate și obține o extracție eficientă, iar tehnologia a fost extinsă. Du-te la fabrica experimentală.

Primul pas în fabricarea ceaiului instant este extragerea solidelor de ceai din frunzele de ceai și apoi îndepărtarea apei din soluția de ceai pură prin uscare prin pulverizare pentru a obține ceaiul instant. ultrasunete la 60°C pot crește extracția cu 20%. Extracția cu ultrasunete este mai eficientă decât extracția convențională a căldurii și scurtează timpul de extracție. Cea mai mare parte a materialului este extrasă în primele 10 minute ale procesului.

 

 

Pepsina hipertensivă este o materie primă importantă utilizată în procesarea emulsiei în brânză. Poate fi extras din stomacul mamiferelor. Randamentul de extracție este îmbunătățit cu succes prin utilizarea 19,2 kHz și 3,34 W/cm2 timp de 45 de minute. 150 g de brusture pot extrage doar 30,60 g de pepsină fără ultrasunete, iar extracția cu ultrasunete poate ajunge la 47,81 g, iar activitatea proteazei este ușor îmbunătățită prin extracția cu ultrasunete în comparație cu metoda obișnuită.

 

Exemple de aplicare a extracției solid-lichid îmbunătățite cu ultrasunete în procesele chimice sunt:

(1) La extragerea asfaltenelor din șisturi bituminoase cu 8 solvenți precum benzenul, viteza de extracție este de 24 de ori mai mare decât metoda de extracție a grăsimilor Soxhlet sub acțiunea de 50 kHz și 400 W; (2) Hidroxid de sodiu și clorurare Atunci când soluția amestecată de amoniu este extrasă din zinc în zinc care conține 17,3% minereu de zinc, rata de leșiere poate fi accelerată foarte mult prin utilizarea ultrasonică a 22 kHz, 100 W;

(3) Iradierea câmpului sonor la o frecvență de 20 khz, puterea de 100 W și 600 W poate crește rata piretrinei în extracția piretrului pulbere din n-hexan;

(4) 24 kHz, (pozitiv și negativ 2,5 kHz) 120 W iradiere cu ultrasunete este aplicată la extracția cu metanol a benzopirenului (a) în probele de mediu și există o rată de extracție fără egal prin sublimare în vid;

(5) Câmpul ultrasonic de 18,5 kHz, 250 W de mare intensitate cu un singur cap poate crește rata de extracție a aurului prin cianurare;

(6) Ultrasunetul de 20 kHz a fost folosit pentru a extrage alcaloizii totali ai Motherwort și extracția a fost mai mare decât metoda generală de reflux, iar timpul de extracție a fost scurtat. Rata de extracție după extracția prin metoda de reflux timp de 2 ore a fost de 0,176%, iar viteza de extracție după extracția cu ultrasunete timp de 40 de minute a ajuns la 0,248%.

 

2, extracție lichid-lichid

Extracția lichid-lichid implică procesul de transfer de masă între două faze organice și apoase incompatibile reciproc. Efectul de interfață cauzat de cavitația undei ultrasonice crește aria de contact dintre cele două faze, iar efectul de turbulență cauzat de unda de șoc atunci când cavitația se prăbușește elimină întârzierea joncțiunii bifazate, crescând astfel rata de extracție lichid-lichid. Pentru sistemele de extracție lichid-lichid controlate în general de rata de transfer de masă, efectul undelor ultrasonice este foarte semnificativ, în special în procesul de extracție lichid-lichid a metalelor din industria metalurgică neferoasă, când se aplică frecvența și puterea ultrasonică corespunzătoare, viteza de descompunere poate fi mult îmbunătățită. Și creșterea ratei de extracție, cu 1MHz, 0,2W / cm2 iradiere cu ultrasunete timp de 15min, poate fi folosită pentru a separa viteza de separare a fazelor de mo și w separate de extractant acid fosforic de 4-5 ori; cu iradiere ultrasonică de 20kHz, 19W/cm2 Rata de extracție a Ga poate fi mărită de 15 ori; rata de extracție a Ni poate fi crescută de 4-7 ori cu iradiere ultrasonică de 20 kHz, 47 W și agitare mecanică.

patru. Cristalizare îmbunătățită cu ultrasunete

Un număr mare de studii experimentale au arătat că ultrasunetele puternice pot produce atât o precipitare rapidă și blândă a substanțelor dizolvate solide într-o soluție suprasaturată, cât și creșterea cristalelor. Încă din anii 1950, un amestec de soluție de procaină și sare de penicilină a fost iradiat cu ultrasunete de l0 kHz pentru a obține un precipitat de cristal de penicilină procaină fin și uniform, cu o distribuție a dimensiunii particulelor de 5 um până la 15 um, iar dimensiunea produsului obținut printr-o metodă convențională. Pentru l0um unul 20um. Există două avantaje ale utilizării ultrasonice în procesul de răcire a metalului topit, adică degazarea și obținerea de granule de cristal mai mici, iar sub acțiunea undelor ultrasonice, nucleul format intră într-o stare de vibrație, accelerând astfel procesul de creștere, pe oțel carbon. Tratamentul cu ultrasunete arată că poate reduce dimensiunea granulelor de la 200um la 25um la 30um, ductilitatea oțelului carbon cu 30% până la 40% și rezistența mecanică cu 20% până la 30%. Studiile privind cristalizarea prin răcire a zincului metalic arată că tratamentul cu ultrasunete poate crește intensitatea tensiunii critice de forfecare cu 80%, iar forma cristalină a zincului metalic trece de la cilindrică la uniformă sub acțiunea undelor ultrasonice cu o frecvență de 25 kHz și o putere de 50 W/cm2. Hexagon.

Cristalizarea soluției joacă un rol important în separarea și purificarea substanțelor organice solubile și a sărurilor anorganice. Nu numai că poate separa soluția de soluție în stare solidă, ci și pentru că diferitele cristale au rețele cristaline diferite. Poate fi folosit și pentru purificarea materialelor cristaline. Qiu Taiqiu și alții, sub auspiciile Fundației Naționale de Științe Naturale din China, au studiat cu succes efectele ultrasunetelor asupra cineticii de cristalizare a soluției de zaharoză. Ele au influențat proprietățile fizice ale soluției suprasaturate, nuclearea și creșterea cristalelor. S-a realizat un studiu sistematic. Rezultatele arată că sub acțiunea câmpului sonor extern, conductivitatea soluției suprasaturate crește, vâscozitatea scade, perioada de inducție a nucleării se scurtează, iar stabilitatea scade. Prin urmare, este avantajos ca soluţia suprasaturată de zaharoză să precipite cristale. Efectul de concentrare a energiei al cavitației ultrasonice poate furniza energie soluției suprasaturate, poate îmbunătăți energia de vibrație a întregului sistem, iar efectul interfacial reduce energia de cristalizare. Ca rezultat, soluția suprasaturată de zaharoză poate realiza nuclearea primară în regiunea stabilă. În comparație cu alte metode de cristalizare prin stimulare și metode de cristalizare prin însămânțare, suprasaturația necesară pentru nuclearea ultrasonică este mai mică, nucleul de cristal obținut este mai uniform, complet, neted, iar nucleul de cristal și intervalul de distribuție a mărimii cristalului finit este mic, iar coeficientul de variație mai mic. Aplicarea iradierii ultrasonice în creșterea cristalelor de zaharoză are atât efecte pozitive, cât și negative: pe de o parte, efectul turbulent cauzat de cavitația ultrasonică poate reduce grosimea stratului limită și poate crește rata de transfer de masă; pe de altă parte, bula de cavitație ultrasonică se prăbușește în microjetul are un efect de eclipsă pe suprafața cristalului, iar dacă intensitatea este prea mare, cristalul va fi spart. Prin urmare, efectul ultrasonic asupra creșterii cristalelor este legat de dimensiunea cristalului și dimensiunea bulei de cavitație. Când dimensiunea cristalului este mai mică decât raza bulei de cavitație, ultrasunetele promovează creșterea cristalului; iar când dimensiunea cristalului este mai mare decât raza bulei de cavitație, creșterea cristalului de deteriorare cu ultrasunete.

 

Wang Weining și colab. a introdus unda ultrasonică cu o frecvență de 33 kHz și o putere de 250 W în procesul de cristalizare a clorurii bazice de magneziu (mg3(OH)5Cl?4H2O), care a scurtat perioada de inducție a soluției suprasaturate, iar procesul de cristalizare s-a schimbat de la 12h la 4h, iar frecvența ultrasonică a fost mai mare. Cu cât rata de nucleare este mai rapidă, cu atât perioada de inducție este mai scurtă și timpul necesar pentru cristalizarea completă este mai scurt. Alte exemple de cristalizare a soluției de întărire cu ultrasunete, cum ar fi nitrat de potasiu, acetamidă și tartrat de sodiu și potasiu.

În industriile de congelare și refrigerare a alimentelor, formarea cristalelor de gheață este importantă pentru menținerea calității originale a ingredientelor alimentare. De exemplu, când fructele moi (căpșuni) sunt înghețate, pe măsură ce micile cristale de gheață granulară formate în materialul celulei alimentare continuă să crească, atunci când dimensiunea granulelor de cristal crește, acestea vor distruge o parte din pereții celulei, adică vor distruge o parte din structura materiilor prime. Este nevoie de un „timp de expansiune” destul de lung din momentul în care apa începe să se cristalizeze în gheață până când alimentele sunt complet înghețate. Sub acțiunea ultrasunetelor, pot fi produse din ce în ce mai multe cristale de gheață uniforme, timpul de expansiune este scurtat, dimensiunea finală a cristalelor de gheață este redusă și deteriorarea celulelor este redusă. studiile cu ultrasunete asupra efectelor produselor de cofetărie congelate au arătat că dimensiunea particulelor cristalelor de gheață produse prin iradierea cu ultrasunete este semnificativ redusă și distribuită mai uniform în solide, ceea ce face ca produsele de cofetărie congelate să fie mai dure decât produsele convenționale, crescând acceptarea produsului în rândul consumatorilor. Gradul de primire și combinația de bomboane congelate și mânere din lemn.

 

V. condensare ultrasonică

ultrasunetele au fost folosite la începutul anilor 1940 pentru a îmbunătăți coagularea solidelor în suspensie în aerosoli, iar în Statele Unite a declanșat o „febră de spionaj” în toată țara. Cu toate acestea, din cauza limitărilor echipamentului cu ultrasunete, acest entuziasm s-a răcit rapid. Până la apariția echipamentelor cu ultrasunete avansate în anii 1960, coagularea cu ultrasunete a început să fie aplicată pentru depunerea gazelor corozive, depunerea de negru de fum și CaCO3 și pulberea de ciment. Recuperarea pulberii de gudron, îndepărtarea gazelor de furnal și tratarea gazelor de ardere din cuptoarele metalurgice.

Pentru a explica fenomenul de coagulare a particulelor mici indus de ultrasunete, adică efectul de condensare a câmpului sonor, oamenii de știință au propus multe modele ipotetice. Aglomerarea cu ultrasunete este, în general, considerată a fi un proces în care, atunci când undele ultrasonice trec printr-un mediu care curge cu particule suspendate, particulele suspendate încep să vibreze cu mediul, dar deoarece particulele de diferite dimensiuni încep să vibreze cu mediul, particulele de diferite dimensiuni au diferite Viteza relativă de vibrație, particulele se vor ciocni și se vor lega între ele, iar volumul și greutatea vor crește. Deoarece particulele devin mai mari, ele nu mai pot urma vibrația acustică, ci pot fi folosite doar pentru mișcări neregulate și continuă să se ciocnească și să se lege. Devine mai mare și în sfârșit se așează. Kotyasov și Newtson au subliniat că modelul de mai sus poate explica doar efectul de condensare a câmpului sonor al suspensiilor cu mai multe dimensiuni și nu este convingător să se confrunte cu un sistem de suspensie cu o singură dimensiune. Pe baza acesteia, ei propun o interpretare a efectului de condensare a câmpului sonor bazată pe modelul acțiunii colective a particulelor. Modelul ia în considerare nu numai interacțiunea dintre două particule, ci și forța totală dintre toate particulele. Sub acțiunea câmpului sonor, în regiunea în care densitatea particulelor dispersate crește, aria secțiunii transversale efective a fazei dispersate spre faza dispersată scade, rezultând o creștere a debitului fazei dispersate în raport cu particulele, însoțită de o creștere a ratei de dispersie între substanțele dispersate. Presiunea este crescută, astfel încât densitatea particulelor solide este crescută în continuare și, ca rezultat, procesul de coagulare este accelerat. Conform acestui model, se introduce o serie de relații între creșterea instabilității sistemului de suspensie și frecvența ultrasonică și puterea ultrasonică, iar faptele experimentale sunt verificate.

În al șaselea rând, filtrarea și deshidratarea îmbunătățite cu ultrasunete

Amestecul este adesea filtrat în timpul separării chimice pentru a îndepărta particulele solide și pentru a purifica soluția. Metodele convenționale de filtrare tind să determine particule mici să înfunde filtrul și membrana filtrului trebuie înlocuită frecvent. Iradierea cu ultrasunete are două efecte speciale care ajută la îmbunătățirea tehnicii de filtrare. Efectul de condensare a câmpului sonor poate determina agregarea particulelor fine pentru a accelera rata de filtrare. Al doilea este că efectul de absorbție a energiei ultrasonice oferă suficientă energie de vibrație pentru sistem. O parte din particule sunt lăsate să plutească în filtrat, oferind o trecere mai liberă pentru spălare. Studiile au arătat că filtrarea îmbunătățită cu ultrasunete (adică „filtrarea acustică”) poate reduce rapid conținutul de apă al nămolului de cărbune care conține 50% apă la 25%, în timp ce filtrarea convențională poate ajunge doar la 40%. „Filtrarea electro-acustică” combinată cu câmpul electric îmbunătățit și câmpul sonor pot crește gradul de uscare a nămolului de cărbune cu 10%. Atunci când tehnologia de filtrare electroacustică a fost aplicată pentru a filtra sucul de mere din pulpă, conținutul de umiditate al pulpei a scăzut de la 85% la 38% inițial, în timp ce metoda convențională a redus doar conținutul de apă la 50%.

 

În industria cărbunelui, mineralelor și chimice, materialul solid separat prin sedimentare, filtrare etc. trebuie să îndepărteze pe cât posibil umiditatea din material înainte de uscare, economisind energie pentru etapa de uscare. Câmpul sonor a îmbunătățit transferul de căldură și transferul de masă. Swamy și colab. a studiat eliminarea sideritei saturate cu apă, a nisipului și a rumegușului prin deshidratare centrifugă sub iradiere cu câmp sonor de mare intensitate de 139 dB (aproximativ 100 W) și 98 kHz. Umiditatea din material arată că atunci când deshidratarea centrifugă este aplicată undei sonice, conținutul final de apă obținut prin deshidratare centrifugă fără undă sonoră poate fi de la 25% până la 95% în diferite condiții, iar temperatura critică este, de asemenea, scăzută.

7. Adsorbția și desorbția îmbunătățite ale câmpului sonor

Adsorbția și desorbția au fost utilizate pe scară largă în industriile chimice, alimentare, metalurgice și alte industrii, jucând un rol din ce în ce mai important în separare și purificare. Adsorbția și desorbția sunt o pereche de procese reciproce. Sub cavitația ultrasonică, câmpul sonor crește viteza cu care adsorbatul difuzează către adsorbant; pe de altă parte, reduce forța van der Waals dintre adsorbat și adsorbant. Primul are un efect pozitiv și întărește adsorbția; acesta din urmă are un efect negativ și întărește desorbția. Prin urmare, selectarea parametrilor corespunzători ai câmpului sonor poate îmbunătăți adsorbția și desorbția separat.

 

Procesul de adsorbție îmbunătățită cu ultrasunete este studiat: sub acțiunea puterii ultrasonice, viteza de adsorbție a alcoolului polivinilic, a celulozei acidului acetic-acid butiric și a glucozei este crescută în carton și pulpa kraft decolorată; este crescută adsorbţia fosforului pe sol după tratarea cu KH2PO4. Cantitatea de adsorbție de albastru de metilen de către argilă și cărbune activ a crescut; viteza de adsorbție a reactivului organic sub formă de pulbere și A1203 pulbere la elementele limitate a crescut. Cu toate acestea, unele studii au descoperit că atunci când rășina schimbătoare de ioni fenol formaldehidă XAD-2 (am berlit XAD-2) adsorb acidul 4-(2-piridilazo)izoftalic (PAR), efectul ultrasonic de 20 kHz asupra ratei de adsorbție este mai mic de 21Orpm. Efectul agitației mecanice, în care rata de adsorbție a agitației mecanice este de 2-3 ori mai rapidă decât cea a ultrasunetelor.

 

Studiile timpurii asupra procesului de desorbție îmbunătățită cu ultrasunete includ: desorbția iodului din cărbunele activat; Ag, Cu, etc. desorbția din Ge și Si, Krisccr și Lichtman au studiat desorbția indusă de undele de suprafață cu ultrasunete și au observat unele substanțe adsorbite. Desorbția este atribuită excitației undelor subterane.

În ultimii ani, regenerarea prin desorbție a adsorbanților de apă uzată a fost activă. Este o metodă simplă și rapidă de îndepărtare a poluanților organici hidrolitici, cum ar fi fenolul și substituenții fenolului din apa reziduală, prin utilizarea cărbunelui activ și a rășinii polimerice, dar datorită adsorbantului și adsorbatului. Există o afinitate puternică între ele, iar regenerarea prin desorbție a adsorbantului este încă o problemă dificilă. Cele mai comune metode de desorbție a fenolului sunt desorbția termică și desorbția chimică, dar temperatura ridicată a desorbției termice duce la scăderea capacității de schimb a adsorbantului după regenerare, în timp ce desorbția chimică utilizează substanțe chimice și necesită două separări după desorbție. În prezent, Qin și colab. a raportat mișcarea echilibrului de adsorbție în timpul desorbției sistemului rășină-fenol CLTBP sub iradiere cu ultrasunete. Rege și colab. a studiat viteza de desorbție a fenolului din două rășini polimerice la desorbția din cărbune activ sub acțiunea câmpului sonor de 40 kHz, 120 W, 1,44 MHz, 100 W și 40 kHz, 120 W, 40 kHz, 60 W. Varietate. Rezultatele lor arată că sub iradiere ultrasonică, efectul de difuzie ultrasonică crește viteza de difuzie a particulelor datorită efectului de perturbare ultrasonică, iar efectul de absorbție a energiei ultrasonice reduce energia de activare a reacției de suprafață de ordinul întâi. Prin urmare, energia ultrasonică poate promova fenolul din cărbunele activat și Desorbția pe rășina polimerică, rata de desorbție este semnificativ crescută, iar efectul este mai pronunțat atunci când reenergizatorul este aplicat la o temperatură scăzută, folosind un regenerant și o intensitate ultrasonică ridicată.

Opt. Concluzie

Aplicarea ultrasunetelor puternice compensează adesea deficiențele reacțiilor chimice convenționale și ale tehnologiilor clasice de separare și purificare chimică și creează o metodă nouă și eficientă pentru a îmbunătăți procesul de separare și purificare, care reduce timpul procesului și îmbunătățește efectul procesului. Indiferent de aplicațiile industriale sau de cercetarea academică, ultrasunetele puternice vor avea o perspectivă mai largă de cercetare în industria chimică.