Что такое ультразвуковая сонохимическая обработка? Какую функцию он имеет?

Сутью ультразвукового сонохимического воздействия является кавитация, включающая три стадии: появление зародышей газа, рост микропузырьков и лопание микропузырьков. Под действием ультразвука жидкость испытывает быстрое движение. Из-за изменений звукового давления растворитель сжимается и мало подвергается воздействию. В разреженной фазовой области ультразвука газовая полость расширяется и растет, заполняя окружающую жидкость паром или газом. В области сжатой фазы воздушные карманы быстро схлопываются и разрываются, образуя большое количество микропузырьков, которые затем могут служить новыми ядрами газа.
Основная причина влияния ультразвука на химические реакции заключается в том, что эти микропузырьки могут генерировать сильные ударные волны при росте и внезапном разрыве. Подсчитано, что при взрыве микропузырьков в локальном пространстве может создаваться давление до мегабар с центральной температурой 104-106К. Объяснение действия ультразвукового поля еще не вышло на молекулярный уровень, а остается на уровне механического механизма молекулярной популяции.
Например, кавитационное и очищающее воздействие на твердые поверхности; Эмульгирующий эффект несмешивающихся жидкостей; Влияние высокой температуры и давления, вызванных ударными волнами в микрокосмосе, на перенос массы и энергии во время взрыва микропузырьков.
Ультразвуковые химические реакции можно разделить на две категории в зависимости от среды: ① сонохимия в водной фазе. Под действием ультразвука вода разлагается на гидроксильные радикалы и атомы водорода, что может вызвать ряд химических реакций.
Органические галогениды, такие как CH2Cl2, CHCl3 и CCl4, в водных средах подвергаются ультразвуковому воздействию, вызывая разрыв водородных связей и образование свободных радикалов. Исследования по сонохимии биомолекул, таких как белки и ферменты, показали, что соноредокс-реакции являются основным механизмом, приводящим к образованию многих простых продуктов, таких как сонохимия в неводных жидких фазах. Исследовательская работа в этой области пока находится на начальной стадии.

Роль ультразвуковой сонохимии:

Когда ультразвук распространяется в жидких средах, он порождает ряд эффектов, таких как механика, термодинамика, оптика, электроника и химия, посредством механических, кавитационных и тепловых эффектов. Особенно мощный ультразвук может вызвать сильную кавитацию, что приводит к мгновенной высокой температуре, высокому давлению, вакууму и локальному образованию микроструй.
Ультразвуковая технология, как физическое средство и инструмент, может создавать ряд почти экстремальных условий в обычно используемых химических реакционных средах. Эта энергия может не только стимулировать или способствовать многим химическим реакциям, ускорять скорость химических реакций, но и изменять направление некоторых химических реакций, производя неожиданные эффекты и чудеса. Принято считать, что возникновение вышеперечисленных явлений обусловлено главным образом механическим и кавитационным воздействием ультразвука, которые в результате меняют условия реакции и окружающую среду.
Механическое действие - вводя ультразвук в систему химической реакции, ультразвук может вызывать интенсивное принудительное движение веществ, генерировать однонаправленную силу для ускорения переноса и диффузии веществ, заменять механическое перемешивание, может вызывать отслаивание веществ от поверхности и, таким образом, обновление интерфейс.
Эффект кавитации. В некоторых случаях возникновение ультразвукового эффекта связано с механизмом кавитации. Ультразвуковая кавитация представляет собой серию динамических процессов, которые происходят под действием ультразвуковых волн, включая колебания, расширение, сжатие и даже схлопывание небольших пузырьков (дырок), существующих в жидкости. В точке кавитации локальное состояние жидкости претерпевает значительные изменения, что приводит к чрезвычайно высокой температуре и высокому давлению. Создана новая и очень особенная физическая и химическая среда для химических реакций, которые трудно или невозможно осуществить в обычных условиях.
Каталитическая химическая реакция--
① Условия высокой температуры и высокого давления способствуют крекингу реагентов на свободные радикалы и двухвалентный углерод, образуя более активные реакционные формы;
② Ударные волны и микроструи оказывают десорбционное и очищающее действие на твердые поверхности (например, катализаторы), удаляя продукты поверхностных реакций или промежуточные продукты, а также пассивирующие слои на поверхностях катализаторов;
③ Ударные волны могут повредить структуру реагентов;
④ Дисперсионная система реагентов;
⑤ Ультразвуковая кавитация разрушает поверхность металла, вызывая деформацию металлической решетки и образование зон внутренней деформации, тем самым повышая химическую активность металла;
⑥ Содействие проникновению растворителей внутрь твердых тел, что приводит к так называемым реакциям включения;
⑦ Улучшить дисперсию катализатора;

Применение ультразвуковой сонохимии:

Ультразвуковая сонохимия может применяться практически ко всем химическим реакциям, таким как экстракция и разделение, синтез и разложение, производство биодизельного топлива, микробная обработка, разложение токсичных органических загрязнителей, обработка биоразложения, дробление биологических клеток, дисперсия и агрегация и т. д.

◆ Экстракция традиционной китайской медицины: это ультразвуковое дробление (фрагментация) клеток традиционной китайской медицины для достижения эффективного извлечения полезных веществ. По сравнению с традиционными методами экстракции экстракция с помощью ультразвука имеет такие преимущества, как высокая скорость, низкая стоимость, высокая эффективность, безопасность, низкая стоимость и широкая применимость.

◆ Производство биодизеля: масло биомассы готовится посредством ультразвуковой эмульгации – дизельный лосьон фактически рассеивает капли биомасла в другую несмешивающуюся дизельную жидкость. По сравнению с другими технологиями приготовленные капли могут быть мелкодисперсными, с узким распределением, высокой эффективностью, хорошим эффектом дисперсии и могут повысить стабильность лосьона.

◆ Ультразвуковые антиморские организмы: на основе кавитационного эффекта ультразвука, когда ядро ​​микропузырьков в жидкости активируется ультразвуком, оно демонстрирует ряд динамических процессов, таких как колебание пузырька, рост, сжатие и коллапс. Пузырьки в жидкости создают в момент разрыва сотни атмосфер и тысячи градусов Цельсия высокой температуры, вызывая прилипание морских организмов к быстрому отслаиванию и разрушению их эпидермальных клеток, тем самым достигая цели предотвращения морских организмов.

◆ Ультразвуковой катализ: Ультразвук применяется для каталитических реакционных процессов, которые могут моделировать реакции при высокой температуре и высоком давлении в реакторах в микроскопическом масштабе, создавая особую физическую и химическую среду для каталитических реакций, которые трудно или невозможно достичь в обычных условиях. условия. Каталитические реакции можно проводить в более мягких средах. Это может дополнительно улучшить скорость реакции, сократить время реакции и увеличить выход целевого продукта. Основные области применения включают катализ поверхности металлов, катализ фазового переноса, ферментативный катализ и т. Д.

Ультразвуковая дисперсия: относится к процессу, в котором жидкость используется в качестве среды, а действие ультразвуковых волн в жидкости диспергирует и разбирает частицы посредством кавитации. Ультразвуковую дисперсию можно разделить на дисперсию лосьона (жидко-жидкостная дисперсия) и суспензионную дисперсию (твердо-жидкостная дисперсия), которые применяются во многих областях. Применение ультразвуковой дисперсии в суспензии также диспергируется в воде или растворителях в лакокрасочной промышленности, красителях в расплавленном парафине, частицах лекарств в фармацевтической и пищевой промышленности, среди прочего.