Механизмы воздействия ультразвука

Ультразвук в химической технологии

План

Введение

1.Механизмы воздействия ультразвука

2.Технологии, реализуемые с помощью ультразвука

Заключение

Список литературы

Введение

Первые эксперименты по использованию ультразвука в гальваностегии привели к некоторому разочарованию. Но последовавшие за этим теоретические исследования подтвердили правильность основных принципов ультразвуковых методов. Теперь уже достаточно ясно, что ультразвуковое облучение способствует электролитическому осаждению, удаляя пузырьки, которые стремятся скапливаться на покрываемой металлом поверхности, очищая ее и, возможно, даже освобождая от образовавшихся зерен осаждаемого металла. Во всех этих эффектах существенная роль, по-видимому, принадлежит кавитации. Можно предполагать, что ультразвук найдет широкое использование при изготовлении гальванопокрытий, в первую очередь при никелировке различных изделий, так как опыты с никелем были особенно многообещающими.

Менее удачным оказалось применение ультразвука при коагуляции (свертывании) аэрозолей и осаждении пыли. В период увлечения ультразвуком в США были построены многочисленные агрегаты, оборудованные ротационными сиренами и предназначенные для осаждения пыли. Эксперименты показали, что под действием ультразвука крошечные диспергированные частицы скапливаются отдельными группами (эффект, противоположный тому, который достигается при приготовлении эмульсий). Однако сегодня ни один из этих агрегатов не действует. Тем не менее последние работы, проведенные в Японии, указывают на то, что ультразвуковое осаждение пыли имеет право на жизнь. Другая весьма интересная и обнадеживающая область применения ультразвука - осуществление с его помощью тонкой дисперсии жидкостей. В частности, в многочисленных экспериментах исследовалась возможность распыления с помощью ультразвука топлива в нефтяных горелках, работающих в режиме малой скорости горения. При быстром горении топливо выходит из сопла под большим давлением и распыляется, превращаясь в мелкие капельки. Поэтому горение происходит спокойно и равномерно. При скоростях же горения, меньших 2,4 л/час (обычно это имеет место в бытовых котлах для отопления и некоторых промышленных печах), никакой дисперсной среды не образуется. Объяснить это явление помогли исследования с помощью ультразвука.

Наряду с многочисленными применениями ультразвука, не представляющими особого интереса с технической точки зрения (например, закупоривание бутылок с шипучими напитками, где основная задача состоит в том, чтобы полностью удалить весь воздух из горлышка бутылки), существуют и такие, которые играют весьма существенную роль в научных исследованиях. Прежде всего, следует отметить воздействие ультразвука на химические реакции. Здесь все разнообразные эффекты, связанные с ультразвуковым облучением, можно объяснить, введя понятие сонолиза воды, то есть расщепления ультразвуком молекулы воды на водород и свободный гидроксильный радикал.

Многие сложные химические процессы представляют собой последовательность более простых реакций, например окисления, восстановления, гидролиза, полимеризации, деполимеризации, реакций с перестановкой молекул и т. д. Влияние ультразвука на них было детально изучено. Согласно одной из теорий, зарождением и эволюцией жизни на Земле мы тоже обязаны ультразвуку! Под воздействием звука грохочущих волн мирового океана в результате сонолиза воды на его поверхности и протекали реакции полимеризации, которые привели к образованию первых гигантских органических молекул.

Хотя все перечисленные выше реакции можно отнести за счет сонолиза, механизм его объяснить не так-то просто. Здесь мы снова сталкиваемся с кавитацией. Одни исследователи полагают, что сонолиз происходит вследствие резкого локального повышения температуры, обусловленного коллапсом кавитационных пузырьков. Другие думают, что основную роль играют высокие локальные давления. Третьи считают, что кавитация сопровождается электрическими разрядами (возникающими из-за разности потенциалов между стенками кавитационной полости), которые порождают люминесценцию и обуславливают фотохимическое расщепление воды.

Одной из наиболее хорошо известных химических реакций, стимулируемых ультразвуковым облучением, является реакция выделения йода из йодистого калия в присутствии четыреххлористого углерода. Предполагают, что она протекает следующим образом: четыреххлористый углерод окисляется перекисью водорода, полученной при сонолизе, в результате выделяется хлор, который и заменяет йод в йодистом калии. Выделившийся йод окрашивает раствор крахмала в голубой цвет, поэтому кавитацию в таком растворе можно наблюдать визуально. Эта реакция обычно используется как индикатор кавитации. Другие химические реакции, чувствительные к воздействию ультразвука, такие, как полимеризация, деполимеризация и т. д., в настоящее время представляют только академический интерес.

Часто в химических процессах ультразвук действует как катализатор. Вещества, участвующие в реакции, с его помощью делают мелкодисперсными, что намного повышает их химическую активность. Если среди продуктов реакции имеется газ, то ультразвук способствует его быстрому выведению из смеси. Ультразвуковое облучение ускоряет многие реакции с участием органических веществ. Среди них, прежде всего, следует назвать реакцию алкилирования парафина при производстве топлива с высоким октановым числом. Ультразвуковой метод приготовления дисперсных металлических катализаторов, таких, как натрий и ртуть, обладает значительными преимуществами перед традиционными механическими методами. Однако в настоящее время он еще не вышел за пределы лабораторий.

Механизмы воздействия ультразвука

Предложено несколько механизмов воздействия ультразвука на хим. реакции. По тепловой теории в момент схлопывания кавитационного пузырька внутри него развиваются температура 104 К и давление до 103 МПа, что приводит к термической диссоциации химического соединения на радикалы.

Однако к настоящему времени обнаружено много экспериментальных факторов, которые противоречат тепловой теории и различным ее модификациям. Ранние электрические теории, предложенные для объяснения механизма хим. действия кавитации, также нельзя считать удовлетворительными. В наибольше мере соответствующей экспериментальным данным можно считать новую электрическую теорию, разработанную в 1985. В этой теории рассматривается двойной электрический слой на поверхности расщепляющегося кавитационного пузырька. Показано, что при его расщеплении образуется некомпенсированный электрический заряд который зависит от радиуса шейки (г) образующегося пузырька, дзета-потенциал а (см. Электрокинетические явления), частоты и амплитуды акустических колебаний, электропроводности жидкости и т.д. При отрыве осколочного пузырька некомпенсируемый заряд локализуется на малой площадке радиуса r. Напряженность возникающего электрического поля ( - диэлектрическая проницаемость газа), для обычных экспериментальных параметров В/м. T. к. критическая напряженность для электрического пробоя в сухом воздухе при атмосферном давлении Eкr = 3·106 В/м, а Екр пропорциональна давлению газа, электрический заряд в кавитационном пузырьке может образовываться с высокой вероятностью даже при давлениях, значительно превышающих атмосферное.

Хим. реакции, возникающие в жидкости под действием У. (звукохимической реакции), можно условно подразделить на: 1) окислительно-восстановительной реакции, протекающие в водных растворах между растворенными веществами и продуктами разложения молекул воды внутри кавитационного пузырька (H, ОН, H2, H2O2), напр.:

2) Реакции между растворенными газами и веществами с высоким давлением пара, находящимися внутри кавитационного пузырька:

3) Цепные реакции, инициируемые не радикальными продуктами разложения воды, а к.-л. другим веществом, диссоциирующимся в кавитационном пузырьке, например, изомеризация малеиновой кислоты в фумаровую под действием Br, образующегося в результате звукохимической диссоциации Br2.

4) Реакции с участием макромолекул. Для этих реакций важна не только кавитация и связанные с нею ударные волны и кумулятивные струи, но и мех. силы, расщепляющие молекулы. Образующиеся при этом макрорадикалы в присутствии мономера способны инициировать полимеризацию.

5) Инициирование взрыва в жидких и твердых взрывчатых веществах.

6) Реакции в жидких неводных системах, например, пиролиз и окисление углеводородов, окисление альдегидов и спиртов, алкилирование ароматич. соединений, получение тиоамидов и тио-карбаматов, синтез металлоорганические соед., восстановление гидридами, металлами, амальгамами, р-ции обмена галогенпроизводных, циклоприсоединение, получение и р-ции перфгорал-кильных соед., карбеновые синтезы, димеризация, олигомеризация и полимеризация галогенсиланов и галоген-станнанов, диссоциация карбонилов металлов и замещение лигандов в комплексных соед., синтез нитрилов, альдольная конденсация кетонов, конденсация Клайзена-Шмидта, перегруппировка Клайзена и др.

Основная энергетическая характеристика звукохимической реакции - энергетический выход, который выражается числом молекул продукта, образовавшихся при затрате 100 эВ поглощенной энергии. Энергетический выход продуктов окислительно-восстановительных реакций обычно не превышает нескольких единиц, а для цепных реакций достигает нескольких тысяч.

Под действием У. во мн. реакциях возможно увеличение скорости в несколько раз (напр., в реакциях гидрирования, изомеризации, окисления и др.), иногда одновременно возрастает и выход. Обнаружено, изменение параметров Белоусова—Жаботинского реакции; инициирование колебательных процессов в некоторых системах, содержащих диалкилдихлорсиланы, которые в присутствии Na образуют циклический и линейные олигомеры: в этих системах под действием ультразвука возникает периодические изменение концентрации олигомеров в результате их взаимного превращения.

Воздействие ультразвука важно учитывать при разработке и проведении различных технологических процессов (напр., при воздействии на воду, в которой растворен воздух, образуются оксиды азота и H2O2), для понимания процессов, сопровождающих поглощение звука в средах.