Ультразвук в хімічній технології
План
Введення
1.Механізм впливу ультразвуку
2.Технологія, реалізовані за допомогою ультразвуку
Висновок
Список літератури
Введення
Перші експерименти з використання ультразвуку в гальваностегії привели до деякого розчарування. Але пішли за цим теоретичні дослідження підтвердили правильність основних принципів ультразвукових методів. Тепер вже досить ясно, що ультразвукове опромінення сприяє електролітичному осадженню, видаляючи пухирці, які прагнуть накопичуватися на покривається металом поверхні, очищаючи її і, можливо, навіть звільняючи від утворених зерен осаждаемого металу. У всіх цих ефектах істотна роль, очевидно, належить кавітації. Можна припускати, що ультразвук знайде широке використання при виготовленні гальванопокриттів, в першу чергу при нікелювання різних виробів, так як досліди з нікелем були особливо багатообіцяючими.
Менш вдалим виявилося застосування ультразвуку при коагуляції (згортання) аерозолів і осадженні пилу. У період захоплення ультразвуком в США були побудовані численні агрегати, обладнані ротаційними сиренами і призначені для осадження пилу. Експерименти показали, що під дією ультразвуку крихітні дисперговані частинки скупчуються окремими групами (ефект, протилежний тому, який досягається при приготуванні емульсій). Проте сьогодні жоден із цих агрегатів не діє. Проте останні роботи, проведені в Японії, вказують на те, що ультразвукове осадження пилу має право на життя. Інша дуже цікава і обнадійлива область застосування ультразвуку - здійснення з його допомогою тонкої дисперсії рідин. Зокрема, в численних експериментах досліджувалася можливість розпилювання за допомогою ультразвуку палива в нафтових пальниках, що працюють в режимі малій швидкості горіння. При швидкому горінні паливо виходить з сопла під великим тиском і розпорошується, перетворюючись на дрібні крапельки. Тому горіння відбувається спокійно і рівномірно. При швидкостях ж горіння, менших 2,4 л / год (зазвичай це має місце в побутових котлах для опалення та деяких промислових печах), ніякої дисперсної середовища не утворюється. Пояснити це явище допомогли дослідження за допомогою ультразвуку.
Поряд з численними застосуваннями ультразвуку, не представляють особливого інтересу з технічної точки зору (наприклад, закупорювання пляшок з шипучими напоями, де основне завдання полягає в тому, щоб повністю видалити все повітря з шийки пляшки), існують і такі, які грають дуже істотну роль в наукових дослідженнях. Перш за все, слід відзначити вплив ультразвуку на хімічні реакції. Тут всі різноманітні ефекти, пов'язані з ультразвуковим опроміненням, можна пояснити, ввівши поняття соноліза води, тобто розщеплення ультразвуком молекули води на водень і вільний гідроксильний радикал.
Багато складні хімічні процеси представляють собою послідовність більш простих реакцій, наприклад окислення, відновлення, гідролізу, полімеризації, деполімеризації, реакцій з перестановкою молекул і т. д. Вплив ультразвуку на них було детально вивчено. Згідно з однією з теорій, зародженням і еволюцією життя на Землі ми теж зобов'язані ультразвуку! Під впливом звуку гуркітливих хвиль світового океану в результаті соноліза води на його поверхні і протікали реакції полімеризації, які привели до утворення перших гігантських органічних молекул.
Хоча всі перераховані вище реакції можна віднести за рахунок соноліза, механізм його пояснити не так-то просто. Тут ми знову стикаємося з кавітацією. Одні дослідники вважають, що соноліз відбувається внаслідок різкого локального підвищення температури, обумовленого колапсом кавітаційних бульбашок. Інші думають, що основну роль грають високі локальні тиску. Треті вважають, що кавітація супроводжується електричними розрядами (виникаючими через різницю потенціалів між стінками кавитационной порожнини), які породжують люмінесценцію і обумовлюють фотохімічні розщеплення води.
Однією з найбільш добре відомих хімічних реакцій, стимульованих ультразвуковим опроміненням, є реакція виділення йоду з йодистого калію в присутності чотирихлористого вуглецю. Припускають, що вона протікає в такий спосіб: чотирихлористий вуглець окислюється перекисом водню, отриманої при сонолізе, в результаті виділяється хлор, який і замінює йод в йодистим калії. Виділився йод забарвлює розчин крохмалю в блакитний колір, тому кавітацію в такому розчині можна спостерігати візуально. Ця реакція зазвичай використовується як індикатор кавітації. Інші хімічні реакції, чутливі до впливу ультразвуку, такі, як полімеризація, деполімеризація і т. д., в даний час представляють тільки академічний інтерес.
Часто в хімічних процесах ультразвук діє як каталізатор. Речовини, які беруть участь у реакції, з його допомогою роблять мелкодісперснимі, що набагато підвищує їх хімічну активність. Якщо серед продуктів реакції є газ, то ультразвук сприяє його швидкому виведенню з суміші. Ультразвукове опромінення прискорює багато реакції з участю органічних речовин. Серед них, насамперед, слід назвати реакцію алкілування парафіну при виробництві палива з високим октановим числом. Ультразвуковий метод приготування дисперсних металевих каталізаторів, таких, як натрій і ртуть, має значні переваги перед традиційними механічними методами. Проте в даний час він ще не вийшов за межі лабораторій.
1.Механізм впливу ультразвуку
Запропоновано декілька механізмів впливу ультразвуку на хім. реакції. За теплової теорії в момент схлопиванії кавітаційного пухирця всередині нього розвиваються температурі 104 К і тиск до 103 МПа, що призводить до термічної дисоціації хімічної сполуки на радикали.
Однак до теперішнього часу виявлено багато експериментальних факторів, які суперечать теплової теорії та різних її модифікацій. Ранні електричні теорії, запропоновані для пояснення механізму хім. дії кавітації, також не можна вважати задовільними. У найбільшій мірі відповідають експериментальним даним можна вважати нову електричну теорію, розроблену в 1985. У цій теорії розглядається подвійний електричний шар на поверхні розщеплює кавітаційного пухирця. Показано, що при його розщепленні утворюється некомпенсований електричний заряд який залежить від радіуса шийки (г) утворюється бульбашки, дзета-потенціал а (див. Електрокінетичні явища), частоти і амплітуди акустичних коливань, електропровідності рідини і т.д. При відриві осколкового бульбашки некомпенсовані заряд локалізується на малій майданчику радіуса r. Напруженість виникає електричного поля
(
- Діелектрична проникність газу), для звичайних експериментальних параметрів
В / м. T. к. критична напруженість для електричного пробою в сухому повітрі при атмосферному тиску Eкr = 3.106 В / м, а ЄКР пропорційна тиску газу, електричний заряд в кавітаційному бульбашці може утворюватися з високою ймовірністю навіть при тисках, що значно перевищують атмосферний.
Хім. реакції, що виникають в рідині під дією В. (звукохіміческой реакції), можна умовно поділити на: 1) окисно-відновної реакції, що протікають у водних розчинах між розчиненими речовинами і продуктами розкладання молекул води всередині кавітаційного пухирця (H, ОН, H2, H2O2) , напр.:
2) Реакції між розчиненими газами та речовинами з високим тиском пари, що знаходяться усередині кавітаційного пухирця:
3) Ланцюгові реакції, що ініціюються не радикальними продуктами розкладання води, а к.-л. іншою речовиною, дисоціюють у кавітаційному бульбашці, наприклад, ізомеризація малеїнової кислоти в фумарову під дією Br, що утворюється в результаті звукохіміческой дисоціації Br2.
4) Реакції за участю макромолекул. Для цих реакцій важлива не тільки кавітація та пов'язані з нею ударні хвилі і кумулятивні струменя, але і хутро. сили, що розщеплюють молекули. Утворені при цьому макрорадікали в присутності мономера здатні ініціювати полімеризацію.
5) Ініціювання вибуху в рідких і твердих вибухових речовинах.
6) Реакції в рідких неводних системах, наприклад, піроліз і окислення вуглеводнів, окислення альдегідів і спиртів, алкілування ароматіч. сполук, одержання тіоамідов і тіо-карбаматів, синтез металоорганічні сполуки., відновлення гідридами, рудами, амальгама, р-ції обміну галогенпохідних, циклоприєднання, отримання і р-ції перфгорал-кільна соед., карбеновие синтези, димеризації, олігомеризації і полімеризація галогенсіланов і галоген-станнанов, дисоціація Карбоніли металів і заміщення лігандів в комплексних соед., синтез нітрилів, альдольної конденсація кетону, конденсація Клайзена-Шмідта, перегрупування Клайзена та ін
Основна енергетична характеристика звукохіміческой реакції - енергетичний вихід, який виражається числом молекул продукту, що утворилися при витраті 100 еВ поглиненої енергії. Енергетичний вихід продуктів окислювально-відновних реакцій зазвичай не перевищує кількох одиниць, а для ланцюгових реакцій досягає декількох тисяч.
Під дією У. у мн. реакціях можливе збільшення швидкості в кілька разів (напр., в реакціях гідрування, ізомеризації, окислення тощо), іноді одночасно зростає і вихід. Виявлено, зміна параметрів Білоусова-Жаботинського реакції; ініціювання коливальних процесів в деяких системах, що містять діалкілдіхлорсілани, які в присутності Na утворюють циклічний і лінійні олігомери: у цих системах під дією ультразвуку виникає періодичні зміна концентрації олігомерів в результаті їхнього взаємного перетворення.
Вплив ультразвуку важливо враховувати при розробці та проведенні різних технологічних процесів (напр., при впливі на воду, в якій розчинений повітря, утворюються оксиди азоту та H2O2), для розуміння процесів, що супроводжують поглинання звуку в середовищах.
2.Технологія, реалізовані за допомогою ультразвуку
Високоточна очищення і знежирення. Під впливом ультразвуку певної інтенсивності на рідину виникає кавітація (виникнення і вибух безлічі мікроскопічних бульбашок). При вибуху бульбашки на поверхні якого-небудь виробу, зануреного в розчин, відбувається виділення колосальної енергії на мікрорівні, що призводить до інтенсивного відділенню різних забруднень. Дана технологія дозволяє добитися високого ступеня очищення і реалізується за допомогою ультразвукових ванн з вмонтованими, або з зануреними випромінювачами. Застосування ультразвуку в ряді випадків дозволяє відмовитися від застосування хімічно агресивних і екологічно шкідливих розчинів.
У серійному виробництві знаходять застосування спеціалізовані промивні комплекси. Комплекс складається з вузлів, що вмонтовуються за модульним принципом, використання якого забезпечує широке коло технологічних можливостей під конкретні умови Замовника. Вузли об'єднуються в механізовану або автоматичну лінію очищення поверхні виробів після операцій виготовлення. Комплекс в загальному випадку складається з ультразвукової ванни для очищення, обполіскують ванни для фінішної промивання, камери сушіння очищених виробів, транспортного маніпулятора, системи автоматичного контролю та управління.
Для безперервної прецизійної очищення прокатних виробів (дріт, лист, дріт) застосовуються спеціалізовані ультразвукові лінії. Модулі очищення і промивання є устрою з подачею миючого розчину і одночасним накладенням потужних ультразвукових коливань. Після модуля промивання є сушильна камера. На виході лінії, при необхідності нагрівання виробу перед покриттям, може бути встановлена система індукційного нагріву. Лінія вбудовується безпосередньо на виході прокатного устаткування, або виноситься на окремий виробничий ділянку і оснащується своїми механізмами подачі.
Очищення металевих труб (3) від різних виробничих і експлуатаційних забруднень здійснюється за допомогою комплекту з двох ультразвукових інструментів (1), обладнаних каналами для подачі миючого розчину (4). Очищення зовнішньої поверхні проводиться торцевим магнітострикційні випромінювачем з акустичним трансформатором, відповідної конструкції і відображає накладкою (2) з протилежної сторони труби. Очищення внутрішньої поверхні труби проводиться снарядом, що складається з ультразвукового випромінювача і акустичного трансформатора перетворюючого фронтальні коливання торця випромінювача в радіальні. Механізм подачі забезпечує рух труби через вузли очищення зовнішньої і внутрішньої поверхні зі швидкістю забезпечує необхідний рівень очищення. На вході може встановлюватися індукційний нагрівач (5) для розм'якшення нафтових і парафінових відкладень.
Додатково для економії коштів і поліпшення екологічної обстановки вищеперелічені установки можуть оснащуватися системами фільтрації та регенерації робочих розчинів. Для постачання модулів промивання дистильованою водою в комплекті може бути поставлений промисловий дистилятор.
Дегазація розплавів. При дії ультразвуку на розплав значно збільшується інтенсивність процесу утворення пухирців розчиненого газу, і в результаті, його зміст може бути знижено у двоє і більше, навіть якщо ультразвукова обробка короткочасна. Виникнення газових бульбашок в розплаві супроводжується флотацією розсіюються твердих неметалічних включень, що збільшує щільність литва і плинність розплаву, дозволяючи проникати в найменші виїмки ливарної форми. Крім дегазації, спостерігається значне зменшення зерна, що призводить до додаткового поліпшення фізико-механічних властивостей виливки. Обробка розплаву зазвичай проводиться безпосередньо перед розливанням і може здійснюватися як в стаціонарному обсязі печі або роздаткового ковша за допомогою заглибних випромінювачів з робочим інструментом з тугоплавких матеріалів, так і шляхом «озвучування» металу в протоці за допомогою спеціального лотка або за допомогою багатошарових екранних фільтрів зі скло які забезпечують, крім дегазації ультразвуком, фільтрування розплаву. Технологія застосовна для легкоплавких металів малої щільності і їхніх сплавів.
Інтенсифікація гальванічних і хімічних процесів. Під впливом ультразвуку в процесах (міднення, нікелювання, хромування, кадміювання, цинкування, сріблення і т.д.) знижується воднева поляризація і полегшується розряд іонів, т.ч. забезпечується підвищення катодного щільності струму, прискорюється відкладення покриттів. Фактично ультразвук збільшує активну площа катода в 3 рази. Покриття виходить рівномірніше і товщі в кілька разів, поліпшується його адгезія до підкладки. Технологія реалізується за допомогою заглибних ультразвукових випромінювачів з фронтальним типом випромінювання. Наведений графік ілюструє різке підвищення швидкості осадження покриття під впливом ультразвуку (крива 1) в порівнянні з традиційними установками (крива 2).
Сьогодні каталізатори - найпоширеніший елемент хімічних технологій. Але мало хто знає, що подібних, причому специфічних ефектів можна домогтися за допомогою потужних ультразвукових коливань. Крім того, ультразвук здатний інтенсифікувати багато фізичних і фізико-хімічні процеси, на які каталізатори взагалі не впливають. Конструктивно відповідні установки виконуються у вигляді стаціонарних обсягів (наприклад ультразвукові ванни), або у вигляді систем з зануреними випромінювачами.
Приготування емульсій і суспензій. Під впливом ультразвуку на суміш взаємно нерозчинних рідин відбувається перехід однієї рідини в дисперсне стан в середовищі іншого - емульгування (ультразвукове диспергування рідини в рідині). Стійкість емульсії, отриманої ультразвуком, значно перевищує стійкість систем отриманих іншим шляхом. Можливе отримання стійких суспензій і порошків в рідині - суспензій. Технологія реалізується за допомогою ультразвукових ванн або ультразвукових установок з зануреними випромінювачами, при великих обсягах виробництва використовуються проточні установки.
Ультразвукова просочування. Заснована на звукокапіллярном ефекті. При цьому, просочена рідина як би «вганяють» в капіляри і час просочення скорочується в десятки разів. Цей спосіб використовують для просочення електротехнічних виробів: обмоток трансформаторів, роторів, статорів, котушок та ін, а також для герметизації литих пористих деталей. В результаті час просочення скорочується в кілька разів, і в ряді випадків досить одноразової просочення замість багаторазової.
Ультразвукове екстрагування. Основним технологічним процесом вилучення біологічно активних речовин є екстракція. Під впливом ультразвукових коливань спостерігається не тільки прискорення процесу в часі, але і збільшення, порівняно з іншими способами екстрагування, виходу біологічно активних речовин.
Зварювання полімерів і металів. Найбільш перспективна технологія з'єднання полімерних матеріалів - зварювання за допомогою ультразвуку. Ультразвук дозволяє: проводити зварювання фасонних виробів з жорстких пластмас на великій відстані від місця вводу ультразвуку (до 200-250 мм); проводити зварювання багатошарової конструкції з м'яких пластмас та армованих тканин зі штучних матеріалів; проводити зварювання полімерів, які не зварюються або погано зварюються іншими способами зварювання; виробляти прецизійну закладку металевих деталей в пластмасу; проводити зварювання полімерів по забрудненим поверхням, не вимагаючи їх попереднього очищення і обезжирення.
Основною перевагою ультразвукового зварювання металів є вузька спрямованість теплового впливу і висока повторюваність результатів, що особливо важливо при великосерійному і потоковому виробництві. Крім того, ультразвукова дія виключає значне теплове і світлове випромінювання при зварюванні, відсутні розплавлені маси металу. Ультразвук дозволяє зварювати однорідні і різнорідні метали різної товщини. Технологія найбільш широко поширена в електронній промисловості.
Прошивка отворів і розмірна обробка крихких матеріалів. Технологія дозволяє здійснити прошивку отворів і поглиблень різної конфігурації і розмірів у виробах виробів з каменю, скла, порцеляни, кераміки, феритів і інших тендітних матеріалах за допомогою абразивного порошку та інструменту, що коливається з ультразвуковою частотою.
Обробка привибійну зон свердловин. Ефект від впливу ультразвуку на привибійну зону свердловини полягає в наступному: руйнуються відкладення солей на стінках пор, що збільшує проникність пласта, відбувається акустична дегазація і усуваються газові пробки в капілярах, руйнується гальмуючий електростатичний шар, знижується поверхневий натяг рідини в капілярах, знижується в'язкість рідини. Комплект обладнання складається з ультразвукового генератора і випромінювача-снаряда спеціальної конструкції, розміщується на геофізичному автомобілі з бухтою каротажного кабелю довжиною до 5 км (наприклад КТ 7-70-180).
Області застосування ультразвуку
Технологічні процеси:
переробка мінеральної сировини, збагачення і процеси гідрометалургії руд металів і т.д.
Нафтова і газова промисловість:
рекуперація нафтових свердловин, екстракція в'язкої нафти, процеси поділу в системі пісок - важка нафта, підвищення жидкотекучести важких нафтопродуктів і т.д.
Металургія та машинобудування:
рафінування металевих розплавів, подрібнення структури злитку / виливки, обробка металевої поверхні для її зміцнення і зняття внутрішніх напружень, очищення зовнішніх поверхонь і внутрішніх порожнин деталей машин і т.д.
Хімічна і біохімічна технології:
процеси екстракції, сорбції, фільтрації, сушки, емульгування, отримання суспензій, змішання, диспергирування, розчинення, флотації, дегазації, випаровування, коагуляції, коалесценції, процеси полімеризації і деполімеризації, отримання наноматеріалів і т.д.
Енергетика:
спалювання рідкого і твердого палива, приготування паливних емульсій, виробництво біопалива тощо
Сільське господарство, харчова та легка промисловість:
процеси проростання насіння і росту рослин, приготуванні харчових добавок, кондитерської технології, приготуванні алкогольних і безалкогольних напоїв і т.д.
Комунальне господарство:
рекуперація водних свердловин, підготовка питної води, зняття відкладень з внутрішніх стінок теплообмінних апаратів і т.д.
Захист навколишнього середовища:
очистка стічних вод, забруднених нафтопродуктами, важкими металами, стійкими органічними сполуками, очищення забруднених грунтів, очищення промислових газових потоків і т.д.
Переробка вторинної сировини:
девулканізація гуми, очищення металургійної окалини від масляних забруднень і т.д.
Висока адаптивність до існуючих технологій, висока гнучкість і ефективність, можливість застосування ультразвуку в широкому діапазоні інтенсивності і частоти дозволяє застосовувати ультразвукові технології як в якості основних, так і в якості допоміжних, що дозволяють різко інтенсифікувати технологічний процес і істотно підвищити його якісні характеристики.
Технологія отримання, за допомогою ультразвукового емульгатора, високоустойчіви емульсій, не расслаивающихся протягом тривалого часу (до 6 місяців) на базі дизельного палива з додаванням від 10 до 20% дистильованої води.
Ультразвукове диспергування. Застосування ультразвукового випромінювача спеціальної конструкції дозволяє отримувати мелкодісперсний аерозоль з рідини. Цей процес використовується з метою рівномірного зрошення будь-якого об'єкта або для виробництва порошків у медичній та хімічній промисловості.
За допомогою ультразвуку здійснюється помел (диспергування) порошків різних оксидів металів (Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2, Fe2O3 & Fe3O4). Диспергування здійснюється в ультразвукових реакторах на базі кільцевих магнітострикційних випромінювачів (КМС). Відмінною особливістю цього методу одержання нанопорошків є висока гомогенність отриманого порошку з наперед заданими розмірами частинок, а також висока чистота порошку в порівнянні з іншими методами (механічними, вибуху дроту і т.д), неминуче дають паразитні домішки.
Висновок
Використання потужного ультразвуку в технологічних процесах отримання та обробки матеріалів і речовин дозволяє
- Знизити собівартість процесу або продукту,
- Отримувати нові продукти або підвищити якість існуючих,
- Інтенсифікувати традиційні технологічні процеси або стимулювати реалізацію нових,
- Сприяти поліпшенню екологічної ситуації за рахунок зниження агресивності технологічних рідин.
Список літератури
1. Маргуліс M.А., Основи звукохіміі, M., 1984; Звукохіміческіе реакції і сонолюмінесценция, M. 1986;,
2.Ultrasound. Its chemical, physical and biological effects, ed. by KS Suslik, NY, 1988; Mason TY, Lo rimer Ph. J., Sonochemistty: theory, application and uses of ultraso und in chemistry, NY, 1988;
3.Margu Hs MA,. Sonochemistry and cavitation, L., 1999.
4.Сайт ЗАТ РЕЛТЕК www.reltec.biz