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超声波在化工领域中的应用

导读: 我国的科技发展成为一门新兴交叉学科——声化学。本文综述了近年来超声波在化工领域中主要应用情况,以期促进超声波技术在工程中的研究和应用推广。

  超声波由于其在传质、传热和化学反应等方面的产,己成为世界各国研究的热点,特别是美、英、法、独特作用以及随着超声功率设备的研制和普及,逐渐日、俄等国在工业化方面已取得一些进展。我国的科技发展成为一门新兴交叉学科——声化学。它的发展受工作者在理论及应用方面也做了大量工作。

  所谓的超声波一般是指频率范围在20k~10MHz的声波,其在化学领域的应用动力主要来源于超声空化。随着强烈的冲击波和速度高于100m/s的微射流,冲击波和微射流的高梯度剪切可在水溶液中产生羟基自由基,相应产生的物理化学效应主要是机械效应(声冲流,冲击波,微射流等)、热效应(局部高温高压,整体升温)、光效应(声致发光)和活化效应(水溶液中产生羟基自由基),四种效应并非孤立,而是相互作用、相互促进,加快反应进程。

  本文综述了近年来超声波在化工领域中主要应用情况,以期促进超声波技术在工程中的研究和应用推广。

  1 清洗

  超声清洗是超声波的主要应用之一,与其他清洗相比,超声清洗具有效率高、质量好,可清洗复杂零件、深孔、盲孔及狭缝中的污物,且易于实现清洗自动化等特点。目前,超声波清洗机生产企业已从20世纪90年代初的几家发展到现在的几百多家。随着我国国民经济进一步发展,它必定成为许多工业、医疗、环保等部门不可缺少的一种工艺手段。

  超声波清洗机的工作频率根据清洗对象,大致分为三个频段:低频超声清洗(20~50kHz),高频超声清洗(50~200kHz)和兆赫超声清洗(700k~1MHz以上)。低频超声清洗适用于大部件表面或者污物和清洗件表面结合强度高的场合。频率的低端,空化强度高,易腐蚀清洗件表面,不适宜清洗表面光洁度高的部件,而且空化噪声大。40kHz左右的频率,在相同声强下,产生的空化泡数量比频率为20kHz时多,穿透力较强,但空化强度较低,宜清洗表面形状复杂或有盲孔的工件和清洗污物与被清洗件表面结合力较弱的部件,并且空化噪声较小。高频超声清洗适用于微电子元件的精细清洗,如磁盘、驱动器、读写头、液晶玻璃、平面显示器、微组件和抛光金属件等。这些清洗对象要求在清洗过程中不能受到空化腐蚀,而且能够洗掉微米级的污物。兆赫超声清洗适用于集成电路芯片、硅片及薄膜等的清洗,要求能去除微米、亚微米级的污物而对清洗件没有任何损伤。因为此时不产生空化,其清洗机理主要是声压梯度、粒子速度和声流的作用。特点是清洗方向性强,被清洗件一般置于与声束平行的方向。按照清洗介质划分可以分为常规清洗和气相超声清洗。常规清洗是指采用常规的不会大规模挥发的清洗溶剂,例如:水、水基清洗剂、清洗用的部分石油制成品等。常用的与超声结合的清洗手段有高温浸泡、鼓泡、喷淋等;烘干方式一般采用热风烘干、离心烘干等。气相清洗一般采用易挥发的清洗溶剂,如氟利昂、三氯乙烯、三氯乙烷等,它们清洗油污的能力特别强,但是沸点较低,使用中一般配置冷凝回收系统。常用的与超声结合的清洗手段有热浸、喷淋、蒸汽浴洗等;烘干方式一般采用冷冻干燥。

  2 萃取

  超声波强化溶剂萃取主要依赖液体的空化作用,因此任何影响空化效应的参数如超声功率、频率、作用时间、萃取体系的性质等都将影响萃取的效果。超声波应用于萃取过程包括固-液萃取和液-液萃取,它要比常规的采用热处理、机械搅拌或改变压力等方法从整体上改善和强化萃取分离的传质速率和效果。超声萃取不仅可以强化常规流体对物质的萃取过程,而且可以强化超临界状态下物质的萃取过程,提高得率。在化工过程中应用超声强化萃取的实例有:

  (1)用苯等 8种溶剂提取油页岩中的沥青质时,在50kHz、400W的声场作用下提取速率相当于索氏提脂法的24倍;

  (2)用氢氧化钠和氯化铵混合溶液浸取含锌17.3%的锌矿样品时,用22kHz、100W的超声可以大大加快浸取速率;

  (3)频率20kHz、功率 100W和600W的声场辐照可以提高正已烷提取粉末状除虫菊花中除虫菊酯的速率;(4)24 ±2.5kHz、功率120W的超声辐照甲醇提取环境样品中的苯并芘(a)时,有真空升华法无可比拟的提取速率;(5)18.5kHz、250W的高强度大单头插入式超声场可以提高氰化法浸取黄金的速率;

  (6)20kHz的超声用于提取益母草总碱时提取高于一般回流法所得,并且缩短了提取时间。回流法提取 2h后的提取率为 0.176%,而超声法提取 40min后提取率可达0.248%;(7)用1MHz、0.2W/cm 2的超声辐照 15min,可使应用酸性磷酸萃取剂分离 Mo和 W的分相速度加快4~5倍;用20kHz、19W/cm 2的超声辐照可以使Ga的萃取速率提高15倍;(8)用20kHz、47W的超声辐照,并伴以机械搅拌可使 Ni的萃取速率提高 4~7倍。

  目前超声萃取技术已应用于一些行业的少量样的萃取,大规模生产应用还较少,相应的超声萃取设备还不成熟,还需要加强设备的研制和优化工艺参数。

  3 结晶、粉碎

  超声波既可以使过饱和溶液的固体溶质产生迅速而平缓的沉淀,又可以强化晶体生长。溶液结晶在有机可溶性物质和无机盐类的分离和纯化方面有着十分重要的作用,它不仅可以把溶质以固体状态与溶液分开,而且由于不同晶体具有不同的晶格,因此它还可以用于纯化晶体物质。与其他刺激起晶法和投种起晶法相比,超声成核所要求的过饱和度较低,生长速度快,所得的晶核较均匀、完整、光洁,晶核和成品晶体尺寸分布范围较小,变异系数较低。但是超声空化泡崩溃进产生的微射流对晶体表面有凹蚀作用,强度过大还会击碎晶体,破坏晶体生长。王伟宁等将频率为 33kHz、功率为 250W的超声波引入碱式氯化镁的结晶过程,使过饱和溶液诱导期缩短,结晶过程由 12h变为 4h,并且超

 

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