超声空化与过程强化.pdf

超声空化与过程强化 戴曦张传福 中南大学冶金系，长沙4 1 0 0 8 3 摘要随着超声技术应用广泛而迅速的发展．整整一个世纪来．超声空化成了经久不衰的 研究课题，特别是近1 0 年来，超声空化成了多种学科的基础研究热点．奉文扼要地介绍了超声空 化的最新研究进晨，以及超声空化强化过程的途径． 关键词超声空化；过程强化；途径 中田分类号T B S 0文献标识码A 早在1 0 0 年前，英国第一艘驱逐舰下水 试验时。就发现螺旋浆推进器在水中引起剧 烈振动现象．T h o r n y c r o f t 和B a r n a b y 研究 表明，这是由于螺旋浆的旋转产生了大量气 泡，这些气泡在水的压力作用下随即收缩至 内爆而产生的．这是在历史上首次对空化 C a v i t a t i o n 现象物理本质的描述。 1声能量与物质间的作用形式 超声空化 与热能、光能、电能不同，超声能量与物 质问具有一种独特的作用形式超声空 化“。1 ．所谓超声空化 U l t r a s o n i c C a v i t a t i o n 是指存在于液体中的微小气泡 空化核 在超声场的作用下振动、生长、收 缩和崩溃的过程．S u s l i c k 等人”用实验的 方法测定了气相反应的温度达到了5 2 0 0 6 5 0 K 。液相反应区的有效温度在1 9 0 0 K 左 右，局部压力在5 ．0 5 1 07 P a 以上，而气泡 液相层厚度在2 0 0 r i m ～3 0 0 r i m 之间。同 时这种局部高温、高压存在的时间非常短， 仅有几微秒，所以温度变化率高达l O ％／s ． 2 0 世纪9 0 年代初，美国科学家C r u m B a r b e r 及P u t t e r m a n 等人在研究单气泡空化的 作者简介t t t 1 9 0 一 ．副教授 声致发光 S o n o l u m i n e s c e m e 时，发现了一系 列十分新奇的现象“。．一是源于分子、离子 或原子的蓝光 频率为8 1 0 1 * I - I z 发射的一 个光子能量为3 e V ，而产生声致发光的典型 声压为l a t i n ，对应于每个原子区域的能量为 1 ．0 8 1 0 1 0 e V 。这意味着声致发光包含了大 约l O ”量级的聚焦或放大过程，而中子引起 同位素裂变释放的能量放大也仅为0 ．8 1 0 ”。其次是发光反复闪现，具有精密时钟 般的发光特性．每次闪光持续时间仅为 1 0 “s ，比氢原子中最快的可见跃迁 从3 2 重态 还要快一倍多．研究认为，这种 发光现象是由气泡的高度非线性振动产生 的． 2 超声强化过程机理盯～卵 目前，超声强化过程机理的研究多处于 定性讨论的阶段．物理学家们明确指出，超 声场的介人不仅仅象热能、光能、电能那样 以一种能量的形式发挥作用，降低过程的能 垒，而且由于声能量与物质间的一种独特的 相互作用形式超声空化，使其成为过程 强化的十分有效的手段。 强超声场在媒介中传播时，会产生一系 万方数据 2 l 列效应，如机械效应、热效应、化学效应、光 效应等．在机械效应中有搅拌、分散、除 气，成雾、凝聚，冲击破碎和疲劳损坏作用； 在热效应中有声能被吸收而引起的整体加 热，边界处的局部加热；在化学效应中可以 促进氧化、还原、促进高分子物质的聚合或 解聚作用等．文献 8 3 提出了超声强化过程 的四个附加效应，即湍动效应、微扰效应、界 面效应和聚能效应． 以固液体系为例，超声空化产生的声冲 击渡引起体系的宏观湍动和固体颗粒的高速 冲撞，使边界层减薄、增大传质速率，称之为 ’湍动效应”；超声空化的微扰动可能使固液 传质过程的“瓶颈5 微孔扩散得以强 化，称之为。微扰效应8 ；超声空化产生的微 射流对固体表面的剥离、凹蚀作用创造了新 的活性表面，增大了传质表面积，称之为“界 面效应”；超声空化的能量聚结产生的局部 高温高压能使物质分子与固体表面分子结合 键断裂而活化，实现传质，称之为“聚能效 应5 。 理论与实验研究已证实。空化过程可以 把声场能量集中起来．伴随空化泡崩溃瞬 间。在液体中的极小空间内将其高度集中的 能量释放出来，形成异乎寻常的高温 5 0 0 0 K 、高压 5 l O P a 、强冲击波、 射流等极端条件，这就为在一般条件下难以 实现或不可能实现的化学反应提供了一种新 的非常特殊的物理化学环境． 3超声强化过程研究与应用 超声可以分为两类一类是高频超声 1 ～1 0 M H z ．已在医学成像等方面获得了 成功的应用，并在化合物结构分析中发挥作 用。另一类是功率超声 1 5 ～6 0 k H z ，以过 程强化为目的。 在低超声频段 2 0 ～5 0 k H z 进行的反 应大致可以分为四种基本类型⋯ 1 有金 属表面参与的反应一种是金属作为试剂在 反应中消耗掉；另一种是金属只起催化作 用。声空化所产生的冲击波及溶剂向金属表 面高速喷射的微射流使金属表面不断被清 洗、腐蚀、更新和激活，增加有效反应面积而 加速反应． 2 有粉末状的固体颗粒参与的 反应声空化能将金属或非金属颗粒进一步 粉碎，增加反应面积和使表面活化，有可能 替代相转移催化剂 P T C ，作为促进固一液 多相反应的一种新手段．同时空化作用使多 相介质混合得更均匀，提高质量的传输． 3 乳化反应声空化促使两种不相溶的液 体迅速乳化，增加反应区域，可以代替 P T C ．如果将P T C 和声空化作用结合起 来，效果更好。 4 均相反应空化泡中一般 充有气体和溶剂的蒸汽，当气泡崩溃时，蒸 汽受压缩而产生局部高温、高压，产生自由 基．伴随冲击波的作用会改变溶剂结构而影 响反应． 3 ．1 超声辐射下化学沉积制备C a ／A l I 嘎复 台粉体材料o ’ 在化学沉积法制备c u ／m 【2 0 ，复合粉体 材料中引入超声波，因反应体系中存在很多 高温、高压的“微反应器”，可使水产生氢自 由基H 和H p ，“o ，。O H 和H p 的存 在，可将C u 氧化为C u ，从而抑制副产物 C u 2 0 的形成．同时，超声产生的速度很快的 微小射流有利于加速质量传递，从而既加速 了C u 2 被还原成金属铜反应的进行，又强化 了搅拌，有利于脱除反应过程中产生的氢 气．此外超声的空化效应打断了正常发育的 晶粒，使之成为新的、更小的晶核，有利于镀 层晶粒变小及使晶粒迅速而平缓地沉积在 A l o 、颗粒表面“”．在超声辐照下进行化学 镀铜，可有效地改善镀层的质量。获得晶粒 度小、铜与A l p ，颗粒界面粘结性好，厚度均 匀的表面铜层。而非超声条件下，A l ，o ，颗 粒表面铜层厚度不够均匀。有的部位铜层呈 断续状，少量颗粒无铜层，并有游离金属C u 出现． 万方数据 3 ．2 超声波在浸出过程中的应用 超声波已成功地应用于氰化堆浸提金 中，使浸出时间由2 4 h 缩短到1 2 h ，金浸出率 提高5 ％～2 0 ％“”．对于铜的高价铁盐浸出 体系，由于超声波空化作用产生的微射流削 弱或减弱了边界层，加大了传质速率，破坏 或溶解了铜粒表面的钝化膜和元素硫阻力 膜，使铜粒表面裸露出来，因而大大加速了 锕的溶解过程．铜浸出率提高5 ％～1 0 ％“9 ． 3 ．3 超声波改变材料特性⋯ 英国考文垂大学超声波研究中心借助高 能超声波来分开然后挤压材料分子．通过在 分子水平上对材料进行操作，使材料获得各 种新的特性．该中心研究人员指出．超声波 可使材料内部产生各种扰动，从而对固体或 液体材料形成。搅拌”效应。引发材料内部 产生化学反应．可以用来获得特殊的微型涂 敷粉粒材料或去除某些材料中的疵点．超声 波技术在纳米尺度材料制造等领域都将有很 大的应用潜力，有可能会给材料科学研究带 来诸多新的变革． 3 ．4 超声强化萃取 BP e s i c 等人“o 研究了超声场对镍的萃 取过程的强化．结果表明，超声场的引入将 明显提高镰的萃取速率．然而，与机械搅拌 相比较。萃取率并没有发生变化．这说明， 超声场强化了该动力学过程．但是，超声场 对钴的萃取过程的影响却有所不同，不仅加 快了萃取速率．而且使最终的萃取率明显提 高．BP e s i c 等人认为这是由于超声场的介 入使C 0 2 氧化成C o ”，改变了原有的平衡 关系． 4 结论与展望 1 超声波利用声能量与物质问的独特 作用方式超声空化，在某些情况下能缩 短反应诱导时问，减少某些经典反应步骤． 加速反应过程，提高反应率，避免某些副反 应，降低反应条件以及进行一些用传统方法 难以实现的反应． 2 开拓高效、节能、降耗的工艺过程，有 可能利用超声场的强化得以实现． 3 声空化的形成，状态及强度与声参 数、介质的物理化学性质以及周围环境有 关。 参考文献 lS u s l i c kKS ．U l t r a s o n i c s ．1 9 9 0 , 2 8 5 2 7 9 2M a s o nTJS o n o c h e m i s t r y ，1 9 9 0 3 应学福．超声学．北京科学出版社，1 9 9 0 4S u s l i c kKS 。H a m m e r t o nDA ．c ta ／．J ．A m ． C h e m ．S o c ．，1 蛾。l 明。5 6 4 l 5C r u mLA ．P h y s ．T o d a y ，1 9 9 4 , 9 2 2 6B a r b e rBP ，P u t t e r m a nSJ ．N a t u r e ，1 9 9 1 ， 3 5 2 3 1 8 7M a s o nTJa n dL o r i m c rJP ．S o n o c h e m i s t r y T h e o r y ，a p p l i c a t i o n sa n du s eo fU l t r a s o u n di n C h c m i s t r y ．H a I s t e dp r e s s ．1 9 8 8 8 秦炜，原永辉，戴猷元．化工进展．1 9 9 5 ，1 1 9 冯若．李化茂．声化学及其应用．安t 科技出版 社。1 9 e P _ , 5 3 l O 林仲茂．应用声学．1 9 9 3 ，1 2 1 1 l l 周骏．赵逸云，其威等．应用化学．1 9 9 9 , 2 9 9 1 2 赵逸云、冯若、杨晓云等．声学技术，1 9 9 8 ，l 1 2 1 3Z h a oY i y u n ，B a oC i g u a n g ，F e n gR u oe t a 1 ．U l t r a s o n i c sS o n o c h c m i s t r y ，1 9 9 5 ，2 2 9 9 1 4赵逸云，冯若，鲍慈光等．化学通报，1 9 9 6 9 l 1 5 孙家寿．罗惠华等．湿法冶金，1 9 9 9 , 0 2 2 1 6 杨晓蝉．现代材料动态，1 9 9 9 , 3 2 9 1 7P e s i cB ta 1 ．M c t a l l u r g i c a lT r a n s a c t i o nB ， 1 9 9 2 , 2 3 B 1 3 万方数据