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1、超声技术及在化学化工中的作用,高分子化学与物理 曹梦,自然界中的超声波,超声波及超声技术,超声波： 超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。,超声技术,超声技术是20世纪发展起来的高新技术，是一种新兴的、多学科交叉的边缘科学，已引起美国、德国、加拿大、日本和中国等国家科技工作者的广泛关注。超声技术的发展给化工、食品、生物、医药等学科的研究开拓了新领域，并从应用上对上述工业产生重大影响。作为声学研
2、究领域的重要组成部分，超声在现代分离技术中的研究也取得一定进展。,超声波的类型,纵波 横波 表面波 板波,表面波主要是指沿介质表面传递，而介质的质点沿椭圆形轨迹振动的波。 表面波是一种瑞利波,表面波,在板厚与波长相当的薄板中传播的波。根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。 SH波：水平偏振的横波在薄板中传播的波。薄板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，相当于固体介质表面中的横波。 兰姆波：兰姆波又分为对称型和非对称型。 对称型兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动，上下表面质点作椭圆运动、振动相位相反并对称于中心。 非对称型兰姆波特点是薄板中心质点作横向振动，上下表面质
3、点作椭圆运动、相位相同。,板波,超声波的特点,超声波可以在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播 超声波可以携带较多的能量 超声波的传播具有方向性 超声波在界面上会产生折射和反射，而且可能会改变振动模式。 超声波在液体中可以产生空化效应 超声波具有多普勒效应,容易衰减（在液体和固体中衰减较小） 传播速度受温度影响 在两种不同介质的界面处反射强烈，在许多场合必须使用耦合剂或匹配材料。 超声波可以聚焦。,超声波的产生机制,电磁振动 磁致伸缩效应 压电效应 静电引力 其它形式的机械振动,超声波的作用机理,机械力学机制、热学机制和空化机制。由于超声波作用的独特性，已日益显示出其在各分离领域的重要性，
4、超声作用于两相或多相体系会产生各种效应，如空化效应、湍动效应、微扰效应、界面效应和聚能效应等。,超声波效应,机械效效应：清洗、加工、抛光 声学效应：超声波探测 热效应：超声波焊接 空化效应：乳化、雾化 化学效应：例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。 生物效应：加快植物种子发芽,空化效应,空化效应在于声空化液体中空腔的形成、振荡、生长收缩及崩溃，以及引发的物理和化学变化。液体声空化过程是集中声场能量并迅速释放的过程。空化泡崩溃时，在极短时间和空化泡的极小空间内，产生5000K以上的高温和大约5.05 108Pa 的高压
5、，速度变化率高达1010K/s ，并伴随产生强烈的冲击波和时速高达400km的微射流，这就为在一般条件下难以实现或不能实现的化学反应，提供了一种新的非常特殊的物理环境，开启了新的化学反应通道。,主要现象：,超声在液体中产生气泡和气泡在强超声作用下的特殊运动。在液体内施加超声场，当超声强度足够大时，会使液体中产生成群的气泡，成为“声空化泡”，这些气泡同时受到强超声的作用，在经历声的稀疏相和压缩相时，气泡生长、收缩、再生长、再收缩，经过多次周期性振荡，最终以高速度崩裂。在其周期性振荡或崩裂过程中，会产生短暂的局部高温、高压、加热和冷却的速率大于1010K/s ，并产生强电场，从而引发许多力学、热学
6、、化学、生物等效应。,影响条件：,反应体系的环境条件会极大地影响空化的强度，而空化强度则直接影响到反应的速率和产率。这些环境条件包括反应温度、液体的静压力、超声辐射频率、声功率和超声强度。 另外，溶解气体的种类和数量、溶剂的选择、样品的制备以及缓冲剂的选择对空化强度也有很大影响。 超声波可改变液体，固体发生化学反应的途径，它所产生的高温、高压可使声化学通过一条不同寻常的途径来促进声能量和物质的相互作用。,特殊优点,超声波能量能加速和控制化学反应，提高反应产率和引发新的化学反应。超声作为一种特殊的能量作用形式，与热能、光能和离子辐射能有显著的区别。 超声空化作用时间短，释放出高能量。 例如，在高
7、温条件下，有利于反应物种的裂解和自由基的形成，从而形成了更为活泼的反应物种，有利于二次反应的进行，提高了化学反应的速率。同时，气泡崩溃时产生的高压，一方面，有利于高压气相中的反应，另一方面，由于高压存在导致的冲击波和微射流现象，在固液体系中起到很好的冲击作用，特别是导致分子间强烈的相互碰撞和聚集，对固体表面形态、表面组成都有极为重要的作用。,超声波的应用,测量：距离、流速、流量、厚度 探测：超声测距、安防探测、医学成像、无损探测、水下声纳、地质勘探、管道检漏、触摸屏 雾化：加湿、盆景、园艺、消毒、 空化：炼油、乳化 清洗：珠宝、首饰、精密零件 加工：磨削、钻孔、抛光、焊接 美容：按摩、洁齿 医
8、疗：结石破碎、医学成像、呼吸医疗 马达：相机镜头、微位移控制 生物：促进种子发芽 化学：加快酒类醇化、加快化学反应速度,超声波线缆测高仪,倒车雷达,超声波雾化器,塑料点焊机,超声波焊接机,多频声化学发生器,超声波驱虫器,超声波圆筒式分散仪,超声马达,涂层测厚仪,美国DeFelsko公司 技术参数: 测量范围: 25-1000m 分辨率: 2m 精度: (2m+3%的读数) 测量速率: 45个读数/秒,超声探伤仪,德国 Krautkramer K.K 公司,医学超声成像,线阵声纳,超声波在化学化工方面的应用,目前，超声波的研究已涉及到化学、化工的各个领域，如有机合成、电化学、光化学、分析化学、无
9、机化学、高分子材料、环境保护、生物化学等，我国的有关学者在超声化学的基础研究和应用研究方面也做了大量的工作。 近年来，超声化学在物质合成、催化反应、水处理、废物降解、纳米材料等方面的研究已成为超声化学重要的应用研究领域。由于声能具有独特的优点，无二次污染、设备简单、应用面广，所以受到人们越来越多的关注，超声化学已成为一个蓬勃发展的应用研究领域。,1.超声波在有机合成中的应用,超声波首次应用于有机化学反应的报道是在1938 年。 80 年代以来，随着声化学的发展，超声波在有机合成中的应用研究呈蓬勃发展之势，已被广泛应用于氧化反应、还原反应、加成反应、取代反应、缩合反应、水解反应等，几乎涉及有机化
10、学的各个领域。第一部声化学应用于有机合成方面的专著Synthetic organic sonochemistry已于1998 年发行,经典案例： a.对羟基苯甲醛在传统的制备方法中收率为58 % ，而在超声波作用下，收率为94 %。 b.超声波还可以使一些难以进行的化学反应得以实现，例如：AthertonTodd 反应是亚磷酸酯在碱存在下于CCl4 溶剂中对胺进行磷酰化，肟和亚胺也能在该条件下进行磷酰化，然而醇却不能进行，在超声波辐射下，醇也能很顺利进行磷酰化，收率86 %92 %。 c.超声波辐射能加速各种有机均相及异相反应，特别是金属参与的反应。如：在芳香族羰基化合物还原偶联成邻二叔醇的反
11、应的传统方法中，反应不仅不易进行，操作麻烦，而且需用过量的金属或还原剂，易引起环境和生物化学问题。 铟在水中有很强的稳定性，在超声波作用下于水溶液中，以铟为还原剂，由芳香醛还原偶合制备邻二叔醇得到很好效果。,2.超声波在催化化学研究中的应用,催化反应包括均相催化反应和多相催化反应。 在反应中，如何使催化剂活化以及长时间地保持催化剂的活性，一直是一个亟待解决的难题。利用超声的空化作用以及在溶液中形成的冲击波和微射流，可提高许多化学反应的反应速度，改善目的产物的选择性，改善催化剂的表面形态，大幅度地提高其活化反应性，提高催化活性组分在载体上的分散性等。研究表明，超声催化能在低温下保持基质的热敏性并
12、增加选择性，得到在光解和普通热解情况下不易得到的高能物种并实现微观水平上的高温高压条件。,超声波对催化反应的作用主要是:,(1) 高温高压条件有利于反应物裂解成自由基和二价碳，形成更为活泼的反应物种； (2) 冲击波和微射流对固体表面(如催化剂) 有解吸和清洗作用，可清除表面反应产物或中间物及催化剂表面钝化层； (3) 冲击波可能破坏反应物结构； (4) 分散反应物系； (5) 超声空蚀金属表面，冲击波导致金属晶格的变形和内部应变区的形成，提高金属的化学反应活性； (6) 促使溶剂深入到固体内部，产生所谓的夹杂反应； (7) 改善催化剂分散性。,3.超声波在电化学研究中的应用,超声在电化学中的
13、应用主要有超声电分析化学、超声电化学发光分析、超声电化学合成、超声电镀等，超声与电化学的结合具有许多潜在的优点:电极表面的清洗和除气；电极表面的去钝化，电极表面的侵蚀；加速液相质量传递；加快反应速率；增强电化学发光；改变电合成反应的产率等。,4.超声波降解作用的应用,超声波降解作用主要指对有机聚合物的降解作用及在水污染物处理过程中的应用。超声技术应用于水污染物中的难降解有毒有机污染物时，主要是当超声波照射水体环境时，其高能量的输出将产生涡漩气泡，而气泡内部的高温高压状态，可将水分子分解生成强氧化性的氢氧自由基，这些自由基对于各种有机物都有很高的反应速率，可将其氧化分解成其它较简单的分子，最终生
14、成CO2 和H2O。 大量的事实表明，声化学处理方法在治理废水中难生物降解有毒有机污染物方面卓有成效。,5.超声波在纳米材料制备中的应用,超声化学法是一种制备特异性能纳米材料的有效途径。 超声波对反应体系的作用主要表现在:利用超声能量进行分散；利用空化过程进行高温分解；利用剪切破碎机理对颗粒尺寸进行控制；利用机械搅动影响沉淀的形成过程。用声化学分解高沸点溶剂中的挥发性有机金属前体时，可以得到具有高催化性能的各种形式的纳米结构材料。在制备方法上主要有:超声雾化分解法、金属有机物超声分解法、化学沉淀法和声电化学法等。 特别在超声电沉积法制备纳米粉体新技术及超声制备无机- 有机纳米复合材料等方面更有
15、其发展前景。,6.超声波在超临界流体化学反应中的应用,利用超临界流体良好的溶解性能和扩散性能，可以很好地改善非均相催化剂的失活问题，但如能加以超声场进行强化，则无疑是锦上添花。超声空化产生的冲击波和微射流不但可以极大地增强超临界流体溶解某些导致催化剂失活的物质，起到解吸和清洗的作用，使催化剂长时间保持活性，而且还有搅拌的作用，能分散反应物系，令超临界流体化学反应传质速率更上一层楼。另外，超声空化形成的局部点高温高压将有利于反应物裂解成自由基，大大加快反应速率。,。,超声化学技术在粮油食品的分析测试、包装、清洗、干燥、乳化、陈化、结晶、分离、萃取、澄清、化学合成、杀菌、酶研究等方面也有其广泛应用
16、前景。,参考文献,1 刘翠娟,杨治伟,慎爱民. 超声化学的发展与应用J佳木斯大学学报:自然科学版,2005,(2):273-277 2 李春喜,王京刚,王子镐等超声波技术在污水处理中的应用与研究进展J环境污染治理技术与设备,2001,(2) 3 John Fuchs FContinuing Developments in Ultrasonic TechnologyJControlled Environments Magazine,2004,(Sep). 4 马素德,钟力生,王薇等超声波技术在高分子合成中的应用研究进展J高分子材料科学与工程,2007,(5):15-18 5 程怀琴,张伟超声波技术在化工中的应用J. 科技传播, 2012,(16) 6 张强,孙昱东,王雪等超声技术在石油加工中的应用J石化技术与应用 ISTIC,2013,31(3),7 李记太,王玉华. 超声波技术在有机合成中的应用J化学试剂,
