II .2. Применение ультразвука в промышленности

Лекции 19-21

ХИМИЯ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ (4.7)

(ХИМИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР, ХИМИЯ В ВЫСОКИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ

ПОЛЯХ, ХОЛОДНЫЙ ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ, ХИМИЯ УЛЬТРАЗВУКА И ДР.).

План

I. Новые области химии

II. Ультразвуковая химия

II.1. Механизм воздействия ультразвука на жидкость

II.2. Применение ультразвука в промышленности

III.Холодный ядерный синтез и низкоэнергетические ядерные реакции

III.1. История исследований

III.2. Современное состояние и перспективы развития исследований низкоэнергетических ядерных реакций.

IV. Лазерная химия

IV.1.Взаимодействие лазерного излучения с веществом

IV.2. Лазерная абляция компактных мишений

IV.3.Лазерная абляция микрочастиц

IV.4. Лазерные импульсы и ударные волны

V. Химия в высоких гравитационных полях

VI.Xимия низких температур

VI.1. Достижение низких температур в лабораторной практике и промышленности

VI.2. Применение холода в химии и химической технологии

VI.3. Методы криохимии

VI.4.О возможности существования отрицательных значений энергии активации.

VI.5. Актуальные задачи химии низких температур

VI.6. Криохимическая технология твердофазных материалов

VI.7. Химия сверхнизких температур

I . Новые области химии

Бурное развитие естественных наук, опирающееся прежде всего на существенное расширение технических возможностей проведения исследований, которое наблюдается в последние десятилетия, а также тесное переплетение достижений химии, физики, биологии и других областей естествознания привели к тому, что во второй половине XX века появились такие новые области химии, как лазерная химия, плазмохимия, фотохимия, химия высоких давлений. В настоящее время значительный интерес представляет исследование реакций протекающих в экстремальных и даже экзотических условиях: сильных электрических и магнитных полях, сверхвысоких давлениях и сдвиговых деформациях, мощных световых полях, сравнимыех по напряженности с электрическими полями внутри молекул, суперкритических условиях, мощных гравитационных, звуковых и микроволновых полях и т.д.

II . Ультразвуковая химия

II .1. Механизм воздействия ультразвука на жидкость

Ультразвуковая химия основана на воздействии ультразвука на химические реакции и процессы. Механизм звукохимического действия в жидкостях основан на явлении ультразвуковой кавитации.

Кавитация – это «образование, рост и имплозивное разрушение пузырьков в жидкости». Резкое (имплозивное) разрушение пузырьков вызывает резкий (> 10⁹ К / сек) локальный разогрев жидкости (~ 5000 К), резкое повышение давления (~ 1000 атм) и образование быстрых потоков жидкости (~ 400 км/ч). Кавитационные пузырьки состоят из вакуума. Вакуум создается быстро движущейся поверхностью с одной стороны и инертной жидкостью с другой. Интенсивность ускорения является одним из наиболее важных факторов, влияющих на эффективное преобразование энергии в кавитацию. Большее ускорение создает более сильный перепад давления, повышая вероятность образования вакуумных пузырьков, служит для преодоления целостности и сил притяжения в жидкости. Таким образом, чем больше ускорение, тем большая доля потребляемой энергии преобразуется в кавитацию.

Современные исследования показали, что ударная волна, рождённая схлопыванием, движется со скоростью в 4 раза большей скорости звука. Кроме того, при схлопывании кавитационных пузырьков наблюдается генерация света (сонолюминесценция) за образование которой отвечает горячая плазма с временем жизни не более 100 пикосекунд и температурой, достигающей по теоретическим оценкам 25000 К. Полученные результаты не отвечают на вопрос, какова реальная температура образующейся плазмы, но намечают пути решения этой пока открытой проблемы.

Кавитация может создаваться с применением различных способов и средств: сопла Вентури (сужающееся-расширяющееся дозвуковое реактивное сопло), высоконапорного сопла, вращения с высокой скоростью или ультразвуковых трансдукторов.

В случае применения ультразвукового трансдуктора интенсивность ускорения определяется амплитудой ультразвуковых колебаний. Большее значение амплитуды приводит к более эффективному образованию кавитации.

В отличии от тепловой энергии, вызывает броуновское движение молекул механическая энергия ультразвука придает единое направление движению частиц. При ультразвуковой обработке продукты, полученные в результате химических реакций, часто отличаются от прогнозируемых согласно правилам орбитальной симметрии. Например, в реакциях раскрытия циклов цис- и транс-изомеры образуются в равных количествах, хотя согласно прогнозу, должен был транс-изомер.

II .2. Применение ультразвука в промышленности

Широкое распространение получили ультразвуковые технологии, как высокотехнические и экологически безопасные процессы, в разных отраслях промышленности. Особого внимания заслуживают широкие возможности применения таких технологий в фармацевтике, химии, биотехнологии и экологическом инжиниринге.

Промышленные установки могут генерировать ультразвуковые колебания амплитудой до 115 мкм. Большие значения амплитуды позволяют обеспечить высокий коэффициент передачи энергии, позволяя в свою очередь создавать колебания высокой удельной мощности 100 Вт/см ³ и более. Использование ультразвукового оборудования дает превосходные результаты в промышленных процессах.

1.Приготовление смесей, гомогенных растворов, эмульсий, взвесей и дисперсий из различных продуктов. Например, ультразвук используют для получения бензиновых водно-спиртовых смесей, коллоидных растворов серебра, меди, золота, насыщения среды кислородом или озоном.

2. Удаление пен из жидкостей.

3. Удаление газообразных и летучих веществ из жидкостей. Например, с помощью ультразвука выполняют дегазацию различных сред: водных растворов, масел, органических растворителей.

4. Удаление сильнопахнущих легколетучих веществ из растительных продуктов.

5. Ультразвук применяется для специфической активации (или деактивации) различных ферментов.

6. Дезинфекция водных растворов путем рассеивания скоплений бактерий и снижения уровня бактерицидных агентов.

7.Активизации и ускорения разнообразных как гомогенных так и гетерогенных процессов в химии, нефтехимии и биотехнологии. Например, при применении ультразвука различной мощности наблюдается увеличение скорости реакции меди с хлорбензолом в 2-5 раз.

8. Уменьшение размера частиц минералов, порошков, красок и лаков. Например, уменьшают в размерах частицы шоколада для приготовления ликеров.

9. Ультразвуковая кристаллизация веществ из водных растворов и расплавов.

10. Очистка питьевой воды от водорослей и других биологических культур.

11. Синтез, деструкция  и модификация полимеров.

12. Очистка сточных вод путем ультразвукового лизиса загрязняющих органических веществ.

13. Получение субмикро- и нанопорошков металлов. Ультразвуковой метод изготовления субмикропорошков различных переходных металлов заключается в дроблении струи расплава за счет вибрации инструмента, соединенного с магнитно-стрикционным преобразователем. Метод позволяет получать порошки высокой чистоты, при частоте 22 и 44 kHz со средним размером частиц от 20 до 50 мкм. Производительность метода от 10 до 30 кг/час. Метод отличается высокой однородностью частиц по размерам и сферичностью частиц.

В настоящее время сделаны сообщения о возможности получения с помощью ультразвуковых колебаний большой мощности сверхгорячей плазмы с температурой 15 млн. градусов. Реализация этих идей позволит осуществлять термоядерный управляемый синтез в жидких средах.