Главная | О нас | Обратная связь Автоматизация Автостроение Антропология Археология Архитектура Астрономия Предпринимательство Биология Биотехнология Ботаника Бухгалтерский учет Генетика География Геология Государство Демография Деревообработка Журналистика и СМИ Зоология Изобретательство Иностранные языки Информатика Информационные системы Искусство История Кинематография Кораблестроение Кулинария Культура Лексикология Литература Логика Маркетинг Математика Математический анализ Материаловедение Машиностроение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика ОБЖ Охрана Труда Педагогика Политология Правоотношение Программирование Производство Промышленность Психология Радио Разное Социология Спорт Статистика Строительство Теология Технологии Туризм Усадьба Физика Физиология Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электротехника КЛАССИФИКАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РЕАКЦИЙ 2019-07-04 355 Обсуждений (0) КЛАССИФИКАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РЕАКЦИЙ 0.00 из 5.00 0 оценок Скачать документ 12Следующая ⇒ ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ   Химико-технологический факультет   РЕФЕРАТ     по курсу " Методы активации химических процессов " на тему: ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ИНТЕНСИФИКАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ     Выполнил: ст. гр. МАГ- V Нагорный О.В. Проверила: к.х.н. Глушанкова И.С. Пермь, 2000 ВВЕДЕНИЕ   Для интенсификации технологических процессов применяют различные физические факторы воздействия, в частности акустические колебания. Изучением взаимодействия мощных акустических волн с веществом и возникающих при этом химических и физико-химических эффектов занимается звукохимия. Изначально вопросы такого рода относились к одному из разделов акустики, однако со временем данный раздел настолько разросся, что стал самостоятельной областью науки, из которого в свою очередь, выделились молекулярная акустика и квантовая акустика. Молекулярная акустика изучает взаимодействие слабых акустических волн с веществом, которое обычно не приводит к химическим реакциям в среде. Взаимодействие звуковых квантов – фононов – друг с другом, с ядрами атомов и с электронами является объектом исследования квантовой акустики. Акустические колебания с частотой выше 20 кГц условно принято называть ультразвуковыми, от 15 Гц до 20 кГц – звуковыми, а ниже 15 Гц – инфразвуковыми. В молекулярной акустике используют гиперзвуковые колебания с частотой выше 1 гГц, однако, в звукохимии их не применяют. Химическое действие акустических колебаний отличается большим разнообразием. Звуковые и ультразвуковые волны могут ускорять некоторые химические реакции за счет: - эмульгирования некоторых жидких компонентов; - диспергирования твердых компонентов реакции или катализаторов; - дегазации, предотвращения осаждения или коагуляции продуктов реакции; - интенсивного перемешивания и т.д. Но действие ультразвука, например, на катализаторы нельзя сводить только к тривиальному диспергированию. При определенных условиях обнаруживается повышение активности катализаторов; природа этих эффектов пока недостаточно ясна. Одной из основных задач звукохимии является исследование химических реакций, возникающих под действием акустических колебаний (звукохимических реакций), которые в отсутствии акустических волн не идут, или идут, но медленно. Поэтому главное внимание уделяется звукохимическим реакциям.   О РАЗВИТИИ ЗВУКОХИМИИ   Зарождение и развитие звукохимии было подготовлено обширными исследованиями по акустике и химической кинетике. В 1927 году Ричардс и Лумис обнаружили, что под воздействием ультразвука в водном растворе выделяется молекулярный иод. Это открытие стало отправной точкой для экспериментальных поисков новых звукохимических реакций. В 1933 году Бойте показал, что при действии ультразвука на воду, в которой растворен азот, образуются азотистая кислота и аммиак. Маргулисом, Сокольской и Эльпинером (1964 год) были осуществлены звукохимические реакции стереоизомеризации малеиновой кислоты и ее эфиров в фумаровую, которые идут по цепному механизму. К настоящему времени опубликовано много работ по звукохимическим реакциям. Примеры звукохимических реакций показаны в таблице 1. В этой таблице также приведены величины энергетических выходов звукохимических реакций (число молекул продукта, образовавшихся при затрате 100 эВ химико-акустической энергии. Из таблицы видно, что в случае окислительно-восстановительных реакций энергетический выход составляет несколько молекул, а для цепных реакций достигает тысячи молекул. Таблица 1 Звукохимические реакции   Исходные вещества Выход реакции, число молекул/100 эВ; присутствующий газ Основные продукты реакции   Окислительно-восстановительные реакции Н2O                                                  2.31; О2                         Н2О2   KNO3+H2O                                      0.03; Ar                        KNO2 CH3COOH+H2O                              0.06; N2                 H2N-CH2-COOH   Реакции газов в кавитационной полости N2+H2O                                           1.33                                H2O2                                                             0.3                                   HNO2                                                             0.1                                 HNO3     Цепные реакции СH-COOH + Br2 + H2O               2440; Ar                        HC-COOH çç                                                                                                 çç CH-COOH                                                                          HOOCH   Реакции с участием макромолекул Полистирол+стирол+С6H6     Воздух         Продукты полимеризации   Детонация взрывчатых веществ NCl3                                          Воздух                    Продукты взрыва   Реакции в неводных системах СН3СН + ССl4                               Ar                                   N2, CH4, H2                                                         O2                                CO, CO2, H2O

КЛАССИФИКАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РЕАКЦИЙ

Необходимость классификации ультразвуковых колебаний очевидна. Известно два типа химического действия акустических колебаний. Отсюда выделяют два типа ультразвуковых реакций. К первому относятся реакции, которые ускоряются в ультразвуковом поле, но могут протекать и в его отсутствие с меньшей скоростью. К этой группе эффектов можно отнести ускорение гидролиза диметилсульфата и персульфата калия, разложение диазосоединений, ускорение эмульсионной полимеризации, окисление альдегидов, изменение активности катализаторов, например, катализаторов Циглера в процессе полимеризации.

Ко второй группе эффектов относятся реакции, которые без воздействия ультразвуковых колебаний не протекают совсем. Реакции этого типа в зависимости от механизма первичных и вторичных элементарных процессов, можно разделить на следующие шесть классов:

1) Окислительно-восстановительные реакции, которые идут в жидкой фазе между растворенными веществами и продуктами ультразвукового расщепления воды, возникающими в кавитационных пузырьках и переходящими в раствор после их схлопывания;

2) Реакции между растворенными газами и веществами с высокой упругостью пара внутри кавитационных пузырьков (эти реакции не могут осуществляться в растворе при воздействии радикальных продуктов расщепления воды);

3) Цепные реакции в растворе, которые индуцируются не радикальными продуктами расщепления, а каким либо другим веществом, присутствующим в системе и расщепляющимся в кавитационной полости;

4) Реакции с участием макромолекул, например, деструкция молекул полимера и инициированная его полимеризации, которые могут идти и при отсутствии кавитации. В этом случае значительную роль могут играть высокие градиенты скоростей и ускорения, возникающие под действием ультразвука, микропотоки;

5) Инициирование взрыва в жидких или твердых взрывчатых веществах. Для этих процессов весьма важно возникновение ударных волн и высокиих температур при схлопывании кавитационных пузырьков, а также возможных кумулятивных струй;

6) Звукохимические реакции в неводных средах. Примерами таких реакций могут служить:

- отщепление тетрахлоридом углерода под действием ультразвука хлора.

- Также ультразвуковые волны в безводной среде инициируют многие реакци с участием кремнийорганических соединений. Алкилсилоксаны взаимодействуют в ультразвуковом поле с хлористым тионилом:

Например, если R – CH₃, за два часа воздействия ультразвука образуется 27.5 % (CH₃)₃SiCl.

Хлорсиланы под действием ультразвука реагируют с литием, при этом получают высокий выход дисиланов по по общей схеме:

Процессы, отражаемые приведенными реакциями, используют в технологии синтеза полупроводниковых материалов.

КАВИТАЦИЯ

Инициирование большинства звукохимических реакций в водном растворе под действием акустических колебаний обусловлено возникновением кавитации. Кавитация это нарушение сплошности жидкости, связанное с образованием, ростом, осцилированием и схлопыванием парогазовых пузырьков в жидкости. Необходимо отметить, что сплошность среды нарушается только при достижении некой пороговой частоты звуковых колебаний.

Очевидно, что лишь часть энергии ультразвуковых волн, распространяющихся в жидкости, расходуется на образование кавитационных пузырьков.

Остальная часть идет на возникновение микропотоков, нагревание жидкости, образование фонтана и распыление жидкости.

Энергия схлопывающихся пузырьков расходуется на излучение ударных волн, на локальный нагрев газа, содержащегося в сжимающихся кавитационных полостях, на возбуждение сонолюминисценции, на образование свободных радикалов, а также на создание шума (см. рис. 1).

                                                                        Е_к                 Е_сл

    Е_пс    Е_кк      Е_пр     Е               Е_мп               Е_ха  

                                                                       Е_н                 Е_ув

                                                                        Е_ф                Е_ш

Рис.1. Схема распределения энергии при озвучивании объема жидкости

Е_пс - энергия потребляемая из сети; Е_кк - энергия, возникающая в колебательном контуре генератора; Е_п - энергия излучаемая преобразователей; Е - общая энергия; Е_к - энергия, затраченная на создание кавитации; Е_мп - энергия образования микропотоков; Е_н - энергия, расходуемая на нагревание жидкости; Е_ф - энергия образования фонтана и распыление жидкости; Е_сл - энергия возбуждения сонолюминесценции; Е_ха - химикоакустическая энергия (энергия образования свободных радикалов); Е_ув - энергия ударных волн; Е_ш - энергия возникновения шума.

Чем к более дальнему правому краю цепочки будет отнесен энергетический выход реакции, тем больше можно извлечь данных о природе первичных элементарных актов (например, относить энергетический выход к Е_пс не имеет смысла, хотя Е_пс очень легко измерить).

В настоящее время количественно учесть вклад каждого из этих компонентов энергетических затрат в процессе образования радикальных продуктов расщепления воды не представляется возможным.

Но необходимость оценки энергетического выхода ультразвуковых реакций назрела уже давно.

Для оценки химической активности ультразвукового поля Розенберг ввел понятие химикоакустического КПД (h_ХА) как произведение степени кавитационного использования акустической энергии a на коэффициент химической активности кавитации c:

где Е – акустическая энергия, вводимая в жидкость; E_K – акустическая энергия, затрачиваемая на образование свободных радикалов, которая называется химико-акустической энергией.

2019-07-04

355

Обсуждений (0)

КЛАССИФИКАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РЕАКЦИЙ 0.00 из 5.00 0 оценок

Скачать документ