Использование ультразвука в интенсификации химических процессов

Ультразву́к - звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемым человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 Герц. Высокочастотные колебания, используемые в промышленности обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, используются механические источники ультразвука [7].

Воздействие ультразвука на химические и физико-химические процессы, протекающие в жидкости, включает: инициирование некоторых химических реакций, изменение скорости, а иногда и направления реакций, возникновение свечения жидкости (сонолюминесценция), создание в жидкости ударных волн, эмульгирование несмешивающихся жидкостей и коалесценцию (слияние частиц внутри подвижной среды или на поверхности тела) эмульсий, диспергирование (тонкое измельчение твёрдых тел или жидкостей) твердых тел и коагуляцию (объединение мелких диспергированных частиц в бо́льшие по размеру агрегаты) твердых частиц в жидкости, дегазацию жидкости и т.д. Для осуществления технологических процессов используют ультразвуковые аппараты [2].

Влияние ультразвука на различные процессы связано с кавитацией (образованием в жидкости при прохождении акустической волны полостей (кавитационных пузырьков), заполненных газом, паром или их смесью) [4].

Химические реакции, возникающие в жидкости под действием ультразвука (звукохимические реакции), можно условно подразделить на: а) окислительно-восстановительные, реакции, протекающие в водных растворах между растворенными веществами и продуктами разложения молекул воды внутри кавитационного пузырька (H, ОН, , ), например:

(1)

б) Реакции между растворенными газами и веществами с высоким давлением пара, находящимися внутри кавитационного пузырька:

(2)

(3)

(4)

в) Цепные реакции, инициируемые не радикальными продуктами разложения воды, а каким-либо другим веществом, диссоциирующимся в кавитационном пузырьке, например, изомеризация малеиновой к-ты в фумаровую под действием Br, образующегося в результате звукохимической диссоциации .

г) Реакции с участием макромолекул. Для этих реакций важна не только кавитация и связанные с нею ударные волны и кумулятивные струи, но и механические силы, расщепляющие молекулы. Образующиеся при этом макрорадикалы в присутствии мономера способны инициировать полимеризацию.

д) Инициирование взрыва в жидких и твердых взрывчатых веществах.

е) Реакции в жидких неводных системах, например, пиролиз и окисление углеводородов, окисление альдегидов и спиртов, алкилирование ароматических соединений и др. [2].

Основная энергетическая характеристика звукохимических реакций - энергетический выход, который выражается числом молекул продукта, образовавшихся при затрате 100 эВ поглощенной энергии. Энергетический выход продуктов окислительно-восстановительных реакций обычно не превышает нескольких единиц, а для цепных реакций достигает нескольких тысяч.

Под действием ультразвука во многих реакциях возможно увеличение скорости в несколько раз (например, в реакциях гидрирования, изомеризации, окисления и др.), иногда одновременно возрастает и выход.

Воздействие ультразвука важно учитывать при разработке и проведении различных технологических процессов (напр., при воздействии на воду, в которой растворен воздух, образуются оксиды азота и ), для понимания процессов, сопровождающих поглощение звука в средах [2].

Заключение

В настоящее время звуковые колебания широко применяются в промышленности, являясь перспективным технологическим фактором, позволяющим при необходимости резко интенсифицировать производственные процессы.

Использование мощного ультразвука в технологических процессах получения и обработки материалов и веществ позволяет:

снизить себестоимость процесса или продукта,

получать новые продукты или повысить качество существующих,

интенсифицировать традиционные технологические процессы или стимулировать реализацию новых,

способствовать улучшению экологической ситуации за счёт снижения агрессивности технологических жидкостей.

Необходимо, однако, отметить, что ультразвук оказывает крайне неблагоприятное воздействие на живые организмы. Для того, чтобы уменьшить такие воздействия, ультразвуковые установки рекомендуется размещать в специальных помещениях, используя для проведения технологических процессов на них системы дистанционного управления. Большой эффект дает автоматизация этих установок [3].

Более экономичный способ защиты от воздействия ультразвука заключается в использовании звукоизолирующих кожухов, ко­торыми закрываются ультразвуковые установки, или экранов, располагающихся на пути распространения ультразвука. Эти экраны изготавливают из листовой стали или дюралюминия, пластмассы либо из специальной резины.