Ce este tratamentul sonochimic cu ultrasunete? Ce fel de funcție are?

Esența efectului sonochimic ultrasonic este cavitația, care include trei pași: apariția nucleelor ​​de gaz, creșterea microbulelor și izbucnirea microbulelor. Sub acțiunea ultrasunetelor, fluidul suferă o mișcare rapidă. Datorită modificărilor presiunii acustice, solventul este comprimat și puțin afectat. În regiunea de fază rară a ultrasunetelor, cavitatea gazului se extinde și crește, umplând vaporii sau gazul lichid din jur. În regiunea fazei comprimate, pungile de aer se prăbușesc și se rup rapid, producând un număr mare de microbule care pot servi apoi ca noi nuclee de gaz.
Motivul principal pentru influența ultrasunetelor asupra reacțiilor chimice este că aceste microbule pot genera unde de șoc puternice atunci când cresc și se rupe brusc. Se estimează că atunci când microbulele izbucnesc, în spațiul local poate fi generată o presiune de până la megabari, cu o temperatură centrală de 104-106K. Explicația efectului câmpului de ultrasunete nu a intrat încă la nivel molecular, dar rămâne la nivelul mecanismului mecanic al populației moleculare.
De exemplu, efectul de cavitație și curățare pe suprafețe solide; Efectul emulsionant al lichidelor nemiscibile; Impactul temperaturii și presiunii ridicate cauzate de undele de șoc în microspațiu asupra transferului de masă și energie în timpul izbucnirii microbulelor.
Reacțiile chimice cu ultrasunete pot fi împărțite în două categorii în funcție de mediu: ① sonochimia în faza apoasă. Sub acțiunea ultrasunetelor, apa se descompune în radicali hidroxil și atomi de hidrogen, care pot declanșa o serie de reacții chimice.
Halogenurile organice, cum ar fi CH2Cl2, CHCl3 și CCl4, suferă acțiune ultrasonică în medii apoase, determinând ruperea legăturilor hidrogen hidrogen și generând radicali liberi. Studiile privind sonochimia biomoleculelor, cum ar fi proteinele și enzimele, au arătat că reacțiile sonoredox sunt mecanismul principal care duce la multe produse simple, cum ar fi sonochimia în faze lichide neapoase. Activitatea de cercetare în acest domeniu este încă în stadii incipiente.

Rolul sonochimiei cu ultrasunete:

Când ultrasunetele se propagă în medii lichide, generează o serie de efecte precum mecanică, termodinamică, optică, electronică și chimie prin efecte mecanice, de cavitație și termice. În special, ultrasunetele de mare putere pot genera cavitație puternică, ducând la o temperatură ridicată instantanee, presiune înaltă, vid și formare de microjet la nivel local.
Tehnologia cu ultrasunete, ca mijloc fizic și instrument, poate genera o serie de condiții aproape extreme în mediile de reacție chimică utilizate în mod obișnuit. Această energie poate nu numai să stimuleze sau să promoveze multe reacții chimice, să accelereze viteza reacțiilor chimice, dar și să schimbe direcția anumitor reacții chimice, producând efecte neașteptate și miracole. În general, se crede că apariția fenomenelor de mai sus se datorează în principal efectelor mecanice și de cavitație ale ultrasunetelor, care modifică, ca urmare, condițiile de reacție și mediul înconjurător.
Acțiune mecanică - introducerea ultrasunetelor într-un sistem de reacție chimică, ultrasunetele pot determina substanțele să sufere o mișcare forțată intensă, să genereze forță unidirecțională pentru a accelera transferul și difuzia substanțelor, să înlocuiască agitarea mecanică, pot provoca desprinderea substanțelor de pe suprafață și, astfel, actualizarea interfata.
Efectul de cavitație - În unele cazuri, generarea efectului ultrasonic este legată de mecanismul de cavitație. Cavitația ultrasonică se referă la o serie de procese dinamice care apar sub acțiunea undelor ultrasonice, inclusiv oscilația, expansiunea, contracția și chiar prăbușirea bulelor mici (găuri) existente în lichid. În punctul de cavitație, starea locală a lichidului suferă modificări semnificative, rezultând temperaturi extrem de ridicate și presiune ridicată. A oferit un mediu fizic și chimic nou și foarte special pentru reacțiile chimice care sunt dificil sau imposibil de realizat în condiții generale
Reacție chimică catalitică--
① Condițiile de temperatură ridicată și presiune înaltă sunt propice pentru cracarea reactanților în radicali liberi și carbon divalent, formând specii de reacție mai active;
② Undele de șoc și microjeturile au efecte de desorbție și curățare pe suprafețele solide (cum ar fi catalizatorii), care pot elimina produsele de reacție de suprafață sau intermediarii, precum și straturile de pasivare de pe suprafețele catalizatorului;
③ Undele de șoc pot deteriora structura reactanților;
④ Sistemul de reactivi dispersați;
⑤ Cavitația cu ultrasunete erodează suprafața metalică, provocând deformarea rețelei metalice și formarea de zone de deformare interne, sporind astfel reactivitatea chimică a metalului;
⑥ Promovarea pătrunderii solvenților în interiorul solidelor, rezultând așa-numitele reacții de incluziune;
⑦ Îmbunătățiți dispersia catalizatorului;

Aplicarea sonochimiei cu ultrasunete:

Sonochimia cu ultrasunete poate fi aplicată la aproape toate reacțiile chimice, cum ar fi extracția și separarea, sinteza și degradarea, producția de biodiesel, tratarea microbiană, degradarea poluanților organici toxici, tratamentul de biodegradare, zdrobirea celulelor biologice, dispersia și agregarea etc.

◆ Extracția din medicina tradițională chineză: se referă la zdrobirea (fragmentarea) cu ultrasunete a celulelor din medicina tradițională chineză pentru a obține o extracție eficientă a substanțelor utile. În comparație cu tehnicile tradiționale de extracție, extracția asistată cu ultrasunete are avantaje precum viteza rapidă, cost redus, eficiență ridicată, siguranță, cost redus și aplicabilitate largă.

◆ Producția de biodiesel: uleiul din biomasă este preparat prin emulsionare cu ultrasunete – loțiunea de motorină dispersează de fapt picăturile de ulei bio într-un alt fluid diesel nemiscibil. În comparație cu alte tehnologii, picăturile preparate pot fi dispersate fin, cu distribuție îngustă, eficiență ridicată, efect de dispersie bun și pot crește stabilitatea loțiunii.

◆ Organisme anti-marine cu ultrasunete: Pe baza efectului de cavitație al ultrasunetelor, atunci când miezul microbulei din lichid este activat de ultrasunete, acesta prezintă o serie de procese dinamice, cum ar fi oscilația, creșterea, contracția și colapsul bulelor. Bulele din lichid generează sute de atmosfere și mii de grade Celsius de temperatură ridicată în momentul ruperii, determinând aderența organismelor marine să se desprindă rapid și să le zdrobească celulele epidermice, atingând astfel obiectivul de prevenire a organismelor marine.

◆ Cataliza cu ultrasunete: Ultrasunetele se aplică proceselor de reacție catalitică, care pot simula reacții la temperatură înaltă și la presiune înaltă în reactoare la scară microscopică, oferind un mediu fizic și chimic foarte special pentru reacțiile catalitice care sunt dificil sau imposibil de realizat în general. conditii. Reacțiile catalitice pot fi efectuate în medii mai blânde. Poate îmbunătăți și mai mult viteza de reacție, poate scurta timpul de reacție și poate crește randamentul produsului țintă. Principalele aplicații includ cataliza suprafeței metalului, cataliza cu transfer de fază, cataliza enzimatică etc.

Dispersia ultrasonică: se referă la procesul în care lichidul este utilizat ca mediu, iar acțiunea undelor ultrasonice în lichid dispersează și dezasambla particulele prin cavitație. Dispersia cu ultrasunete poate fi împărțită în dispersie de loțiune (dispersie lichid-lichid) și dispersie de suspensie (dispersie solid-lichid), care au fost aplicate în multe domenii. Aplicarea dispersiei ultrasonice în suspensie este, de asemenea, dispersată în apă sau solvenți în industria vopselei, coloranți în parafină topită, particule de medicament în industria farmaceutică și industria alimentară, printre altele.