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技術(shù)文章

超聲波樣品處理技術(shù)在化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域的應(yīng)用



超聲波樣品處理技術(shù)在化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域的應(yīng)用
超聲波對(duì)目標(biāo)化學(xué)樣品處理，主要利用超聲空化現(xiàn)象。空化泡崩潰產(chǎn)生局部的高溫、高壓和強(qiáng)烈的沖擊波及射流，為在一般條件下難以實(shí)現(xiàn)或不可能實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)提供了一種新的非常特殊的物理化學(xué)環(huán)境，它是一門新興的聲學(xué)與化學(xué)邊緣交叉學(xué)科。大量實(shí)驗(yàn)證明超聲波可廣泛應(yīng)用于各種反應(yīng)，包括：
(1)合成化學(xué)方面，特別是超聲波催化在有機(jī)合成中應(yīng)用研究發(fā)展很快，主要研究對(duì)象是多相反應(yīng)，特別是有機(jī)金屬。超聲波使表面活化，有可能代替相轉(zhuǎn)移催化劑(PTC)反應(yīng)。包括金屬表面參與的反應(yīng)(如加速催化反應(yīng))、粉末狀固體顆粒參與的反應(yīng)、乳化反應(yīng)、均相反應(yīng)。
(2)高聚物化學(xué)方面，通過超聲波破碎儀進(jìn)行樣品處理，如聚合反應(yīng)、高分子降解反應(yīng)。
(3)電化學(xué)方面，將超聲波破碎儀直接引入電鍍槽，由于空化作用，增加了沉積速率，提高電流密度。
(4)分析化學(xué)。超聲波催化已成為許多有機(jī)金屬化合物的常規(guī)合成技術(shù)。如在格氏試劑的合成中，傳統(tǒng)方法需使用經(jīng)嚴(yán)格干燥的乙醚，且需加入少量碘作誘導(dǎo)劑。而在超聲輻射下，該反應(yīng)可用普通試劑級(jí)乙醚而無需干燥，反應(yīng)的誘導(dǎo)期也縮短到幾秒。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)格氏試劑的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。將超聲波輻射用于均相和非均相催化反應(yīng)能不斷剝除催化劑表面吸附的反應(yīng)物，暴露出新的催化面，從而有效地保持了催化劑的活性，例如，美國(guó)Moulton利用超聲使豆油的催化加氫加快了100多倍；用鎳粉作催化劑的烯烴加氫反應(yīng)經(jīng)超聲輻射后，反應(yīng)速度可加快十多萬倍，這一發(fā)現(xiàn)將對(duì)石油化工產(chǎn)生重大影響。目前在電鍍中使用超聲波，實(shí)際上是超聲在電化學(xué)中應(yīng)用的一個(gè)例子，將超聲波輻射用于電化學(xué)過程，可保持電極的清潔、使電極表面脫氣、同時(shí)還能改善傳質(zhì)，這些優(yōu)點(diǎn)使得電化學(xué)過程更為有效，可以改進(jìn)鍍層的附著性、硬度和光潔度等，并使電鍍可在較低的電流密度下完成，電鍍速度明顯提高。近年來，在固態(tài)核磁共振技術(shù)中超聲輻射已被用來使譜線變窄，這一技術(shù)被稱為聲致變窄(SIN)，它比磁角自旋MAS技術(shù)更方便實(shí)用。例如，用20kHz的超聲輻射懸浮于四氯化碳中的硫酸鋁，其Al四極共振光譜的半峰寬為170Hz，而用MAS技術(shù)所得的同一譜線的半峰寬則為660Hz。超聲波脫氣，在氣相色譜中用超聲脫氣改進(jìn)固定相涂布的均勻性已成為常規(guī)操作。影響超聲化學(xué)反應(yīng)的參數(shù)很多，主要包括工作頻率、強(qiáng)度、功率、輻射時(shí)間、波形、反應(yīng)介質(zhì)溫度、大氣壓強(qiáng)等。例如在合成化學(xué)中超聲頻率一般選在幾十kHz，在聚合化學(xué)中超聲頻率一般在1MHz以下，但聲強(qiáng)一般大于5W/cm
2。
還可應(yīng)用于化工領(lǐng)域的許多方面。如超聲波破碎應(yīng)用于膜分離中,有明顯加速傳質(zhì)和去濃差極化作用，可以提高膜分離的分離效率；應(yīng)用于污水處理，可以有效的將其中的有機(jī)物質(zhì)分離出來，并能將廢水中的有害物質(zhì)分解；在發(fā)酵過程中，超聲波能夠促使細(xì)胞中的生物酶很快釋放到細(xì)胞外，從而較大程度的提高發(fā)酵液的總體酶活性，相應(yīng)提高了底物的轉(zhuǎn)化率；用于熱敏物質(zhì)的干燥不必升溫就可以將水從固體中除去，加快干燥速度和降低固體中殘留水含量；用于制備微泡、焊接等等。
*8 結(jié)論*
目前超聲波技術(shù)在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于初期階段，而且各種應(yīng)用發(fā)展并不平衡，如超聲波清洗等，其發(fā)展規(guī)模越來越大，而其他一些功率超聲技術(shù)，如超聲波加工、超聲波提取等，幾十年規(guī)模變化不大，許多作用規(guī)律還有待于進(jìn)一步探索與總結(jié)。因?yàn)橐环N新的超聲技術(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)期(包括中試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn))可能投入、風(fēng)險(xiǎn)都比較大，所以不同領(lǐng)域的應(yīng)用需要相關(guān)企業(yè)共同參與開發(fā)研究，甚至需要政府的投入和支持，只有這樣才能及時(shí)將高效節(jié)能的超聲技術(shù)和方案付諸實(shí)際工程，加速產(chǎn)業(yè)化。由于超聲波的引入給化學(xué)化工領(lǐng)域注入了新的活力，產(chǎn)生了許多普通方法不能產(chǎn)生的效果，設(shè)備簡(jiǎn)單，無二次污染，所以發(fā)展前景是十分可觀的。
 

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