تطبيق المعالج بالموجات فوق الصوتية قوية في المجال الكيميائي

تطبيق بالموجات فوق الصوتية قوية في المجال الكيميائي

يُعرف أيضًا باسم & quot؛ التطبيق النشط للموجات فوق الصوتية عالية الطاقة & quot ؛، وهي تقنية تستخدم الموجات فوق الصوتية القوية للعمل في المسألة لتغيير أو تسريع تغيير بعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية أو حالة المسألة. حقق تطبيق الموجات فوق الصوتية القوية في الصناعة الكيميائية تطورات جديدة في السنوات الأخيرة ، مما يدل على احتمال واسع. هذه الورقة تعتزم مراجعة تطبيق قوي جداصوتي في الصناعة الكيميائية ، بهدف جذب الانتباه في المجال الكيميائي للتطبيقات بالموجات فوق الصوتية القوية.

واحدة. نظرة عامة على آلية قوية بالموجات فوق الصوتية

عندما تنتشر شدة معينة من الموجات فوق الصوتية عبر الوسط ، فإنها تنتج سلسلة من الآثار مثل الميكانيكا والحرارة والبصريات والكهرباء والكيمياء. يتم تلخيص هذه الآثار ولها ثلاث وظائف أساسية.

1. العمل الميكانيكي. الموجات فوق الصوتية هي شكل من أشكال انتشار الطاقة الميكانيكية المرتبطة بالعمليات السلبية وتنتج اهتزازات خطية بالتناوب. تنعكس هذه الطاقة الميكانيكية بشكل رئيسي في الاهتزاز ، صدمة التسارع ، وضغط الصوت المعادل لضغط الصوت بين نقاط الكتلة في الوسط. في حالة انتشار 28 كيلو هرتز ، تنتشر كثافة الصوت التي تبلغ 1 وات / سم 2 في الماء ، فإن قيمة ضغط الصوت الناتجة تبلغ 242 كيلو باسكال ، مما يعني أنه يتم توليد 28000 اهتزاز تحت ضغط 242 كيلو باسكال ، وتسريع الكتلة الأقصى يبلغ حوالي 2000 ضعف تسارع الجاذبية. .

2. التجويف. عندما تنتشر شدة معينة من الموجات فوق الصوتية في الوسط السائل ، يتسبب تذبذب وتوسيع وتقلص وانهيار الفقاعات الصغيرة في السائل في حدوث موجة صدمة قوية في السائل بالقرب من الفقاعة ، مما يؤدي إلى ارتفاع شديد في درجة الحرارة وضغط عال من النقطة المحلية ، وفقاعات التجويف. في لحظة الانهيار ، تتولد درجة حرارة عالية تبلغ 5000 كيلو أو أكثر وضغط مرتفع يبلغ حوالي 50mpa في مساحة صغيرة حولها. معدل التغير في درجة الحرارة هو 109k / s ، ويرافقه موجة صدمة قوية و microjet بسرعة 400 كم في الساعة. هذا الجهد العالي الشديد ، وارتفاع درجة الحرارة وعالية يتم إنشاء طائرة من عشرات الآلاف من الإجراءات المستمرة في الثانية الواحدة. يؤدي التجويف بالموجات فوق الصوتية إلى تأثير الاضطراب وتأثير الاضطراب وتأثير الواجهة وتأثير جمع الطاقة. تأثير الاضطراب يجعل الطبقة الحافة أرق ويزيد من معدل نقل الكتلة ؛ تأثير الاضطراب يعزز نشر micropore. تأثير واجهة يزيد من مساحة سطح نقل الكتلة. يعمل تأثير تركيز الطاقة على توسيع الفصل بين جزيئات المادة وتقوية الفصل الكيميائي وتعزيزه ككل. معدل النقل الشامل وتأثير العملية. لذلك ، التجويف هو السمة الأساسية للموجات فوق الصوتية القوية.

3. الحرارة العمل. تنتشر الموجات فوق الصوتية عبر الوسط ، ويتم امتصاص الطاقة الإهتزازية باستمرار بواسطة الوسط إلى طاقة حرارية ، مما يزيد من درجة حرارته. يتم امتصاص الطاقة الصوتية لتسبب التدفئة المحلية في الوسط ، والتدفئة المحلية خارج الحدود ، والتدفئة المحلية عند واجهة الموجة عندما يتم تشكيل الصدمة.

التطبيق الرئيسي

يجب أن يكون التطبيق الأول للموجات فوق الصوتية في الكيمياء الحيوية هو استخدام الموجات فوق الصوتية لتحطيم جدار الخلية لتحرير محتوياته. وقد أظهرت الدراسات اللاحقة أن الموجات فوق الصوتية منخفضة الكثافة يمكن أن تعزز العمليات الكيميائية الحيوية ، مثل تشعيع المواد الغذائية السائلة بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يزيد من معدل نمو خلايا الطحالب ، وبالتالي زيادة كمية البروتين التي تنتجها هذه الخلايا بعامل من ثلاثة.

يتم توسيع كثافة الطاقة في مجال الصوت بالموجات فوق الصوتية بمقدار تريليون مرة مقارنة بكثافة الطاقة في فقاعة التجويف ، مما يسبب تركيزًا كبيرًا للطاقة ؛ ظاهرة سونوكيميائية و تلألؤ سونول الناجمة عن ارتفاع درجة الحرارة العالية والضغط العالي المتولدة عن فقاعة التجويف هو شكل فريد من أشكال تبادل الطاقة والمواد في سونوكيمياء. لذلك ، بالموجات فوق الصوتية على استخراج المواد الكيميائية ، وإنتاج الديزل الحيوي ، والتوليف العضوي ، وعلاج الكائنات الحية الدقيقة ، وتدهور الملوثات العضوية السامة ، ومعدل التفاعل الكيميائي والمحصول ، والكفاءة الحفزية المحفزة ، وعلاج التحلل الأحيائي ، ومكافحة التحجيم بالموجات فوق الصوتية ، والتحلل ، والتشتت والتخثر والتفاعلات الكيميائية الصوتية لها دور متزايد.

اثنين. الكيمياء بالموجات فوق الصوتية

1. بالموجات فوق الصوتية يقوي التفاعل الكيميائي.

بالموجات فوق الصوتية يعزز التفاعلات الكيميائية. القوة الدافعة الرئيسية تأتي من التجويف بالموجات فوق الصوتية. ينتج عن انهيار نواة التجويف درجات حرارة عالية محلية ، وضغوط عالية ، وموجات صدمة قوية و microjets ، مما يوفر بيئة فيزيائية كيميائية جديدة وخاصة للغاية للتفاعلات الكيميائية التي يصعب أو يتعذر تحقيقها في ظل الظروف العادية.

2. رد فعل الحفاز بالموجات فوق الصوتية.

كحقل بحثي ناشئ ، جذبت التفاعل الحفاز بالموجات فوق الصوتية اهتمامًا متزايدًا من الجهات الفاعلة في الصناعة. الآثار الرئيسية للموجات فوق الصوتية على رد الفعل الحفاز هي:

(1) تسهل ظروف درجة الحرارة المرتفعة والضغط العالي انقسام المواد المتفاعلة إلى جذور حرة وكربون ثنائي التكافؤ لتشكيل أنواع تفاعل أكثر نشاطًا ؛

(2) تتميز موجة الصدمة والنفاثة الصغرى بحركة امتصاص وتنظيف على سطح صلب (مثل المحفز) ، ويمكن أن تزيل منتجات التفاعل السطحي أو الوسطيات وطبقة التخميل السطحية المحفز ؛

(3) قد تتسبب موجات الصدمة في تلف بنية المواد المتفاعلة

(4) نظام رد الفعل المشتت ؛

(5) التجويف بالموجات فوق الصوتية لسطح المعدن ، تسبب موجة الصدمة تشوه الشبكة المعدنية وتشكيل منطقة الضغط الداخلية ، وتحسن التفاعل الكيميائي للمعادن ؛

6) مما تسبب في اختراق المذيب في عمق المادة الصلبة ، مما أدى إلى رد فعل إدراج ما يسمى ؛

(7) تحسين تشتت المحفز.

في التفاعل الحفاز المتجانس بالموجات فوق الصوتية ، يتم إجراء المزيد من الأبحاث حول الأيزومرات للأوليفينات باستخدام مركبات الكربونيل المعدنية كمحفزات. سوكليك وآخرون. درس بالتفصيل رد فعل isomerization من 1-pentene إلى 2-pentene بواسطة Fe (co) 5 في ظل ظروف الموجات فوق الصوتية ، ووجد أن معدل التفاعل في ظل ظروف الموجات فوق الصوتية زاد بنسبة 105 مرة مقارنة مع عدم وجود الموجات فوق الصوتية. سليكيك وآخرون. نعتقد أن ارتفاع درجة الحرارة والضغط العالي الناجم عن انهيار فقاعات التجويف بالموجات فوق الصوتية والتبريد السريع للبيئة المحيطة مفيدة في تفكك Fe (CO) 5 وتشكيل الأنواع النشطة أعلى Fe3 (C0) 12.

قامت مي تسيف من الاتحاد السوفيتي السابق بدراسة تأثير الموجات فوق الصوتية على العمليات الحفازة غير المتجانسة في وقت سابق ووجدت أن الموجات فوق الصوتية يمكن أن تزيد التحويل لكل تمريرة بنحو 10 مرات ، والتي يعتقد أنها تزيد من تشتت المحفز. في السنوات الأخيرة ، هان وآخرون. التحقيق في رد فعل Reformatsky تحت تأثير الموجات فوق الصوتية منخفضة الكثافة (W10W / cm2) ووجد أن عائد التفاعل وصل إلى 90 ٪ بعد 30 دقيقة من الموجات فوق الصوتية. الأهم من ذلك ، أنه لم يعد من الضروري إعداد مسحوق الزنك النشط للغاية عن طريق الحد من كلوريد الزنك اللامائي ، ولم يعد من الضروري استخدام بوري ميثيل. سوسليك وآخرون. درس التفاعل بكثافة صوتية قدرها 50 واط / سم 2 ووجد أن الخليط تم صوته عند 25 درجة مئوية لمدة 5 دقائق ، وكان العائد أكثر من 95 ٪ ، ووجد أن المحفز الكيميائي كان في وقت المحصول ورد الفعل. بدون تأثير. سوسليك وآخرون. درس بالتفصيل تفاعل الهدرجة من مسحوق النيكل كمحفز ووجد أن تفاعله زاد بنسبة 5 أوامر من الحجم تحت تأثير الموجات فوق الصوتية.

من المعروف أن مسحوق النيكل العادي له نشاط حفاز رديء في هدرجة الأوليفينات ، ومن الصعب عمومًا إجراء التفاعل بعد حوالي 300 ساعة. ومع ذلك ، بعد معالجة مسحوق النيكل بالموجات فوق الصوتية ، بدأ التفاعل بسرعة ، وزاد معدل التفاعل أولاً مع إطالة وقت العلاج بالموجات فوق الصوتية ، ثم انخفض تدريجياً. درس Ronmy and Price الأكسدة الذاتية للألكيل نيتروبنزين في تحفيز قاعدة نقل المرحلة. وقد وجد أن معدل التفاعل زاد بشكل حاد في ظل حركة الموجات فوق الصوتية ، وتم تقصير زمن التفاعل بمقدار ساعتين ، وتحسنت انتقائية الحمض بشكل كبير ، واحتوى المنتج على كمية كبيرة من مجموعة النيترو. يتكون حمض البنزويك.

يُظهر الموجات فوق الصوتية أيضًا مزايا فريدة في تنشيط المحفزات وتجديدها وإعدادها. طورت جامعة إلينوي حمام غسيل بالموجات فوق الصوتية يمكن استخدامه لإزالة فيلم أكسيد على سطح مسحوق النيكل لتنشيط محفز النيكل. ذكرت هنري ، إحدى شركات إكسون في الولايات المتحدة ، أن المحفز الدائم المعطل بالنيكل والموليبدينوم المستخدم في التكسير بالهيدروجين يمكن تجديده بواسطة الموجات فوق الصوتية. في الآونة الأخيرة ، سوسليك وآخرون. درس تفاعل fe (Co) 5 و Co (C0) 3 تحت تأثير الموجات فوق الصوتية. وقد وجد أن محفز سبائك Fe-Co ذو الحجم النانوي تم تشكيله تحت تأثير قوي بالموجات فوق الصوتية ، والذي يحتوي على محلول لإزالة الهيدروجين للسيكلو هكسان. عالية النشاط ، وآلية مفصلة قيد مزيد من التحقيق.

3. كيمياء البوليمرات بالموجات فوق الصوتية

اجتذب تطبيق الكيمياء البوليمرية الإيجابية بالموجات فوق الصوتية اهتمامًا واسع النطاق. العلاج بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تتحلل الجزيئات ، وخاصة تدهور البوليمرات عالية الوزن الجزيئي هو أكثر أهمية. السليلوز والجيلاتين والمطاط والبروتين يمكن أن تتحلل بشكل جيد بعد صوتنة. في الوقت الحاضر ، تعتبر آلية التحلل بالموجات فوق الصوتية بشكل عام نتيجة لتأثير القوة والضغط العالي لانفجار فقاعة التجويف ، والجزء الآخر من التدهور قد يكون بسبب الحرارة. في ظل ظروف معينة ، يمكن للموجات فوق الصوتية السلطة أيضا بدء البلمرة. يمكن أن يؤدي التشعيع بالموجات فوق الصوتية القوية إلى بلمرة البوليفينيل من كحول البولي فينيل والاكريلونيتريل لتحضير كوبوليمر الكتلة ، والبلمرة المشتركة لخلات البوليفينيل وأكسيد البولي إيثيلين لتشكيل بوليمرات الكسب غير المشروع.

4. تعزيز مجال الموجات فوق الصوتية لتكنولوجيا التفاعل الكيميائي الجديدة

مزيج من تكنولوجيا التفاعل الكيميائي الجديدة وتعزيز مجال الموجات فوق الصوتية هو اتجاه تطور محتمل آخر في مجال الكيمياء بالموجات فوق الصوتية. على سبيل المثال ، يتم استخدام السائل فوق الحرج كوسيط ، ويتم إجراء تفاعل حفاز معزز باستخدام مجال الموجات فوق الصوتية. على سبيل المثال ، يكون للسوائل فوق الحرجة كثافة تشبه السائل ولزوجة تشبه الغاز ومعامل الانتشار ، مما يجعله يذوب كسائل ، وقدرة نقل الكتلة تعادل الغاز. استخدام السوائل فوق الحرجة ذات الذوبان الجيد وخصائص الانتشار يمكن أن يحسن من تنشيط المحفزات غير المتجانسة. ومع ذلك ، إذا كان يمكن تقويتها بواسطة مجال الموجات فوق الصوتية ، فلا شك أنها تتويج للعملية. لا يمكن لموجة الصدمة والنفاثة الصغرى الناتجة عن التجويف بالموجات فوق الصوتية أن يعزز السائل الفائق الحرج بشكل كبير من حل بعض المواد التي تسبب تنشيط الحفاز ، ولكن تلعب أيضًا دور الامتزاز والتنظيف ، وتبقي المحفز نشطًا لفترة طويلة ، و لديها أيضا تأثير التحريك. إن تشتت النظام المتفاعل يجعل معدل نقل الكتلة للتفاعل الكيميائي للسوائل فوق الحرجة إلى مستوى أعلى. بالإضافة إلى ذلك ، فإن درجة الحرارة المرتفعة والضغط العالي المحلي الناتج عن التجويف بالموجات فوق الصوتية سيسهلان انقسام المواد المتفاعلة إلى جذور حرة ، مما يسرع إلى حد كبير من معدل التفاعل. في الوقت الحاضر ، هناك العديد من الأبحاث حول التفاعلات الكيميائية للسوائل فوق الحرجة ، ولكن هناك القليل من الدراسات حول استخدام الحقول فوق الصوتية لتعزيز مثل هذه التفاعلات.

3. استخراج بالموجات فوق الصوتية المحسنة

1 ، استخراج السائل الصلبة

غالبًا ما يشار إلى استخراج السائل الصلب بأنه استخراج في الصناعة الكيميائية للأغذية ، أي استخراج مكونات مفيدة من مواد ذات مذيب مناسب ، وتستخدم المعالجة الحرارية أو التحريض الميكانيكي لتعزيز العملية. لقد وجد أن تطبيق الطاقة بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يعزز ويحسن عملية الاستخراج بشكل كبير. . يزيد تأثير اضطراب الموجات فوق الصوتية من نفاذية المذيب في خلايا الاستخراج ويعزز عملية نقل الكتلة. تأثير آخر بالموجات فوق الصوتية هو أن قوة القص القوية الناتجة عن التجويف بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تكسر جدار الخلية النباتية وتنتج الخلايا بسهولة. الاحتواء ، وقد تم تأكيد هذا من دراسة الموجات فوق الصوتية لزيادة معدل استخراج السكر من بنجر السكر. يتم أيضًا استخلاص السوائل الصلبة المعززة بالموجات فوق الصوتية أيضًا لاستخلاص حمض الساليسيليك والكلورين البربري والكرنب الصخري من الطب الصيني. يمكن أن تحصل طريقة ارتجاع الكحول ، والتي تستخدم عادة لاستخراج الملفوف الصخري في درجة حرارة الغرفة ، على أكثر من 50٪ من ناتج الاستخراج تحت المعالجة بالموجات فوق الصوتية في نصف وقت الاستخراج. ثبت مرة أخرى أن النقل الجماعي الفعال وتمزيق الخلايا هما السببان الرئيسيان للاستخراج المعزز. .

تمت دراسة تأثير الموجات فوق الصوتية على استخراج البروتين من فول الصويا منزوع الدهن. إن تشعيع مجال الصوت بقدرة 20 كيلو هرتز و 50 وات يمكن أن يحسن عملية الاستخراج المستمرة لحليب فول الصويا. إنه يفوق أي تقنية جدوى سابقة ويحصل على كفاءة استخراج ، وقد تم توسيع هذه التكنولوجيا. انتقل إلى المصنع التجريبي.

تتمثل الخطوة الأولى في صناعة الشاي الفوري في استخراج المواد الصلبة من الشاي من أوراق الشاي ، ثم إزالة الماء من محلول الشاي النقي عن طريق الرش بالتجفيف للحصول على الشاي الفوري. بالموجات فوق الصوتية في 60 درجة مئوية يمكن أن تزيد من استخراج بنسبة 20 ٪. استخراج بالموجات فوق الصوتية أكثر كفاءة من استخراج الحرارة التقليدية ويقصر وقت الاستخراج. يتم استخراج معظم المواد خلال الدقائق العشرة الأولى من العملية.

البيبسين المرتفع الضغط هو مادة خام مهمة تستخدم في معالجة المستحلب إلى الجبن. يمكن استخراجها من المعدة من الثدييات. تم تحسين إنتاجية الاستخراج بنجاح باستخدام 19.2 كيلو هرتز و 3.34 واط / سم 2 لمدة 45 دقيقة. 150 جرام من الأرقطيون يمكنه فقط استخراج 30.60 جم ​​من البيبسين بدون الموجات فوق الصوتية ، ويمكن أن يصل الاستخراج بالموجات فوق الصوتية إلى 47.81 جم ، ويتم تحسين نشاط البروتياز بشكل طفيف عن طريق الاستخراج بالموجات فوق الصوتية مقارنة بالطريقة الشائعة.

أمثلة على تطبيق الاستخلاص المعزز بالموجات الصلبة والسائلة في العمليات الكيميائية هي:

(1) عند استخراج الإسفلت من الصخر الزيتي بثمانية مذيبات مثل البنزين ، يكون معدل الاستخراج 24 ضعف معدل استخراج الدهون في Soxhlet تحت تأثير 50 ​​kHz و 400 W ؛ (2) هيدروكسيد الصوديوم والكلور عندما يتم رش محلول الأمونيوم المختلط من الزنك في الزنك الذي يحتوي على خام الزنك بنسبة 17.3 ٪ ، يمكن تسريع معدل الترشيح بشكل كبير باستخدام 22 كيلو هرتز ، 100 واط من الموجات فوق الصوتية ؛

(3) تشعيع المجال الصوتي على تردد 20 كيلو هرتز ، يمكن أن تزيد القدرة 100 واط و 600 واط عن معدل البيرثرين في استخراج البيرثروم المسحوق من الهكسان ن ؛

(4) 24 كيلو هرتز ، (2.5 كيلو هرتز الإيجابية والسلبية) يتم تطبيق تشعيع بالموجات فوق الصوتية 120W على استخراج الميثانول من البنزوبيرين (أ) في العينات البيئية ، وهناك معدل استخراج لا مثيل لها عن طريق التسامي الفراغي ؛

(5) 18.5 كيلو هرتز ، يمكن أن يزيد مجال الموجات فوق الصوتية ذو الرأس الواحد ذو الكثافة العالية بمقدار 250 واط من معدل استخراج الذهب عن طريق السيانيد ؛

(6) تم استخدام 20 كيلو هرتز بالموجات فوق الصوتية لاستخراج قلويدات مجموع من Motherwort وكان الاستخراج أعلى من طريقة الارتداد العامة ، وتم تقصير وقت الاستخراج. كان معدل الاستخراج بعد الاستخراج بواسطة طريقة الارتداد لمدة ساعتين 0.176 ٪ ، وبلغ معدل الاستخراج بعد الاستخراج بالموجات فوق الصوتية لمدة 40 دقيقة 0.248 ٪.

2 ، استخراج السائل السائل

يتضمن استخراج السائل السائل عملية نقل الكتلة بين مرحلتين عضويتين ومائمتين غير متوافقتين. يزيد التأثير البيني الناجم عن تجويف الموجة فوق الصوتية من منطقة التلامس بين المرحلتين ، ويؤدي تأثير الاضطراب الناجم عن موجة الصدمة عندما ينهار التجويف إلى القضاء على تأخر الوصلة ثنائية الطور ، مما يؤدي إلى زيادة استخراج السائل السائل معدل. بالنسبة لأنظمة الاستخراج السائلة التي يتم التحكم فيها عمومًا بمعدل النقل الجماعي ، يكون تأثير الموجات فوق الصوتية كبيرًا للغاية ، لا سيما في عملية استخراج المعادن السائلة من المعادن في صناعة المعادن غير الحديدية ، عندما يتم تطبيق التردد والطاقة بالموجات فوق الصوتية المناسبة ، سرعة التحلل يمكن تعزيزها إلى حد كبير. وزيادة معدل الاستخراج ، مع 1MHz ، 0.2W / cm2 التشعيع بالموجات فوق الصوتية لمدة 15 دقيقة ، يمكن استخدامها لفصل سرعة فصل الطور من مو وث مفصولة بواسطة مستخلص حمض الفوسفوريك الحمضي بنسبة 4-5 مرات ؛ مع تشعيع فوق صوتي 20 كيلو هرتز ، 19 وات / سم 2 ، يمكن زيادة معدل استخراج الجا بنسبة 15 مرة ؛ يمكن زيادة معدل الاستخلاص لـ Ni بمقدار 4 - 7 مرات عن طريق التشعيع فوق الصوتي البالغ 20 كيلو هرتز و 47 واط والتحريك الميكانيكي.

أربعة. بالموجات فوق الصوتية تعزيز التبلور

أظهر عدد كبير من الدراسات التجريبية أن الموجات فوق الصوتية القوية يمكن أن تنتج ترسيبًا سريعًا ولطيفًا للذرات الصلبة في محلول مفرط التشبع ويعزز نمو البلورة. في وقت مبكر من الخمسينيات من القرن العشرين ، تم إشعاع خليط من محلول البروكين وملح البنسلين بالموجات فوق الصوتية L0 kHz للحصول على بلورة بروكائين بنسلين دقيقة وموحدة مع توزيع حجم الجسيمات من 5 أم إلى 15 أم ، وحجم المنتج الذي تم الحصول عليه بواسطة طريقة. ل l0um واحد 20um. هناك ميزتان لاستخدام الموجات فوق الصوتية في عملية التبريد للمعادن المنصهرة ، أي إزالة الغازات من حبيبات الكريستال الصغيرة والحصول عليها ، وتحت تأثير الموجات فوق الصوتية ، تدخل النواة المشكلة في حالة اهتزازية ، وبالتالي تسريع عملية النمو ، على الفولاذ الكربوني . يوضح العلاج بالموجات فوق الصوتية أنه يمكن أن يقلل من حجم الحبوب من 200um إلى 25um إلى 30um ، ليونة الصلب الكربوني بنسبة 30 ٪ إلى 40 ٪ ، والقوة الميكانيكية بنسبة 20 ٪ إلى 30 ٪. تشير الدراسات التي أجريت على تبلور الزنك المعدني إلى أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تزيد من شدة القص الحرجة بنسبة 80٪ ، كما يتغير الشكل البلوري للزنك المعدني من أسطواني إلى منتظم تحت تأثير موجات فوق صوتية بتردد 25 كيلو هرتز وقوة من 50 واط / سم 2. سداسي الزوايا.

تلعب بلورة المحلول دورًا مهمًا في فصل وتنقية المواد العضوية القابلة للذوبان والأملاح غير العضوية. لا يمكن فقط فصل المذاب عن المحلول في الحالة الصلبة ، ولكن أيضًا لأن البلورات المختلفة لها شبكات بلورية مختلفة. يمكن استخدامه أيضًا لتنقية المواد البلورية. قام تشيو تايكيو وآخرون ، تحت رعاية المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين ، بدراسة آثار الموجات فوق الصوتية على حركية بلورة محلول السكروز بنجاح. لقد أثروا في الخواص الفيزيائية للمحلول المفرط ، والنواة ونمو البلورة. أجريت دراسة منهجية. تظهر النتائج أنه في إطار عمل مجال الصوت الخارجي ، تزداد توصيلية المحلول المفرط ، وتقل اللزوجة ، وتقلص فترة تحريض النواة ، ويقلل الثبات. وبالتالي ، من المفيد للمحلول المفرط السكروز أن يعجل البلورات. إن التأثير الذي يركز على الطاقة في التجويف بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يوفر الطاقة للحل المفرط ، ويحسن طاقة الإهتزاز للنظام بأكمله ، ويؤدي التأثير البيني إلى تقليل طاقة التبلور. نتيجة لذلك ، يمكن أن يحل محلول السكروز المفرط النواة الأولية في المنطقة المستقرة. مقارنة بطرق التحفيز الأخرى المتبلورة وطرق التبلور البذرية ، يكون الامتداد المطلوب للنواة بالموجات فوق الصوتية أقل ، ونواة البلورة التي يتم الحصول عليها تكون أكثر اتساقًا وكاملة وسلسة ونطاق توزيع البلورة البلورية ونطاق توزيع حجم البلورة النهائي صغيرًا ، كما أن معامل التباين خفض. تطبيق التشعيع بالموجات فوق الصوتية في نمو بلورات السكروز له آثار إيجابية وسلبية على حد سواء ، من ناحية ، فإن التأثير المضطرب الناجم عن التجويف بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يقلل من سمك الطبقة الحدودية ويزيد من معدل نقل الكتلة ؛ من ناحية أخرى ، تنهار فقاعة التجويف بالموجات فوق الصوتية في شبكة microjet لها تأثير كسوف على سطح البلورة ، وإذا كانت الكثافة كبيرة للغاية ، فسوف يتم تكسير البلورة. لذلك ، يرتبط تأثير الموجات فوق الصوتية على نمو البلورة بحجم البلورة وحجم فقاعة التجويف. عندما يكون حجم البلورة أصغر من نصف قطر فقاعة التجويف ، يعزز الموجات فوق الصوتية نمو البلورات ؛ وعندما يكون حجم البلورة أكبر من نصف قطر فقاعة التجويف ، فإن نمو البلورة يؤدي إلى تلف بالموجات فوق الصوتية.

وانغ وينينج وآخرون. أدخلت الموجات فوق الصوتية بتردد قدره 33 كيلو هرتز وقوة 250 وات في عملية تبلور كلوريد المغنيسيوم الأساسي (mg3 (OH) 5Cl؟ 4H2O) ، مما أدى إلى تقصير فترة الاستقراء للمحلول المفرط التشبع ، وتغيرت عملية التبلور من 12H إلى 4H ، وكان التردد بالموجات فوق الصوتية أعلى. أسرع معدل النواة ، وأقصر فترة الاستقراء وأقصر من الوقت اللازم لبلورة كاملة. أمثلة أخرى على تقوية المحلول بالموجات فوق الصوتية مثل نترات البوتاسيوم والأسيتاميد وراترات البوتاسيوم الصوديوم.

في صناعات تجميد الأغذية والتبريد ، يعد تكوين بلورات الثلج مهمًا للحفاظ على الجودة الأصلية للمكونات الغذائية. على سبيل المثال ، عندما يتم تجميد الثمار الناعمة (الفراولة) ، مع استمرار نمو بلورات الجليد الحبيبية الصغيرة التي تشكلت في مادة خلية الغذاء ، وعندما يزداد حجم حبة الكريستال ، فإنها ستدمر جزءًا من جدران الخلية ، أي تدمير جزء من هيكل المواد الخام. يستغرق وقتًا طويلًا & quot؛ وقت التوسع & quot؛ من الوقت الذي يبدأ فيه الماء في التبلور إلى ثلج حتى يتم تجميد الطعام بالكامل. تحت تأثير الموجات فوق الصوتية ، يمكن إنتاج بلورات ثلجية أكثر وأكثر اتساقًا ، وتقصير وقت التمدد ، وتقليل الحجم النهائي لبلورات الجليد ، وتقليل الأضرار التي تلحق بالخلايا. أظهرت الدراسات التي أجريت على الموجات فوق الصوتية حول تأثيرات الحلويات المجمدة أن حجم جزيئات بلورات الثلج الناتجة عن التشعيع بالموجات فوق الصوتية يتم تقليله بشكل كبير وتوزيعه بالتساوي في المواد الصلبة ، مما يجعل الحلويات المجمدة أصعب من المنتجات التقليدية ، مما يزيد من قبول المنتج بين المستهلكين . درجة الترحيب ومزيج من الحلوى المجمدة والمقابض الخشبية.

خامسا التكثيف بالموجات فوق الصوتية

تم استخدام الموجات فوق الصوتية في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي لتعزيز تجلط المواد الصلبة العالقة في الهباء الجوي ، وفي الولايات المتحدة ، تسببت في & quot؛ حمى التجسس & quot؛ عبر البلد. ومع ذلك ، بسبب القيود المفروضة على المعدات بالموجات فوق الصوتية ، سرعان ما تلاشى هذا الحماس. حتى ظهور معدات الموجات فوق الصوتية المتقدمة في 1960s ، بدأ تطبيق التخثر بالموجات فوق الصوتية لترسب الغازات المسببة للتآكل ، وترسب أسود الكربون و CaCO3 ، ومسحوق الاسمنت. استرجاع مسحوق القطران وإزالة غاز الأفران العالية ومعالجة غاز المداخن من الأفران المعدنية.

من أجل شرح ظاهرة تخثر الجسيمات الصغيرة الناتج عن الموجات فوق الصوتية ، أي تأثير تكثيف مجال الصوت ، اقترح العلماء العديد من النماذج الافتراضية. يعتبر التكتل بالموجات فوق الصوتية عمومًا بمثابة عملية يتم خلالها تهتز الجسيمات العالقة بالوسط عندما تتدفق الموجات فوق الصوتية عبر وسط متدفق مع جزيئات معلقة ، ولكن نظرًا لأن الجزيئات ذات الأحجام المختلفة تبدأ بالاهتزاز بالوسيط ، بأحجام مختلفة لها مختلفة. سرعة الاهتزاز النسبية ، والجسيمات سوف تصطدم وتترابط مع بعضها البعض ، ويزداد الحجم والوزن. منذ أن أصبحت الجزيئات أكبر ، لم تعد قادرة على متابعة الاهتزاز الصوتي ، ولكن يمكن استخدامها فقط للحركة غير المنتظمة ومواصلة التصادم والربط. يكبر وأخيراً يستقر. وأشار Kotyasov و Newtson إلى أن النموذج أعلاه يمكن أن يفسر فقط تأثير تكثيف مجال الصوت للتعليقات متعددة الحجم ، وليس من المقنع مواجهة نظام تعليق أحادي الحجم. بناءً على ذلك ، يقترحون تفسير تأثير تكثيف المجال الصوتي استنادًا إلى نموذج الحركة الجماعية للجسيمات. لا يأخذ النموذج في الاعتبار التفاعل بين جزيئين فقط ، ولكن القوة الكلية بين جميع الجسيمات. تحت تأثير مجال الصوت ، في المنطقة التي تزداد فيها كثافة الجسيمات المشتتة ، تتناقص مساحة المقطع العرضي الفعال للمرحلة المشتتة إلى الطور المشتت ، مما يؤدي إلى زيادة في معدل تدفق الطور المشتت بالنسبة إلى الجزيئات ، مصحوبة بزيادة في معدل التشتت بين المواد المشتتة. يزداد الضغط ، بحيث تزداد كثافة الجسيمات الصلبة ، وبالتالي ، يتم تسريع عملية التخثر. وفقًا لهذا النموذج ، يتم تقديم سلسلة من العلاقة بين زيادة عدم الاستقرار في نظام التعليق والتردد فوق الصوتي وقوة الموجات فوق الصوتية ، ويتم التحقق من الحقائق التجريبية.

السادس ، بالموجات فوق الصوتية تعزيز الترشيح والجفاف

غالبًا ما يتم ترشيح الخليط أثناء الفصل الكيميائي لإزالة الجزيئات الصلبة وتنقية المحلول. تميل طرق الترشيح التقليدية إلى التسبب في انسداد الجسيمات الدقيقة للمرشح ويجب استبدال غشاء المرشح بشكل متكرر. الإشعاع بالموجات فوق الصوتية له تأثيران خاصان يساعدان على تحسين تقنية الترشيح. يمكن أن يؤدي تأثير تكثيف مجال الصوت إلى أن تجميع الجزيئات الدقيقة يؤدي إلى تسريع معدل الترشيح. والثاني هو أن تأثير امتصاص الطاقة بالموجات فوق الصوتية يوفر طاقة اهتزاز كافية للنظام. يُسمح لجزء من الجزيئات بالطفو في المرشح ، مما يوفر ممرًا أكثر حرية للغسيل. أظهرت الدراسات أن الترشيح المحسّن بالموجات فوق الصوتية (على سبيل المثال & quot؛ الترشيح الصوتي & quot؛) يمكن أن يقلل بسرعة المحتوى المائي لملاط الفحم الذي يحتوي على 50٪ من المياه إلى 25٪ ، بينما لا يمكن أن يصل الترشيح التقليدي إلى 40٪ فقط. & quot؛ الترشيح الكهربي الصوتي & quot؛ جنبا إلى جنب مع الحقل الكهربائي المحسن وحقل الصوت يمكن أن تزيد من درجة تجفيف الطين الفحم بنسبة 10 ٪. عندما تم تطبيق تقنية الترشيح الكهربي الصوتي لترشيح عصير التفاح من اللب ، انخفض محتوى الرطوبة في اللب من 85 ٪ إلى 38 ٪ الأولي ، في حين أن الطريقة التقليدية خفضت فقط محتوى الماء إلى 50 ٪.

في صخور الفحم والمعادن والصناعات الكيماوية ، يجب أن تزيل المادة الصلبة المفصولة عن الترسبات والترشيح ، إلخ ، الرطوبة في المادة قدر الإمكان قبل التجفيف ، مما يوفر الطاقة لخطوة التجفيف. وقد عزز مجال الصوت نقل الحرارة ونقل الكتلة. سوامي وآخرون. درس إزالة siderite المشبعة بالماء والرمل ونشارة الخشب عن طريق الجفاف بالطرد المركزي تحت إشعاع مجال الصوت عالية الكثافة من 139dB (حوالي 100W) و 98 كيلو هرتز. تظهر الرطوبة في المادة أنه عندما يتم تطبيق الجفاف بالطرد المركزي على الموجة الصوتية ، يمكن أن يكون المحتوى المائي النهائي الناتج عن الجفاف بالطرد المركزي دون موجة صوتية يتراوح بين 25٪ و 95٪ في ظروف مختلفة ، كما تنخفض درجة الحرارة الحرجة.

7. مجال الصوت المحسن الامتزاز والامتزاز

لقد استخدم الإدمصاص والامتصاص على نطاق واسع في الصناعات الكيماوية والغذائية والمعدنية وغيرها من الصناعات ، حيث لعبت دوراً متزايد الأهمية في الانفصال والتنقية. الامتزاز والامتزاز هما زوج من العمليات المتبادلة. تحت التجويف فوق الصوتي ، يزيد مجال الصوت من المعدل الذي ينتشر فيه الإدمصاص نحو الماصة ؛ من ناحية أخرى ، فإنه يقلل من قوة فان دير فال بين كثف و الممتزات. السابق له تأثير إيجابي ويقوي الامتزاز. هذا الأخير له تأثير سلبي ويقوي الامتزاز. لذلك ، يمكن اختيار معلمات مجال الصوت المناسبة تعزيز الامتزاز والامتزاز بشكل منفصل.

تتم دراسة عملية الامتزاز المحسنة بالموجات فوق الصوتية: في ظل قوة الموجات فوق الصوتية ، يتم زيادة معدل امتصاص كحول البولي فينيل ، وحمض الخليك السليلوز وحمض الخليك في الجلوكوز في لباب كرافت ولون كرافت. زيادة امتصاص الفوسفور على التربة بعد معالجة KH2PO4. زيادة كمية الامتزاز من الميثيلين الأزرق بواسطة الطين والكربون المنشط ؛ زيادة معدل الامتزاز من الكاشف العضوي المجفف ومسحوق A1203 للعناصر المحدودة. ومع ذلك ، فقد وجدت بعض الدراسات أنه عندما يكون فينول فورمالدهايد راتنج التبادل الأيوني XAD-2 (am berlite XAD-2) يمزج 4- (2-pyridylazo) حامض isophthalic (PAR) ، يكون تأثير الموجات فوق الصوتية 20 kHz على معدل الامتزاز أقل من 21Orpm . تأثير التحريض الميكانيكي ، والذي يكون فيه معدل امتصاص التحريض الميكانيكي أسرع بمعدل 2-3 مرات من الموجات فوق الصوتية

تشمل الدراسات المبكرة حول عملية الامتزاز المعزز بالموجات فوق الصوتية: امتصاص اليود من الكربون المنشط ؛ Ag ، Cu ، إلخ. الامتزاز من Ge و Si ، درس Krisccr و Lichtman الامتزاز بالموجات فوق الصوتية الناجم عن الموجات السطحية ، ولاحظ بعض المواد الممتزّة ويعزى الامتصاص إلى إثارة الأمواج تحت السطحية.

في السنوات الأخيرة ، كانت عملية تجديد امتصاص المواد الماصة للمياه المستعملة نشطة. إنها طريقة بسيطة وسريعة لإزالة الملوثات العضوية المائية مثل بدائل الفينول والفينول من المياه العادمة باستخدام راتنجات الكربون والبوليمر المنشط ، ولكن بسبب الامتصاص والإمتصاص. هناك تقارب قوي بينهما ، وتجديد الامتزاز من الممتزات لا يزال يمثل مشكلة صعبة. الطرق الأكثر شيوعًا لامتصاص الفينول هي الامتزاز الحراري والامتزاز الكيميائي ، ولكن ارتفاع درجة الحرارة من الامتزاز الحراري يؤدي إلى انخفاض في قدرة التبادل للامتصاص بعد التجديد ، بينما يستخدم الامتصاص الكيميائي مواد كيميائية ويتطلب فصلين بعد الامتزاز. في الوقت الحاضر ، تشين وآخرون. ذكرت حركة توازن الامتزاز أثناء الامتزاز من نظام راتنج فينول CLTBP تحت إشعاع بالموجات فوق الصوتية. Rege et al. درس معدل امتصاص الفينول من راتنجات بوليمرية عند امتصاصه من الكربون المنشط تحت تأثير 40 كيلو هرتز ، 120 واط ، 1.44 ميجا هرتز ، مجال الصوت 100 واط و 40 كيلو هرتز ، 120 واط ، 40 كيلو هرتز ، 60 واط متنوع. تظهر نتائجهم أنه تحت إشعاع الموجات فوق الصوتية ، يزيد تأثير الانتشار بالموجات فوق الصوتية من معدل انتشار الجسيمات بسبب تأثير اضطراب الموجات فوق الصوتية ، كما يقلل تأثير امتصاص الطاقة بالموجات فوق الصوتية من طاقة تنشيط تفاعل السطح الأول. لذلك ، يمكن للطاقة فوق الصوتية تعزيز الفينول من الكربون المنشط وإزالة الامتصاص على راتنجات البوليمر ، ويزداد معدل الامتزاز بشكل كبير ، ويكون التأثير أكثر وضوحا عندما يتم إعادة تنشيط إنرجايزر في درجة حرارة منخفضة ، باستخدام التجديد و كثافة عالية بالموجات فوق الصوتية.

ثمانية. استنتاج

غالبًا ما يعوض تطبيق الموجات فوق الصوتية القوية عن أوجه القصور في التفاعلات الكيميائية التقليدية وتقنيات الفصل والتنقية الكيميائية التقليدية ، ويخلق طريقة جديدة وفعالة لتعزيز عملية الفصل والتنقية ، مما يقلل من وقت العملية ويعزز تأثير العملية. بغض النظر عن التطبيقات الصناعية أو البحث الأكاديمي ، سيكون للموجات فوق الصوتية القوية إمكانية بحث أوسع في الصناعة الكيميائية.