化學(xué)效應(yīng)的實質(zhì)是空化效應(yīng)，包括氣核的出現(xiàn)、微泡的長大和微泡的爆裂3步 。在超聲作用下 ，流體產(chǎn)生急劇的運動，由于聲壓的變化，使溶劑受到壓縮和稀疏作用，在聲波的稀疏相區(qū)，氣泡泡膨脹長大，并為周圍的液體蒸氣或氣體充滿。在壓縮相區(qū)，氣穴很快塌陷、破裂，產(chǎn)生大量微泡 ，它們又可以作為新的氣核。當(dāng)前認為，超聲對化學(xué)反應(yīng)的影響，其主要原因就是這些微泡在長大以致突然破裂時能產(chǎn)生很強的沖擊波。據(jù)估算，在微泡爆裂時，可以在局部空間內(nèi)產(chǎn)生高達兆巴的壓力 ，中心溫度可達 3000～5000K ，對超聲場作用的解釋，尚未進入分子水平，而是停留在對分子群體的機械作用機制的水平上。例如，對固體表面的氣蝕與潔凈作用；不混溶液體的乳化作用；微泡爆裂時，沖擊波在微空間導(dǎo)致的高溫高壓對傳質(zhì)和傳能的影響。
超聲波液體溶液處理設(shè)備可按介質(zhì)劃分為兩大類：①水相中的聲化學(xué)。在超聲作用下，水分解為氫氧自由基和氫原子，由此可誘發(fā)出一系列化學(xué)反應(yīng) 。有機鹵化物 ，如CH2Cl2 、CHCl3及CCl4在水介質(zhì)中接受超聲作用，使碳氫鍵斷裂，生成自由基。對蛋白質(zhì)、酶等生物分子的聲化學(xué)研究表明，聲致氧化還原作用是導(dǎo)致很多簡單產(chǎn)物的主要機制，例如：②非水液相中的聲化學(xué)。在該領(lǐng)域的研究工作尚處在起步階段。研究主要集中在以下幾個方面：均相合成反應(yīng)；金屬表面上的有機反應(yīng)；相轉(zhuǎn)移反應(yīng)；固液兩相界面反應(yīng)；聚合及高分子解聚反應(yīng)。
功率特性—當(dāng)聲波在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，功率非常大。
空化作用—當(dāng)超聲波在液體中傳播時，由于液體微粒的劇烈振動，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，導(dǎo)致液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體(如水和油)發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。
超聲波應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)能提高化學(xué)反應(yīng)速率、縮短反應(yīng)時間、提高反應(yīng)選擇性，而且能激發(fā)在沒有超聲波存在時不能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。由于超聲化學(xué)具有*的反應(yīng)特性，目前受到廣泛關(guān)注，是合成化學(xué)等極為重要且十分活躍的研究領(lǐng)域之一。
超聲化學(xué)目前已廣泛應(yīng)用于化學(xué)中的每一個領(lǐng)域，如: 有機合成化學(xué)、納米材料制備、生物化學(xué)、分析化學(xué)、高分子化學(xué)、高分子材料、表面加工、生物技術(shù)及環(huán)境保護等方面。
聲化學(xué)的基礎(chǔ)理論
超聲波在介質(zhì)中的傳播過程中存在著一個正負壓強的交變周期。在正壓相位時,超聲波對介質(zhì)分子擠壓, 增大了液體介質(zhì)原來的密度;而在負壓相位時, 介質(zhì)的密度則減小。
超聲化學(xué)應(yīng)具有加速化學(xué)反應(yīng)、降低反應(yīng)條件、縮短反應(yīng)誘導(dǎo)時間和能進行有些傳統(tǒng)方法難以進行的化學(xué)反應(yīng)等特點。
化學(xué)效應(yīng)
超聲波在傳播過程中與媒質(zhì)相互作用，相位和幅度發(fā)生變化，可以使媒質(zhì)的狀態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)、功能和性質(zhì)等發(fā)生變化。這類變化稱之為超聲效應(yīng)。超聲波與媒質(zhì)的相互作用可分為熱機制、機械力學(xué)機制和空化機制。 在一個由超聲波促進的化學(xué)反應(yīng)體系中，以上的幾種機制，或單獨或協(xié)同的對反應(yīng)起著催化作用:
1.熱機制：超聲波在媒質(zhì)中傳播時，其振動能量不斷被媒質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃慷姑劫|(zhì)溫度升高。這種使媒質(zhì)溫度升高的效應(yīng)稱為超聲的熱機制。
2. 機械力學(xué)機制：當(dāng)頻率較低，吸收系數(shù)較小，超聲的作用時間很短時，超聲效應(yīng)的產(chǎn)生并不伴隨有明顯的熱效應(yīng)。這時，超聲效應(yīng)可歸結(jié)為機械力學(xué)機制，即超聲效應(yīng)來源于表征聲場力學(xué)量的貢獻。超聲波也是一種機械能量的傳播形式，波動過程中的力學(xué)量如原點位移、振動速度、加速度及聲壓等參數(shù)可以表述超聲效應(yīng)。
3.空化機制：超聲波聲化學(xué)效應(yīng)的主要機制之一是聲空化(包括氣泡的形成、生長和崩裂等過程)。其現(xiàn)象包括兩個方面，即強超聲在液體中產(chǎn)生氣泡和氣泡在強超聲作用下的特殊運動。
超聲波是一種高頻機械波，具有能量集中、穿透力強等特點。超聲波由一系列疏密相間的縱波構(gòu)成，并通過液體介質(zhì)向四周傳播。當(dāng)聲能足夠高時，在疏松的半周期內(nèi)，液相分子間的吸引力被打破，形成空化核。空化核的壽命約0.1μs，它在爆炸的瞬間可以產(chǎn)生大約 4000-6000 K 和100MPa的局部高溫高壓環(huán)境，并產(chǎn)生速度約110m/s具有強烈沖擊力的微射流，這種現(xiàn)象稱為超聲空化。 超聲波化學(xué)反應(yīng)主要源于聲空化機制，空化機制是聲化學(xué)反應(yīng)的主動力。這些條件足以使有機物在空化氣泡內(nèi)發(fā)生化學(xué)鍵斷裂、水相燃燒 (aqueous combustion)、高溫分解(pyrolysis) 或自由基反應(yīng)等。
聲化學(xué)熱力學(xué)編輯
對超聲化學(xué)有兩種不同的解釋：
一種是聲致發(fā)熱導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)發(fā)生(熱學(xué)理論)
另一種是聲電效應(yīng)致促使化學(xué)的進行(電學(xué)理論)。目前前者與實驗比較*，后者存在沖突和矛盾。
在聲場作用下，溶液中產(chǎn)生空化氣泡。空化氣泡在聲波作用下壓縮而產(chǎn)生熱量，尤其是空化氣泡潰陷時產(chǎn)生數(shù)千度的高溫，由于潰陷速度極快，熱量傳遞速度與之相比要慢的多，因此氣泡的潰陷和蒸汽的壓縮在氣泡的體積內(nèi)幾乎是絕熱進行，在此狀態(tài)下，溶液中也形成一個瞬時的定域熱點，在這個區(qū)域存在的熱量，使溶液中的物質(zhì)加熱成分子，有的分子被熱解而生成原子團，這些原子團因受熱使分子鍵斷裂和產(chǎn)生重排。
水溶液中進行的聲化學(xué)反應(yīng)的速率都有不同程度的提高。按照速度理論，反應(yīng)頻率因素與分子的振動運動有關(guān)，因此空化作用大的區(qū)域壓力梯度加快了反應(yīng)分子的振使反應(yīng)速度提高。
總之，超聲化學(xué)反應(yīng)速度的提高，是超聲作用產(chǎn)生空化現(xiàn)象的結(jié)果。而空化氣泡的運動和潰陷，使體系內(nèi)的各個部分(氣泡內(nèi)處的溶液)則產(chǎn)生了熱力與流體力學(xué)的重新分布(其受以下因素制約)。
超聲波本身的強度、頻率、振蕩聲幅及波型決定了空化氣泡的形成，形變和潰陷的過程和結(jié)果，是聲化反應(yīng)的原動力。反應(yīng)體系的溶劑、溶于體系中的氣體和反應(yīng)物本身的物理性質(zhì)和化學(xué)性子是聲化學(xué)反應(yīng)速度提高的內(nèi)在因素。[1]
超聲波聲化學(xué)設(shè)備
利用功率超聲的空化現(xiàn)象加速和控制化學(xué)反應(yīng)，提高反應(yīng)率和引發(fā)新的化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象，稱超聲化學(xué)。聲化學(xué)可應(yīng)用于幾乎所有的化學(xué)反應(yīng)，如萃取(提取)與分離、合成與降解、生物柴油生產(chǎn)、污水處理、細胞粉碎、分散和凝聚、提取生物納米等等。
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：
超聲波化學(xué)設(shè)備有超聲波發(fā)生器、大功率超聲波換能器、超聲波工具頭。
超聲波發(fā)生器：第三帶數(shù)字電路閉合回路超聲波發(fā)生器，利用DSP芯片及D/A轉(zhuǎn)換器,采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù),設(shè)計實現(xiàn)了一個頻率、相位可控的正弦信號發(fā)生器。由數(shù)字化系統(tǒng)對其頻率設(shè)定、追蹤補償、幅度設(shè)定、放大匹配輸出、信號檢測分析來控制其輸出功率、振幅、能量。
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