Aplicación de un potente procesador ultrasónico en el área química.

Aplicación de ultrasonidos fuertes en el área química.

También conocida como aplicación activa de ultrasonidos de alta potencia, es una técnica que utiliza ultrasonidos fuertes para actuar sobre la materia para alterar o acelerar el cambio de algunas propiedades físicas, químicas y biológicas o estado de la materia. La aplicación de ultrasonidos fuertes en la industria química ha hecho nuevos desarrollos en los últimos años, mostrando una amplia perspectiva. Este documento tiene la intención de revisar la aplicación de ultra fuerteSonic en la industria química, con el fin de atraer la atención en el campo químico para aplicaciones ultrasónicas fuertes.

Uno. Descripción general del mecanismo ultrasónico fuerte

Cuando una cierta intensidad de ondas ultrasónicas se propaga a través del medio, producirá una serie de efectos como la mecánica, el calor, la óptica, la electricidad y la química. Estos efectos se resumen y tienen tres funciones básicas.

1. Acción mecánica. Las ondas ultrasónicas son una forma de propagación de energía mecánica que está relacionada con procesos pasivos y produce vibraciones lineales alternas. Esta energía mecánica se refleja principalmente en la vibración, el choque de aceleración y la tensión de corte de presión de sonido equivalente entre los puntos de masa del medio. Si 28khz, la intensidad del sonido de 1W / cm2 se propaga en el agua, el valor de la presión del sonido producido es de 242kpa, lo que significa que se generan 28,000 vibraciones bajo la presión de 242kpa, y la aceleración de masa máxima es aproximadamente 2000 veces la aceleración de la gravedad. .

2. Cavitación. Cuando una cierta intensidad de ondas ultrasónicas se propaga en el medio líquido, la oscilación, el agrandamiento, la contracción y el colapso de las microburbujas en el líquido provocan una fuerte onda de choque en el líquido cerca de la burbuja, formando una temperatura extremadamente alta y una alta presión del punto local, y burbujas de cavitación. En el momento del colapso, se genera una temperatura alta de 5000k o más y una presión alta de aproximadamente 50mpa en un pequeño espacio a su alrededor. La velocidad de cambio de temperatura es de 109k / s, y está acompañada por una fuerte onda de choque y un microjet con una velocidad de 400 km por hora. Este extremo alto voltaje, alta temperatura y alto El chorro se genera por decenas de miles de acciones continuas por segundo. La cavitación ultrasónica causa el efecto de turbulencia, el efecto de perturbación, el efecto de interfaz y el efecto de recolección de energía. El efecto de turbulencia hace que la capa límite sea más delgada y aumenta la velocidad de transferencia de masa; el efecto de perturbación mejora la difusión de microporos; el efecto de interfaz aumenta el área de superficie de transferencia de masa; El efecto de concentración de energía expande la separación de las moléculas de materia y fortalece la separación química y el fortalecimiento como un todo. La tasa de transferencia de masa y el efecto del proceso. Por lo tanto, la cavitación es el rasgo más básico de los ultrasonidos fuertes.

3. Acción de calor. Las ondas ultrasónicas se propagan a través del medio, y su energía vibratoria es constantemente absorbida por el medio en energía térmica, lo que eleva su temperatura. La energía acústica se absorbe para causar calentamiento local en el medio, calentamiento local fuera del límite y calentamiento localizado en el frente de onda cuando se forma el choque.

aplicación principal

La primera aplicación de ultrasonidos en bioquímica debería ser el uso de ultrasonidos para romper la pared celular y liberar su contenido. Estudios posteriores han demostrado que los ultrasonidos de baja intensidad pueden promover procesos bioquímicos, como la irradiación de nutrientes líquidos con ultrasonidos puede aumentar la tasa de crecimiento de las células de algas, aumentando así la cantidad de proteína producida por estas células en un factor de tres.

La densidad de energía del campo de sonido ultrasónico se expande un billón de veces en comparación con la densidad de energía de la burbuja de cavitación, lo que provoca una gran concentración de energía; El fenómeno sonoquímico y la sonoluminiscencia causados ​​por la alta temperatura extrema y la alta presión generada por la burbuja de cavitación es una forma única de intercambio de energía y material en la ecoquímica. Por lo tanto, ultrasonido en extracción química, producción de biodiesel, síntesis orgánica, tratamiento de microorganismos, degradación de contaminantes orgánicos tóxicos, velocidad de reacción química y rendimiento, eficiencia catalítica del catalizador, tratamiento de biodegradación, anti-incrustación y descalcificación ultrasónica, conminución celular celular, dispersión y coagulación , y las reacciones químicas acústicas tienen un papel cada vez mayor.

dos. Química ultrasónica

1. ultrasónico fortalece la reacción química.

ultrasonido mejora las reacciones químicas. La fuerza impulsora principal proviene de la cavitación ultrasónica. El colapso del núcleo de cavitación produce altas temperaturas locales, altas presiones y fuertes ondas de choque y microinyecciones, proporcionando un entorno fisicoquímico nuevo y muy especial para reacciones químicas que son difíciles o imposibles de lograr en condiciones normales.

2. Reacción catalítica ultrasónica.

Como un campo de investigación emergente, la reacción catalítica ultrasónica ha atraído un creciente interés de los actores de la industria. Los principales efectos de los ultrasonidos en la reacción catalítica son:

(1) Las condiciones de alta temperatura y alta presión facilitan la escisión de los reactivos en radicales libres y carbono divalente para formar una especie de reacción más activa;

(2) La onda de choque y el micro chorro tienen una acción de desorción y limpieza en una superficie sólida (como un catalizador), y pueden eliminar productos de reacción en la superficie o intermedios y una capa de pasivación en la superficie del catalizador;

(3) Las ondas de choque pueden dañar la estructura de los reactivos

(4) un sistema de reacción disperso;

(5) La cavitación ultrasónica de la superficie del metal, la onda de choque provoca la deformación de la red metálica y la formación de la zona de deformación interna, y mejora la reactividad química del metal;

6) hacer que el solvente penetre profundamente en el sólido, dando como resultado una denominada reacción de inclusión;

(7) Mejorar la dispersabilidad del catalizador.

En la reacción catalítica ultrasónica homogénea, se investiga más sobre la isomerización de olefinas utilizando compuestos de carbonilo metálico como catalizadores. Suclick y col. estudió en detalle la reacción de isomerización de 1-penteno a 2-penteno por Fe (co) 5 en condiciones ultrasónicas, y descubrió que la velocidad de reacción en condiciones ultrasónicas aumentó 105 veces en comparación con la no ultrasónica. Suclik y col. creemos que la alta temperatura y la alta presión generadas por el colapso de las burbujas de cavitación ultrasónica y el rápido enfriamiento del entorno circundante son beneficiosas para la disociación de Fe (CO) 5 y la formación de las especies activas más altas Fe3 (C0) 12.

Mai, Tsev, de la antigua Unión Soviética, estudió el efecto del ultrasonido en procesos catalíticos heterogéneos antes y descubrió que el ultrasonido puede aumentar la conversión por pasada en casi 10 veces, lo que se cree que aumenta la dispersión del catalizador. En los últimos años, Han et al. investigó la reacción de Reformatsky bajo la acción de ultrasonidos de baja intensidad (≤10W / cm2) y descubrió que el rendimiento de la reacción alcanzó el 90% después de 30 minutos de ultrasonidos. Más importante aún, ya no es necesario preparar un polvo de zinc altamente activo reduciendo el cloruro de zinc anhidro, y ya no es necesario usar trimetil borato. Suslick y col. estudió la reacción a una intensidad sonora de 50 W / cm 2 y descubrió que la mezcla se sonicó a 25 ° C durante 5 minutos, el rendimiento fue superior al 95% y se descubrió que el cocatalizador estaba en el rendimiento y el tiempo de reacción. sin efecto. Suslick y col. Estudió en detalle la reacción de hidrogenación del polvo de níquel como catalizador y descubrió que su reactividad aumentó en 5 órdenes de magnitud bajo la acción de los ultrasonidos.

Es bien sabido que el polvo de níquel ordinario tiene poca actividad catalítica para la hidrogenación de olefinas, y generalmente es difícil llevar a cabo la reacción después de aproximadamente 300 horas. Sin embargo, después de que el polvo de níquel se trató por ultrasonidos, la reacción comenzó rápidamente, y la velocidad de reacción aumentó primero con la prolongación del tiempo de tratamiento ultrasónico, y luego disminuyó gradualmente. Ronmy y Price estudiaron la autooxidación del alquil nitrobenceno en la catálisis de base de transferencia de fase. Se encontró que la velocidad de reacción aumentó bruscamente bajo acción ultrasónica, el tiempo de reacción se acortó en 2 h, la selectividad ácida mejoró significativamente y el producto contenía una gran cantidad de grupo nitro. Se forma ácido benzoico.

ultrasonidos también muestra ventajas únicas en la activación, regeneración y preparación de catalizadores. La Universidad de Illinois ha desarrollado un baño de lavado ultrasónico que se puede utilizar para eliminar la película de óxido en la superficie del polvo de níquel para activar el catalizador de níquel. Henry, una compañía de Exxon en los Estados Unidos, informó que el catalizador de níquel-molibdeno desactivado permanentemente utilizado en el hidrocraqueo puede regenerarse mediante ondas ultrasónicas. Recientemente, Suslick et al. estudió la interacción de fe (Co) 5 y Co (C0) 3 bajo la acción de ultrasonidos. Se descubrió que se formó un catalizador de aleación de Fe-Co a nanoescala bajo una fuerte acción ultrasónica, que tiene una solución de deshidrogenación para ciclohexano. Alta actividad, mecanismo detallado está bajo investigación adicional.

3. Química ultrasónica de polímeros

La aplicación de la química del polímero ultrasónico positivo ha atraído una atención generalizada. El tratamiento ultrasónico puede degradar las macromoléculas, especialmente la degradación de los polímeros de alto peso molecular es más significativa. La celulosa, la gelatina, el caucho y las proteínas pueden degradarse bien después de la sonicación. En la actualidad, el mecanismo de degradación ultrasónica se considera generalmente debido al efecto de la fuerza y ​​la alta presión de la explosión de la burbuja de cavitación, y la otra parte de la degradación puede deberse al calor. Bajo ciertas condiciones, el poder ultrasónico también puede iniciar la polimerización. La irradiación ultrasónica fuerte puede iniciar la copolimerización de alcohol polivinílico y acrilonitrilo para preparar el copolímero en bloque, y la copolimerización de acetato de polivinilo y óxido de polietileno para formar un copolímero de injerto.

4. Mejora del campo ultrasónico de la nueva tecnología de reacción química.

La combinación de la nueva tecnología de reacción química y la mejora del campo ultrasónico es otra posible dirección de desarrollo en el campo de la química ultrasónica. Por ejemplo, se usa un fluido supercrítico como medio, y se realiza una reacción catalítica mejorada usando un campo ultrasónico. Por ejemplo, un fluido supercrítico tiene una densidad similar a un líquido y una viscosidad similar a un gas y un coeficiente de difusión, lo que hace que se disuelva como un líquido, y la capacidad de transferencia de masa es equivalente a un gas. El uso de fluidos supercríticos con buenas propiedades de solubilidad y difusión puede mejorar la desactivación de catalizadores heterogéneos. Sin embargo, si puede ser fortalecido por el campo ultrasónico, es sin duda la guinda del pastel. La onda de choque y el microchorro generados por la cavitación ultrasónica no solo pueden mejorar en gran medida el fluido supercrítico para disolver algunas sustancias que hacen que el catalizador se desactive, sino que también desempeñan el papel de desorción y limpieza, mantienen el catalizador activo durante mucho tiempo y También tiene el efecto de agitar. La dispersión del sistema reactivo hace que la velocidad de transferencia de masa de la reacción química del fluido supercrítico a un nivel superior. Además, la alta temperatura local y la alta presión formadas por la cavitación ultrasónica facilitarán la escisión de los reactivos en radicales libres, acelerando en gran medida la velocidad de reacción. En la actualidad, hay muchas investigaciones sobre reacciones químicas de fluidos supercríticos, pero hay pocos estudios sobre el uso de campos ultrasónicos para mejorar tales reacciones.

3. extracción ultrasónica mejorada

1, extracción sólido-líquido

La extracción sólido-líquido a menudo se conoce como extracción en la industria química alimentaria, es decir, extraer componentes útiles de materiales con un solvente adecuado, y el tratamiento térmico o la agitación mecánica se utilizan para mejorar el proceso. Se ha encontrado que la aplicación de energía ultrasónica de potencia puede mejorar significativamente y mejorar el proceso de extracción. . El efecto de perturbación de los ultrasonidos aumenta la permeabilidad del disolvente en las células del extracto y mejora el proceso de transferencia de masa. Otro efecto del ultrasonido es que la fuerte fuerza de corte generada por la cavitación ultrasónica puede romper la pared celular de la planta y hacer que las células se liberen fácilmente. Contención, esto ha sido confirmado por el estudio de ultrasonidos para aumentar la tasa de extracción de azúcar de remolacha azucarera. La extracción líquido-sólido mejorada por ultrasonidos también se aplica a la extracción de ácido salicílico, cloro de berberina y col de roca de la medicina china. El método de reflujo de alcohol, que generalmente se usa para extraer repollo de roca a temperatura ambiente, puede obtener más del 50% de rendimiento de extracción bajo tratamiento ultrasónico en la mitad del tiempo de extracción. La transferencia de masa efectiva y la ruptura celular se demuestran una vez más como las principales razones para una extracción mejorada. .

Se ha estudiado el efecto de los ultrasonidos en la extracción de proteínas de la soja desgrasada. La irradiación de campo sonoro de 20 kHz y 50 W puede mejorar el proceso de extracción continua de la leche de soja. Supera cualquier tecnología de factibilidad previa y obtiene una extracción eficiente, y la tecnología se ha ampliado. Ve a la fábrica experimental.

El primer paso en la fabricación de té instantáneo es extraer los sólidos del té de las hojas de té y luego eliminar el agua de la solución de té puro mediante secado por pulverización para obtener el té instantáneo. ultrasónico a 60 ° C puede aumentar la extracción en un 20%. La extracción ultrasónica es más eficiente que la extracción por calor convencional y acorta el tiempo de extracción. La mayor parte del material se extrae dentro de los primeros 10 minutos del proceso.

La pepsina hipertensiva es una importante materia prima utilizada en el procesamiento de la emulsión en queso. Se puede extraer del estómago de los mamíferos. El rendimiento de extracción se mejora con éxito utilizando 19,2 kHz y 3,34 W / cm2 durante 45 min. 150 g de bardana solo pueden extraer 30,60 g de pepsina sin ultrasonidos, y la extracción ultrasónica puede alcanzar 47,81 g, y la actividad de la proteasa mejora ligeramente con la extracción por ultrasonidos en comparación con el método común.

Ejemplos de la aplicación de extracción ultrasónica mejorada sólido-líquido en procesos químicos son:

(1) Al extraer asfaltenos del esquisto bituminoso con 8 solventes como el benceno, la tasa de extracción es 24 veces mayor que la del método de extracción de grasa Soxhlet bajo la acción de 50 kHz y 400 W; (2) Hidróxido de sodio y cloración Cuando la solución mixta de amonio se lixivia de zinc en zinc que contiene un 17,3% de mineral de zinc, la velocidad de lixiviación puede acelerarse enormemente utilizando 22 kHz, 100 W de ultrasonidos;

(3) La irradiación del campo sonoro a una frecuencia de 20 khz, una potencia de 100 W y 600 W puede aumentar la tasa de piretrina en la extracción de piretro en polvo a partir de n-hexano;

(4) 24 kHz, (2,5 kHz positivo y negativo) Se aplica irradiación ultrasónica de 120 W a la extracción con metanol de benzopireno (a) en muestras ambientales, y hay una tasa de extracción sin paralelo por sublimación al vacío;

(5) El campo ultrasónico de inserción de una sola cabeza grande de alta intensidad de 18.5 kHz, 250 W puede aumentar la tasa de extracción de oro por cianuración;

(6) Se usaron ultrasonidos de 20 kHz para extraer los alcaloides totales de Motherwort y la extracción fue mayor que el método general de reflujo, y el tiempo de extracción se acortó. La tasa de extracción después de la extracción por método de reflujo durante 2 horas fue del 0,176%, y la tasa de extracción después de la extracción ultrasónica durante 40 minutos alcanzó el 0,248%.

2, extracción líquido-líquido

La extracción líquido-líquido implica el proceso de transferencia de masa entre dos fases orgánicas y acuosas mutuamente incompatibles. El efecto interfacial causado por la cavitación de la onda ultrasónica aumenta el área de contacto entre las dos fases, y el efecto de turbulencia causado por la onda de choque cuando la cavitación colapsa elimina el retraso de la unión de dos fases, aumentando así la extracción líquido-líquido. tarifa. Para los sistemas de extracción líquido-líquido generalmente controlados por la velocidad de transferencia de masa, el efecto de las ondas ultrasónicas es muy significativo, especialmente en el proceso de extracción líquido-líquido de metales en la industria metalúrgica no ferrosa, cuando se aplican la frecuencia y la potencia ultrasónicas adecuadas, La velocidad de descomposición se puede mejorar considerablemente. Y aumente la velocidad de extracción, con 1MHz, irradiación ultrasónica de 0.2W / cm2 durante 15min, se puede usar para separar la velocidad de separación de fases de mo y w separada por un extractor de ácido fosfórico ácido en 4-5 veces; con 20kHz, irradiación ultrasónica de 19W / cm2 La tasa de extracción de Ga se puede aumentar en 15 veces; La velocidad de extracción de Ni se puede aumentar de 4 a 7 veces con irradiación ultrasónica de 20 khz, 47 W y agitación mecánica.

cuatro. Cristalización ultrasónica mejorada

Una gran cantidad de estudios experimentales han demostrado que los ultrasonidos fuertes pueden producir una precipitación rápida y suave de solutos sólidos en una solución sobresaturada y mejorar el crecimiento de los cristales. Ya en la década de 1950, se irradió una mezcla de solución de procaína y sal de penicilina con ultrasonido de 10 kHz para obtener un precipitado fino y uniforme de cristal de penicilina de procaína con una distribución de tamaño de partícula de 5 um a 15 um, y el tamaño del producto obtenido por un convencional método. Para l0um one 20um. Existen dos ventajas al usar ultrasonidos en el proceso de enfriamiento del metal fundido, es decir, desgasificar y obtener granos de cristal más pequeños, y bajo la acción de ondas ultrasónicas, el núcleo formado entra en un estado vibratorio, acelerando así el proceso de crecimiento, en acero al carbono . El tratamiento ultrasónico muestra que puede reducir el tamaño de grano de 200um a 25um a 30um, la ductilidad del acero al carbono en un 30% a 40%, y la resistencia mecánica en un 20% a 30%. Los estudios sobre la cristalización por enfriamiento del zinc metálico muestran que el tratamiento ultrasónico puede aumentar la intensidad crítica del esfuerzo cortante en un 80%, y la forma cristalina del zinc metálico cambia de cilíndrico a uniforme bajo la acción de ondas ultrasónicas con una frecuencia de 25 kHz y una resistencia de 50 W / cm2. Hexágono.

La cristalización en solución juega un papel importante en la separación y purificación de sustancias orgánicas solubles y sales inorgánicas. No solo puede separar el soluto de la solución en un estado sólido, sino también porque los diferentes cristales tienen diferentes redes cristalinas. También se puede usar para purificar materiales cristalinos. Qiu Taiqiu y otros, bajo los auspicios de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, estudiaron con éxito los efectos de los ultrasonidos en la cinética de cristalización de la solución de sacarosa. Influyeron en las propiedades físicas de la solución sobresaturada, la nucleación y el crecimiento de cristales. Se realizó un estudio sistemático. Los resultados muestran que bajo la acción del campo de sonido externo, la conductividad de la solución sobresaturada aumenta, la viscosidad disminuye, el período de inducción de nucleación se acorta y la estabilidad disminuye. De este modo, es ventajoso que la solución sobresaturada de sacarosa precipite cristales. El efecto de concentración de energía de la cavitación ultrasónica puede proporcionar energía a la solución sobresaturada, mejorar la energía de vibración de todo el sistema y el efecto interfacial reduce la energía de cristalización. Como resultado, la solución sobresaturada de sacarosa puede lograr la nucleación primaria en la región estable. En comparación con otros métodos de cristalización de estimulación y métodos de cristalización de siembra, la sobresaturación requerida para la nucleación ultrasónica es más baja, el núcleo cristalino obtenido es más uniforme, completo, liso, y el rango de distribución del tamaño del cristal y del núcleo cristalino es pequeño, y el coeficiente de variación Inferior. La aplicación de irradiación ultrasónica en el crecimiento de cristales de sacarosa tiene efectos tanto positivos como negativos: por un lado, el efecto turbulento causado por la cavitación ultrasónica puede reducir el grosor de la capa límite y aumentar la velocidad de transferencia de masa; Por otro lado, la burbuja de cavitación ultrasónica se derrumba en el microjet tiene un efecto de eclipse en la superficie del cristal, y si la intensidad es demasiado grande, el cristal se romperá. Por lo tanto, el efecto ultrasónico en el crecimiento del cristal está relacionado con el tamaño del cristal y el tamaño de la burbuja de cavitación. Cuando el tamaño del cristal es menor que el radio de la burbuja de cavitación, el ultrasonido promueve el crecimiento del cristal; y cuando el tamaño del cristal es mayor que el radio de la burbuja de cavitación, el cristal ultrasónico daña el crecimiento.

Wang Weining y col. introdujo la onda ultrasónica con una frecuencia de 33 kHz y una potencia de 250 W en el proceso de cristalización de cloruro de magnesio básico (mg3 (OH) 5Cl? 4H2O), que acortó el período de inducción de la solución sobresaturada, y el proceso de cristalización cambió de 12h a 4h, y la frecuencia ultrasónica fue mayor. Cuanto más rápida sea la velocidad de nucleación, más corto será el período de inducción y más corto el tiempo requerido para la cristalización completa. Otros ejemplos de cristalización en solución de refuerzo ultrasónico, como nitrato de potasio, acetamida y tartrato de sodio y potasio.

En las industrias de refrigeración y congelación de alimentos, la formación de cristales de hielo es importante para mantener la calidad original de los ingredientes de los alimentos. Por ejemplo, cuando las frutas blandas (fresas) se congelan, a medida que los pequeños cristales granulados de hielo formados en el material de la célula alimenticia continúan creciendo, cuando el tamaño del grano de cristal aumenta, destruirán parte de las paredes celulares, es decir, destruirán parte de La estructura de las materias primas. Lleva un tiempo de expansión bastante largo desde el momento en que el agua comienza a cristalizarse en hielo hasta que la comida está completamente congelada. Bajo la acción de los ultrasonidos, se pueden producir cristales de hielo cada vez más uniformes, se acorta el tiempo de expansión, se reduce el tamaño final de los cristales de hielo y se reduce el daño a las células. Los estudios ultrasónicos sobre los efectos de la confitería congelada han demostrado que el tamaño de partícula de los cristales de hielo producidos por la irradiación ultrasónica se reduce significativamente y se distribuye de manera más uniforme en los sólidos, lo que hace que los dulces congelados sean más duros que los productos convencionales, lo que aumenta la aceptación del producto entre los consumidores. El grado de bienvenida y la combinación de dulces congelados y mangos de madera.

V. condensación ultrasónica

El ultrasonido se utilizó a principios de la década de 1940 para mejorar la coagulación de los sólidos en suspensión en aerosoles, y en los Estados Unidos se ha desencadenado una "fiebre espía". a través del país. Sin embargo, debido a las limitaciones de los equipos de ultrasonidos, este entusiasmo se enfrió rápidamente. Hasta la aparición de equipos ultrasónicos avanzados en la década de 1960, la coagulación ultrasónica comenzó a aplicarse a la deposición de gases corrosivos, la deposición de negro de carbón y CaCO3 y polvo de cemento. Recuperación de polvo de alquitrán, eliminación de gases de alto horno y tratamiento de gases de combustión de hornos metalúrgicos.

Para explicar el fenómeno de la coagulación de partículas pequeñas inducida por ultrasonidos, es decir, el efecto de condensación del campo de sonido, los científicos han propuesto muchos modelos hipotéticos. La aglomeración ultrasónica generalmente se considera un proceso en el que cuando las ondas ultrasónicas pasan a través de un medio que fluye con partículas suspendidas, las partículas suspendidas comienzan a vibrar con el medio, pero como las partículas de diferentes tamaños comienzan a vibrar con el medio, las partículas de diferentes tamaños tienen diferentes La velocidad de vibración relativa, las partículas chocarán y se unirán entre sí, y el volumen y el peso aumentarán. Dado que las partículas se hacen más grandes, ya no pueden seguir la vibración acústica, sino que solo pueden usarse para movimientos irregulares y continuar colisionando y uniéndose. Se hace más grande y finalmente se establece. Kotyasov y Newtson señalaron que el modelo anterior solo puede explicar el efecto de condensación del campo de sonido de las suspensiones de varios tamaños, y no es convincente enfrentar un sistema de suspensión de un solo tamaño. En base a esto, proponen una interpretación del efecto de condensación del campo sonoro basada en el modelo de acción colectiva de partículas. El modelo considera no solo la interacción entre dos partículas, sino la fuerza general entre todas las partículas. Bajo la acción del campo sonoro, en la región donde aumenta la densidad de las partículas dispersas, el área de sección transversal efectiva de la fase dispersa a la fase dispersa disminuye, lo que resulta en un aumento en la velocidad de flujo de la fase dispersa en relación con las partículas, acompañadas de un aumento en la tasa de dispersión entre las sustancias dispersas. La presión aumenta, de modo que la densidad de partículas sólidas aumenta aún más y, como resultado, el proceso de coagulación se acelera. Según este modelo, se introduce una serie de relaciones entre el incremento de inestabilidad del sistema de suspensión y la frecuencia ultrasónica y la potencia ultrasónica, y se verifican los hechos experimentales.

Sexto, filtración ultrasónica mejorada y deshidratación

La mezcla a menudo se filtra durante la separación química para eliminar partículas sólidas y purificar la solución. Los métodos de filtración convencionales tienden a provocar que pequeñas partículas obstruyan el filtro y la membrana del filtro debe reemplazarse con frecuencia. La irradiación ultrasónica tiene dos efectos especiales que ayudan a mejorar la técnica de filtrado. El efecto de condensación del campo de sonido puede causar que la agregación de partículas finas acelere la velocidad de filtración. El segundo es que el efecto de absorción de energía ultrasónica proporciona suficiente energía de vibración para el sistema. Parte de las partículas pueden flotar en el filtrado, proporcionando un paso más libre para el lavado. Los estudios han demostrado que la filtración ultrasónica mejorada (es decir, filtración acústica) puede reducir rápidamente el contenido de agua de la suspensión de carbón que contiene 50% de agua al 25%, mientras que la filtración convencional solo puede alcanzar el 40%. La filtración electroacústica combinado con el campo eléctrico mejorado y el campo de sonido puede aumentar el grado de secado de la suspensión de carbón en un 10%. Cuando se aplicó la tecnología de filtración electroacústica para filtrar el jugo de manzana de la pulpa, el contenido de humedad de la pulpa disminuyó del 85% al ​​38% inicial, mientras que el método convencional solo redujo el contenido de agua al 50%.

En las industrias de rocas de carbón, minerales y productos químicos, el material sólido separado por sedimentación, filtración, etc. debe eliminar la humedad del material tanto como sea posible antes del secado, ahorrando energía para el paso de secado. El campo de sonido ha mejorado la transferencia de calor y la transferencia de masa. Swamy y col. estudió la eliminación de siderita saturada de agua, arena y aserrín por deshidratación centrífuga bajo irradiación de campo sonoro de alta intensidad de 139dB (aproximadamente 100W) y 98kHz. La humedad en el material muestra que cuando se aplica deshidratación centrífuga a la onda sónica, el contenido de agua final obtenido por deshidratación centrífuga sin onda de sonido puede ser del 25% al ​​95% en diferentes condiciones, y la temperatura crítica también disminuye.

7. Adsorción y desorción mejorada de campo sonoro

La adsorción y la desorción se han utilizado ampliamente en las industrias química, alimentaria, metalúrgica y otras, desempeñando un papel cada vez más importante en la separación y purificación. La adsorción y la desorción son un par de procesos recíprocos. Bajo cavitación ultrasónica, el campo de sonido aumenta la velocidad a la que el adsorbato se difunde hacia el adsorbente; por otro lado, reduce la fuerza de van der Waals entre el adsorbato y el adsorbente. El primero tiene un efecto positivo y fortalece la adsorción; este último tiene un efecto negativo y fortalece la desorción. Por lo tanto, seleccionar los parámetros de campo de sonido adecuados puede mejorar la adsorción y la desorción por separado.

Se estudia el proceso de adsorción ultrasónica mejorada: bajo la acción de la energía ultrasónica, la tasa de adsorción de alcohol polivinílico, ácido acético-ácido butírico celulosa y glucosa aumenta en el cartón y la pulpa kraft decolorada; La adsorción de fósforo en el suelo después del tratamiento con KH2PO4 aumenta. La cantidad de adsorción de azul de metileno por arcilla y carbón activado aumentó; aumentó la velocidad de adsorción del reactivo orgánico en polvo y A1203 en polvo a los elementos limitados. Sin embargo, algunos estudios han encontrado que cuando la resina de intercambio iónico de fenol formaldehído XAD-2 (am berlita XAD-2) adsorbe ácido 4- (2-piridilazo) isoftálico (PAR), el efecto de los ultrasonidos de 20 kHz en la velocidad de adsorción es inferior a 21 Orpm . El efecto de la agitación mecánica, en el que la velocidad de adsorción de la agitación mecánica es 2-3 veces más rápida que la de los ultrasonidos.

Los primeros estudios sobre el proceso de desorción ultrasónica mejorada incluyen: desorción de yodo a partir de carbón activado; La desorción de Ag, Cu, etc. de Ge y Si, Krisccr y Lichtman estudiaron la desorción inducida por ondas de superficie ultrasónicas y observaron algunas sustancias adsorbidas. La desorción se atribuye a la excitación de las ondas subsuperficiales.

En los últimos años, la regeneración de desorción de adsorbentes de aguas residuales ha estado activa. Es un método simple y rápido para eliminar contaminantes hidrolíticos orgánicos como fenol y sustitutos de fenol del agua residual mediante el uso de carbón activado y resina de polímero, pero debido al adsorbente y adsorbato. Hay una fuerte afinidad entre ellos, y la regeneración de desorción del adsorbente sigue siendo un problema difícil. Los métodos más comunes para la desorción de fenol son la desorción térmica y la desorción química, pero la alta temperatura de la desorción térmica conduce a una disminución en la capacidad de intercambio del adsorbente después de la regeneración, mientras que la desorción química usa productos químicos y requiere dos separaciones después de la desorción. En la actualidad, Qin et al. informó el movimiento del equilibrio de adsorción durante la desorción del sistema de resina-fenol CLTBP bajo irradiación ultrasónica. Rege y col. estudió la tasa de desorción del fenol de dos resinas poliméricas cuando se desorbe del carbón activado bajo la acción de 40 kHz, 120 W, 1.44 MHz, campo de sonido de 100 W y 40 kHz, 120 W, 40 kHz, 60 W. Variedad. Sus resultados muestran que bajo irradiación ultrasónica, el efecto de difusión ultrasónica aumenta la velocidad de difusión de las partículas debido al efecto de perturbación ultrasónica, y el efecto de absorción de energía ultrasónica reduce la energía de activación de la reacción superficial de primer orden. Por lo tanto, la energía ultrasónica puede promover el fenol del carbón activado y la desorción en la resina polimérica, la tasa de desorción aumenta significativamente y el efecto es más pronunciado cuando el reactivador se aplica a baja temperatura, usando un regenerante y Una alta intensidad ultrasónica.

Ocho. Conclusión

La aplicación de ultrasonidos fuertes a menudo compensa las deficiencias de las reacciones químicas convencionales y las tecnologías clásicas de separación y purificación química, y crea un método nuevo y efectivo para mejorar el proceso de separación y purificación, que reduce el tiempo del proceso y mejora el efecto del proceso. Independientemente de las aplicaciones industriales o la investigación académica, los ultrasonidos fuertes tendrán una perspectiva de investigación más amplia en la industria química.