Реферат: Методы активации химических процессов

Очевидно, что лишь часть энергии ультразвуковых волн, распространяющихся в жидкости, расходуется на образование кавитационных пузырьков.

Остальная часть идет на возникновение микропотоков, нагревание жидкости, образование фонтана и распыление жидкости.

Энергия схлопывающихся пузырьков расходуется на излучение ударных волн, на локальный нагрев газа, содержащегося в сжимающихся кавитационных полостях, на возбуждение сонолюминисценции, на образование свободных радикалов, а также на создание шума (см. рис. 1).

                                                                             Ек                      Есл

         Епс         Екк           Епр          Е                    Емп                    Еха  

                                                                            Ен                      Еув

   

                                                                             Еф                     Еш

Рис.1. Схема распределения энергии при озвучивании объема жидкости

Епс - энергия потребляемая из сети; Екк - энергия, возникающая в колебательном контуре генератора; Еп - энергия излучаемая преобразователей; Е - общая энергия; Ек - энергия, затраченная на создание кавитации; Емп - энергия образования микропотоков; Ен - энергия, расходуемая на нагревание жидкости; Еф - энергия образования фонтана и распыление жидкости; Есл - энергия возбуждения сонолюминесценции; Еха - химикоакустическая энергия (энергия образования свободных радикалов); Еув - энергия ударных волн; Еш - энергия возникновения шума.

Чем к более дальнему правому краю цепочки будет отнесен энергетический выход реакции, тем больше можно извлечь данных о природе первичных элементарных актов (например, относить энергетический выход к Епс не имеет смысла, хотя Епс очень легко измерить).

В настоящее время количественно учесть вклад каждого из этих компонентов энергетических затрат в процессе образования радикальных продуктов расщепления воды не представляется возможным.

Но необходимость оценки энергетического выхода ультразвуковых реакций назрела уже давно.

Для оценки химической активности ультразвукового поля Розенберг ввел понятие химикоакустического КПД (hХА) как произведение степени кавитационного использования акустической энергии a на коэффициент химической активности кавитации c:

где Е – акустическая энергия, вводимая в жидкость; EK – акустическая энергия, затрачиваемая на образование свободных радикалов, которая называется химико-акустической энергией.

ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАВИТАЦИОННЫХ ПУЗЫРЬКАХ

В акустическом поле при наличии кавитации протекает ряд химических процессов. Их протеканию способствуют высокие давления, развивающиеся в микрообъеме кавитационного пузырька.

При постоянном содержании газа в пузырьке и давлении окружающей жидкости минимальный радиус кавитационного пузырька определяется по формуле:

Давление в пузырьке в этом случае выразится так:

где P - давление газа в пузырьке при максимальном радиусе, P0 – гидростатическое давление, g=СP/Cv.

При адиабатическом характере захлопывания пузырька температура в нем составляет:

Tmax=T0[((g-1)P0)/P]3(g-1),

где T0 – температура жидкости.

При Rmin=0.1Rmax; P0=105 Па; γ=3/4; и Т0=3000С давление газа в пузырьке при максимальном радиусе составит P=3.3×103 Па. Подставив эти значения в уравнения (1) и (2), получим, что при захлопывании кавитационного пузырька давление достигает Pmax=3×107 Па, а температура Тmax=3000 К. Столь высокие температуры, развивающиеся в маленькой газонаполненной полости, создают условия для появления в ней электрических зарядов, люминесценции, богатых энергией диссоциированных и ионизированных молекул, а также атомов и свободных радикалов.

В кавитационную полость могут проникать пары воды, растворенные газы, а также вещества с высокой упругостью пара, т.е. вещества, которые в отличие от неорганических солей обладает способностью к испарению, и не могут проникать ионы или молекулы нелетучих растворенных веществ. Выделяющейся в процессе схлопывания пузырька энергии достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул Н2О, газов и веществ с высокой упругостью пара внутри кавитационной полости.

Любой из присутствующих газов является активным компонентом, участвуя в передаче энергии возбуждения, перезарядке и других процессах. Действие ультразвука на вещества, проникающие в полость, является непосредственным, прямым.

При схлопывании кавитационного пузырька в раствор переходят радикалы H×, OH×, ионы и электроны малой энергии, образовавшиеся в газовой фазе при расщеплении молекул Н2О и веществ с высокой упругостью пара, продукты их взаимодействия и частичной рекомбинации, а также, метастабильные молекулы Н2О*.

Эти активные частицы после, переходя в раствор, сольватируются и реагируют с растворенными веществами. Здесь осуществляется так называемое косвенное действие акустических колебаний.

При отсутствии в растворе веществ с высокой упругостью насыщенного пара, способных проникать в кавитационный пузырек, внутри него независимо от природы растворенных веществ находятся лишь два компонента: пары воды и растворенный газ.

Поэтому воздействие ультразвуковых колебаний на водные растворы сводится, в конечном счете, к единственному процессу - расщеплению молекул воды в кавитационных пузырьках.

В связи с этим звукохимический КПД для различных звукохимических реакций оказывается величиной, зависящей только от природы растворенного газа.

Большинство химических реакций в растворе инициировалось звуковыми волнами разной частоты. Многие исследователи не обнаружили в пределах ошибки эксперимента влияние частоты на эффективность звукохимических реакций.

Вместе с тем известно, что при очень высоких частотах (выше 3 МГц) некоторые реакции осуществить не удается, так как в этих условиях затрудняется возникновение кавитации. С другой стороны для осуществления звукохимических реакций необходимо достижение пороговой мощности, при которой возникает кавитация.

ЭРОЗИЯ И ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

В настоящее время ультразвук широко используется в технологии для диспергирования твердых тел и очистки их поверхности. По своей природе к этим процессам близка эрозия поверхности твердых тел, возникающая под действием кавитации. Так как в каждом из этих процессов осуществляется разрыв связей в кристаллической решетке, рассматривать их будем совместно.

Существуют различные методы исследования кавитационной эрозии. Весьма широко применяется метод, по которому измеряется убыль массы небольшого алюминиевого образца, помещенного в исследуемую точку кавитационного поля; исследуется также разрушение поверхности стеклянной пластинки и светочувствительного фотослоя; измеряется суммарная площадь отверстий, образовавшихся в алюминиевой фольге под действием кавитации.

Разрушение агломератов в акустическом поле происходит под действием ударных волн, микроструек жидкости, и так называемых фрикционных потоков, образующихся при торможении акустических течений у твердой плоской поверхности.

Для оценки эрозионной эффективности акустической энергии, которая связана с энергией ударных волн, образованных кавитационными пузырьками, вводят понятие эрозионно-акустического КПД:

hэр=Ем/Е,

где Ем - энергия, затрачиваемая на механическое эрозионное разрушение. Существуют методы расчета Ем, базирующиеся на данных об энергиях связей в кристаллическом веществе.

ВЛИЯНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА

СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Несмотря на широкое распространение сорбционных процессов в современной химической технологии, их применение в целом ряде процессов ограничено из-за недостаточно высокой емкости сорбентов или же из-за длительности их насыщения.

В многих работах показано, что использование колебаний акустических колебаний в процессах сорбции позволяет резко сократить продолжительность насыщения сорбента, а в некоторых случаях и увеличить его емкость.

Наиболее характерным примером ускорения сорбции при воздействии акустических колебаний является процесс абсорбции газа жидкостью. Известно, что в этом процессе при соприкосновении жидкости и газа на поверхности раздела обеих фаз образуется жидкостная и газовая пленки. Растворимый компонент газовой смеси диффундирует сквозь газовую пленку, обедненную этим компонентом. Эти пленки на границе раздела фаз создают большое диффузионное сопротивление и, как следствие этого, замедляют протекающий процесс.

Для ускорения процесса обычно используют следующие методы или их сочетания: увеличение поверхности контакта; взаимодействие абсорбента с абсорбируемым веществом, влияющее на изменение профиля концентрации в абсорбенте; турбулизация жидкости и газа для создания условий массопереноса под действием турбулентной диффузии. Именно на турбулизирующем действии акустических колебаний и основывается сокращение времени насыщения сорбента в акустическом поле.

Наиболее выгодно применять акустические колебания для интенсификации процесса абсорбции, когда механическая турбулизация жидкости невозможна.

Использование акустических колебаний для увеличения емкости сорбента возможно лишь в случае использования твердого сорбента. Твердые сорбенты, как известно бывают двух типов: микрокристаллические (пористые) со средним размером пор больше 150 Å и смолистые (ионитовые) - с размером пор          менее 5 Å.

Увеличение емкости сорбента при воздействии акустических колебаний происходит вследствие того, что кавитационные пузырьки вскрывают новые поры в зернах.

При акустическом воздействии на микрокристаллический сорбент изменяется не только поверхностный слой зерен, но и капилярная структура сорбента. В некоторых случаях возможно также повышение некомпенсированных молекулярных сил поверхности, включая поверхность стенок микро- и макрокапиляров.

Вследствие различной механической прочности, время акустического воздействия подбирается для каждого сорбента индивидуально.

Например, при одноминутном акустическом воздействии на анионит      АВ-17 величина сорбционной емкости не изменилась и осталась равной             144 мг/г. Одноминутное акустическое воздействие на анионит ЭДЭ-10П поднимает его сорбционную емкость со 134 до 152 мг/г. При 15-минутном воздействии емкость анионита АВ-17 возрастает до 190 мг/г, а анионита         ЭДЭ-10П падает до исходной вследствие разрушения поверхности зерен.

При применении твердого сорбента акустические колебания также способны значительно интенсифицировать процесс сорбции. Это происходит в результате снятия диффузионных ограничений в поверхностном адсорбционном слое и выравнивания концентрации при перемешивании жидкости. Данные по сорбции иона натрия из раствора на катионите СГ-1 (рН=8) свидетельствуют о том, что акустическое воздействие повышает скорость сорбции примерно в два раза.

Специальная аппаратура для процессов акустической сорбции в настоящее время не выпускается, поэтому используются акустические аппараты, выпускаемые для других целей. При использовании твердого сорбента, в связи с трудностью проникновения акустических колебаний вглубь слоя сорбента, применяют аппараты с большой излучающей способностью (ванны).

Во избежании разрушения сорбента при воздействии акустических колебаний необходим постоянный контроль процесса.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. М.: Химия. 1983. 191 с.

2. Маргулис М.А. Основы звукохимии. М.: Химия. 1984. 260 с.

3. Гиневский А.С. Аэроакустическое взаимодейстиве. М.: Машиностроение. 1978. 178 с.

4. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука. 1973. 552 с.

5. Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. М.: Химия. 1990. 206 с.