L'essència de l'efecte sonoquímic ultrasònic és la cavitació, que inclou tres passos: l'aparició de nuclis de gas, el creixement de les microbombolles i l'esclat de les microbombolles. Sota l'acció dels ultrasons, el líquid experimenta un moviment ràpid. A causa dels canvis en la pressió sonora, el dissolvent es comprimeix i es veu poc afectat. A la regió de fase escassa de l'ultrasò, la cavitat del gas s'expandeix i creix, omplint el vapor líquid o gas que l'envolta. A la regió de la fase comprimida, les bosses d'aire es col·lapsen i es trenquen ràpidament, produint un gran nombre de microbombolles que després poden servir com a nous nuclis de gas.
El motiu principal de la influència dels ultrasons en les reaccions químiques és que aquestes microbombolles poden generar fortes ones de xoc quan creixen i es trenquen de sobte. S'estima que quan esclaten les microbombolles, es pot generar una pressió de fins a megabars a l'espai local, amb una temperatura central de 104-106K. L'explicació de l'efecte del camp d'ultrasons encara no ha entrat a nivell molecular, però es manté al nivell del mecanisme mecànic de la població molecular.
Per exemple, l'efecte de cavitació i neteja sobre superfícies sòlides; L'efecte emulsionant dels líquids immiscibles; L'impacte de l'alta temperatura i pressió causada per les ones de xoc al microespai en la transferència de massa i energia durant l'esclat de microbombolles.
Les reaccions químiques ultrasòniques es poden dividir en dues categories segons el medi: ① sonoquímica en la fase aquosa. Sota l'acció dels ultrasons, l'aigua es descompon en radicals hidroxil i àtoms d'hidrogen, que poden desencadenar una sèrie de reaccions químiques.
Els halogenurs orgànics, com el CH2Cl2, el CHCl3 i el CCl4, experimenten una acció ultrasònica en medis aquosos, provocant que els enllaços d'hidrogen d'hidrogen es trenquin i generin radicals lliures. Els estudis sobre sonoquímica de biomolècules com proteïnes i enzims han demostrat que les reaccions sonoredox són el principal mecanisme que condueix a molts productes simples, com la sonoquímica en fases líquides no aquoses. El treball de recerca en aquest camp encara es troba en les seves primeres etapes.
El paper de la sonoquímica per ultrasons:
Quan l'ultrasò es propaga en medis líquids, genera una sèrie d'efectes com la mecànica, la termodinàmica, l'òptica, l'electrònica i la química mitjançant efectes mecànics, de cavitació i tèrmics. Els ultrasò especialment d'alta potència poden generar una forta cavitació, donant lloc a una formació instantània d'alta temperatura, alta pressió, buit i micro jet localment.
La tecnologia ultrasònica, com a mitjà físic i eina, pot generar una sèrie de condicions gairebé extremes en mitjans de reacció químic d'ús habitual. Aquesta energia no només pot estimular o promoure moltes reaccions químiques, accelerar la velocitat de les reaccions químiques, sinó també canviar la direcció de determinades reaccions químiques, produint efectes inesperats i miracles. En general, es creu que l'aparició dels fenòmens anteriors es deu principalment als efectes mecànics i de cavitació dels ultrasons, que canvien les condicions de reacció i el medi ambient com a resultat.
Acció mecànica: introduint ultrasò en un sistema de reacció química, l'ultrasò pot provocar que les substàncies experimentin un moviment forçat intens, generar força unidireccional per accelerar la transferència i difusió de substàncies, substituir l'agitació mecànica, pot provocar que les substàncies es desprenguin de la superfície i, per tant, actualitzin la interfície.
Efecte de cavitació - En alguns casos, la generació d'efecte ultrasònic està relacionada amb el mecanisme de cavitació. La cavitació ultrasònica es refereix a una sèrie de processos dinàmics que es produeixen sota l'acció de les ones ultrasòniques, incloent l'oscil·lació, l'expansió, la contracció i fins i tot el col·lapse de petites bombolles (forats) existents al líquid. En el punt de cavitació, l'estat local del líquid experimenta canvis significatius, donant lloc a una temperatura extrema i alta pressió. Proporciona un entorn físic i químic nou i molt especial per a reaccions químiques difícils o impossibles d'aconseguir en condicions generals.
Reacció química catalítica--
① Les condicions d'alta temperatura i alta pressió afavoreixen el trencament dels reactius en radicals lliures i carboni divalent, formant espècies de reacció més actives;
② Les ones de xoc i els microjets tenen efectes de desorció i neteja sobre superfícies sòlides (com els catalitzadors), que poden eliminar productes de reacció superficial o intermedis, així com capes de passivació a les superfícies del catalitzador;
③ Les ones de xoc poden danyar l'estructura dels reactius;
④ Sistema de reactius dispersos;
⑤ La cavitació ultrasònica erosiona la superfície metàl·lica, provocant la deformació de la gelosia metàl·lica i la formació de zones de tensió internes, millorant així la reactivitat química del metall;
⑥ Promoure la penetració de dissolvents a l'interior dels sòlids, donant lloc a les anomenades reaccions d'inclusió;
⑦ Millorar la dispersió del catalitzador;
L'aplicació de la sonoquímica per ultrasons:
La sonoquímica ultrasònica es pot aplicar a gairebé totes les reaccions químiques, com ara extracció i separació, síntesi i degradació, producció de biodièsel, tractament microbià, degradació de contaminants orgànics tòxics, tractament de biodegradació, trituració de cèl·lules biològiques, dispersió i agregació, etc.
◆ Extracció de la medicina tradicional xinesa: es refereix a la trituració ultrasònica (fragmentació) de cèl·lules de la medicina tradicional xinesa per aconseguir una extracció eficient de substàncies útils. En comparació amb les tècniques d'extracció tradicionals, l'extracció assistida per ultrasons té avantatges com ara velocitat ràpida, baix cost, alta eficiència, seguretat, baix cost i àmplia aplicabilitat.
◆ Producció de biodièsel: l'oli de biomassa es prepara mitjançant emulsió ultrasònica: la loció dièsel dispersa les gotes d'oli bio en un altre fluid dièsel immiscible. En comparació amb altres tecnologies, les gotes preparades es poden dispersar finament, amb una distribució estreta, alta eficiència, bon efecte de dispersió i poden augmentar l'estabilitat de la loció.
◆ Organismes antimarins ultrasònics: basat en l'efecte de cavitació dels ultrasons, quan el nucli de la microbombolla del líquid s'activa per ultrasons, presenta una sèrie de processos dinàmics, com ara l'oscil·lació, el creixement, la contracció i el col·lapse de la bombolla. Les bombolles del líquid generen centenars d'atmosferes i milers de graus centígrads d'alta temperatura en el moment de la ruptura, fent que l'adhesió dels organismes marins es desprengui ràpidament i aixafi les seves cèl·lules epidèrmiques, aconseguint així l'objectiu de prevenir els organismes marins.
◆ Catàlisi ultrasònica: l'ultrasò s'aplica als processos de reacció catalítica, que poden simular reaccions d'alta temperatura i alta pressió en reactors a escala microscòpica, proporcionant un entorn físic i químic molt especial per a reaccions catalíticas que són difícils o impossibles d'aconseguir en general. condicions. Les reaccions catalítiques es poden dur a terme en ambients més suaus. Pot millorar encara més la velocitat de reacció, escurçar el temps de reacció i augmentar el rendiment del producte objectiu. Les principals aplicacions inclouen catàlisi superficial metàl·lica, catàlisi de transferència de fase, catàlisi enzimàtica, etc.
Dispersió ultrasònica: es refereix al procés en què el líquid s'utilitza com a mitjà i l'acció de les ones ultrasòniques en el líquid dispersa i desmunta les partícules mitjançant la cavitació. La dispersió ultrasònica es pot dividir en dispersió de locions (dispersió líquid-líquid) i dispersió de suspensió (dispersió sòlid-líquid), que s'han aplicat en molts camps. L'aplicació de la dispersió ultrasònica en suspensió també es dispersa en aigua o dissolvents a la indústria de la pintura, colorants en parafina fosa, partícules de fàrmacs a la indústria farmacèutica i a la indústria alimentària, entre d'altres.
