梁 廣（廣東省特種設(shè)備檢測研究院珠海檢測院，廣東珠海 519000）

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關(guān)于超聲波在化學(xué)化工中的應(yīng)用研究

梁 廣
（廣東省特種設(shè)備檢測研究院珠海檢測院，廣東珠海 519000）

摘 要：隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，我國涌現(xiàn)出許多新工藝和新技術(shù)，有效推動了我國化學(xué)化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。超聲波技術(shù)作為一種先進(jìn)的技術(shù)，將其應(yīng)用在化學(xué)化工行業(yè)中，能夠利用該技術(shù)的機(jī)械作用、熱作用和空化作用，影響其生產(chǎn)對象，促進(jìn)產(chǎn)率的增加以及化學(xué)反應(yīng)速度的提高，實(shí)現(xiàn)化工業(yè)的長足發(fā)展。本文就關(guān)于超聲波在化學(xué)化工中的應(yīng)用進(jìn)行深入分析和探討。

關(guān)鍵詞：超聲波；化學(xué)化工；應(yīng)用

近年來，隨著超聲波技術(shù)在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，如新材料合成、廢水處理、化工過程及化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)化等，人們越來越重視超聲化學(xué)的研究。超聲波技術(shù)作為一種物理工具，其能夠在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生瞬間和局部的高溫高壓、急劇放電等，促使化學(xué)反應(yīng)速度加快，保證化工生產(chǎn)的效果［1］。由于超聲波技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，因此其應(yīng)用范圍不斷被擴(kuò)展，有利于為化工行業(yè)注入新的活力。

1 超聲波概述

超聲波的重要構(gòu)成元素為縱波，其主要是借助液體介質(zhì)來進(jìn)行傳播，并利用功率超聲空化液體，產(chǎn)生大量的能量效應(yīng)，強(qiáng)化界面間的傳遞過程和化學(xué)反應(yīng)過程。在化學(xué)化工中應(yīng)用超聲波時(shí)，可以利用空化氣泡內(nèi)產(chǎn)生的自由基、化學(xué)鍵斷裂和高溫分解等反應(yīng)，強(qiáng)化傳熱過程，有效實(shí)現(xiàn)化學(xué)效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。一般而言，超聲波效率的影響因素較多，如pH值、粘度、表面張力、溶液溫度、溶解氣體、反應(yīng)器形式、超聲波頻率和強(qiáng)度等。此外，超聲波也具備自身的一些特征：一是在液體與固體中衰減較小。對于超聲波而言，其在液體與固體中不易衰減，而在空氣中衰減的速度較快，因此在海洋中的應(yīng)用較為廣泛。二是易獲得較大功率。由于聲強(qiáng)與頻率的平方呈正比關(guān)系，因此其具有較高的功率。三是易接收目標(biāo)。當(dāng)超聲波與障礙物時(shí)，其具有較小的衍射作用，因此反射波束不易擴(kuò)散，較易接收被探測的目標(biāo)。

2 超聲波在化學(xué)化工中的應(yīng)用

2.1 萃取分離中的應(yīng)用

超聲技術(shù)在萃取分離中的應(yīng)用較為廣泛，超聲波能夠利用液體的空化作用，對溶劑萃取加以強(qiáng)化，但是由于萃取體系性質(zhì)、作用時(shí)間、頻率和超聲功率比等會影響空化效應(yīng)參數(shù)，因此這些因素也會對萃取的效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在萃取過程中應(yīng)用超聲波時(shí)，能夠打破傳統(tǒng)的改變壓力、機(jī)械攪拌和熱處理等方式，進(jìn)行液-液萃取和固-液萃取，從而促進(jìn)萃取分離傳質(zhì)效果和速率的強(qiáng)化［2］。例如利用乙醇萃取分離姜黃色素時(shí)，可利用超聲波來影響固-液體系的提取率以及浸取速率。又如超聲萃取黃連素和螺旋藻時(shí)，利用超聲品來提取黃連素，而不改變其結(jié)構(gòu)，有效手段萃取的時(shí)間，保證萃取具有較高的重復(fù)性。

2.2 聚合反應(yīng)中的應(yīng)用

一般高強(qiáng)度的超聲能夠引發(fā)單體聚合效應(yīng)和聚合物降解效應(yīng)。超聲降解后產(chǎn)生的降解物具有較小的分子質(zhì)量分布以及較高的純度；而單體聚合反應(yīng)則能夠在超聲空化效應(yīng)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生局部的高壓與高溫情況，形成自由基，從而獲取均勻的聚合物分子質(zhì)量，加快反應(yīng)速度。一般在降解反應(yīng)中，其能夠合成共聚物，產(chǎn)生高分子的自由基，并在超聲空化的基礎(chǔ)上偶聯(lián)兩種聚合物。例如在甲基丙烯酸甲酯聚合反應(yīng)過程中，其引發(fā)劑可選用高功率超聲，從而有效對其進(jìn)行聚合，形成自由基聚合反應(yīng)?？傮w而言，在超聲空化作用下進(jìn)行降解反應(yīng)時(shí)，能夠?qū)酆衔锏姆肿恿拷Y(jié)構(gòu)及其分布進(jìn)行有效控制，獲取較為理想的高聚物。

2.3 有機(jī)合成中的應(yīng)用

對于超聲波而言，其在有機(jī)合成中的應(yīng)用相對較早，能夠?qū)瘜W(xué)反應(yīng)條件加以改進(jìn)，減少反應(yīng)時(shí)間，促進(jìn)反應(yīng)產(chǎn)率的提高，有效改變反應(yīng)的方向和途徑，為能量在分子中的應(yīng)用提供重要參考依據(jù)。隨著技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，均相催化反應(yīng)作為有機(jī)均相反應(yīng)中的一種重要形式，將超聲波技術(shù)應(yīng)用在其中，這樣超聲空化氣泡在崩潰時(shí)會產(chǎn)生大量的能量，致使有機(jī)物鍵發(fā)生斷裂現(xiàn)象，促進(jìn)溶劑結(jié)構(gòu)的改變以及自由基的產(chǎn)生，在一定程度上影響反應(yīng)速度［3］。例如進(jìn)行Fe（CO）5催化戊烯異構(gòu)反應(yīng)時(shí)，在超聲的前提條件下，反應(yīng)速度會明顯增加，催化有機(jī)金屬化合物，并且外力作用會導(dǎo)致配位體與金屬的結(jié)合鍵發(fā)生斷裂，有效促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。超聲技術(shù)被廣泛應(yīng)用在多相反應(yīng)中，如氧化還原反應(yīng)、取代反應(yīng)和加成反應(yīng)，如在醋酸銨和醋酸體系的傳統(tǒng)反應(yīng)中，在100℃的條件下進(jìn)行數(shù)小時(shí)反應(yīng)，其收率低下，而在22℃的情況下利用超聲波反應(yīng)3h，其收率能夠達(dá)到89%～99%，但是在室溫情況下，如果缺乏超聲輻射，往往難以實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)。

2.4 結(jié)晶過程中的應(yīng)用

將超聲波應(yīng)用在過飽和溶液中，能夠有效形成新相，并借助高壓實(shí)現(xiàn)反應(yīng)溶液的碎片化，從而對顆粒形貌加以控制，促進(jìn)成核速率的增加和分散程度的提高，強(qiáng)化微觀反應(yīng)，保證結(jié)晶過程的順利完成。值得注意的是，在超聲空化氣泡崩

潰時(shí)，往往會產(chǎn)生微射流，凹蝕晶體表面，如果其具備較大的強(qiáng)度時(shí)會破壞晶體生長，嚴(yán)重時(shí)會擊碎晶體，因此在應(yīng)用超聲波時(shí)需要對其頻率加以控制［4］。例如在Mg3（OH）5Cl·4H2O的結(jié)晶過程中，可采用250W和33kHz的超聲波，將原本需要12h的結(jié)晶過程縮短為4h，這樣成核速度會隨超聲波頻率的增加而變快，縮短誘導(dǎo)期和完全結(jié)晶所用的時(shí)間。

2.5 清洗工作中的應(yīng)用

清洗工作作為化學(xué)化工行業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，將超聲波技術(shù)應(yīng)用在該項(xiàng)工作中，能夠有效保證清洗的質(zhì)量和效率，易于清洗干凈狹縫、深空和盲孔等。一般超聲清洗工作主要是對兆赫、高頻和低頻等波段的超聲波加以應(yīng)用，其中兆赫清洗是對集成電路的薄膜、硅片、芯片等加以清洗；高頻超聲清洗則是對微電子元件加以清洗；低頻則是對大部件表面污物加以清洗，從而保證相關(guān)設(shè)備的順利運(yùn)行。

3 結(jié)束語

綜上所述，聲化學(xué)作為一門交叉學(xué)科，其集化學(xué)和物理于一體，將超聲波應(yīng)用在化學(xué)化工行業(yè)時(shí)，應(yīng)從萃取分離、聚合反應(yīng)、有機(jī)反應(yīng)和結(jié)晶過程等方面進(jìn)行綜合考慮，從而為化學(xué)化工行業(yè)注入新的活力。目前，聲化學(xué)正處于快速發(fā)展的重要時(shí)期，超聲波在化學(xué)化工中的應(yīng)用已經(jīng)成為重要的研究方向，將傳統(tǒng)的技術(shù)與超聲波技術(shù)進(jìn)行有效融合，能夠有效推動我國化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張紅喜，董憲姝，李治龍，等.超聲電化學(xué)在化工中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2010，（S2）：33-37.

［2］ 劉樸茂.超聲波技術(shù)在石油化工領(lǐng)域的研究進(jìn)展［J］.化學(xué)工程與裝備，2012，（07）：131-133.

［3］ 徐暉.超聲波液相脫氣原理及研究進(jìn)展［J］.安全與環(huán)境工程，2014，（01）：62-68.

［4］ 戚品豹.環(huán)己酮裝置超聲波防除垢節(jié)能技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用［J］.化學(xué)工程，2013，（05）：1-5.

Research on Ultrasonic Wave in Chemistry and Chemical Engineering

Liang Guang

Abstract：With the accelerated process of industrialization，the emergence of many new technology and new technology to effectively promote the sustainable development of chemistry and chemical engineering industry.Ultrasound technology as an advanced technology，its application in the chemical industry，chemical，mechanical action to take advantage of this technology，the thermal effect and cavitation effect，affecting its production target，promote increased chemical reaction rate and improve yield，to achieve the rapid development of the chemical industry.This article about ultrasound in chemistry and chemical engineering applications in-depth analysis and discussion.

Key words：ultrasound；Chemistry；Applications

中圖分類號：TQ03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003–6490（2016）02–0048–02

收稿日期：2016–01–23

作者簡介：梁廣（1980—），男，廣西柳州人，工程師，主要從事鍋爐介質(zhì)和燃料檢測工作。