超声空化与过程强化

超声空化与过程强化戴曦张传福(中南大学冶金系,长沙410083)摘要:随着超声技术应用广泛而迅速的发展整整一个世纪来超声空化成了经久不衰的研究课题特别是近10年来超声空化成了多种学科的基础研究热点,本文扼要地介绍了超声空化的最新研究进展,以及超声空化强化过程的途径关键词:超声空化;过程强化;途径中团分类号:TB80文献标识码:A早在100年前,英国第一艘驱逐舰下水声致发光( Sonoluminesceme)时,发现了一系试验时,就发现螺旋浆推进器在水中引起剧列十分新奇的现象6.一是源于分子、离子烈振动现象, Thornycroft和 Barnaby研究或原子的蓝光(频率为8x101H2)发射的表明,这是由于螺旋浆的旋转产生了大量气个光子能量为3ev,而产生声致发光的典型泡,这些气泡在水的压力作用下随即收缩至声压为1atm,对应于每个原子区域的能量为内爆而产生的,这是在历史上首次对空化1.08×10%ev,这意味着声致发光包含了大Cavitation)现象物理本质的描述。约10量级的聚焦或放大过程,而中子引起声能量与物质间的作用形式同位素裂变释放的能量放大也仅为08超声空化10°。其次是发光反复闪现,具有精密时钟般的发光特性.每次闪光持续时间仅为与热能、光能、电能不同,超声能量与物10-s,比氢原子中最快的可见跃迁(从3质间具有一种独特的作用形式一超声空→2重态)还要快一倍多,研究认为,这种化(-3.所谓超声空化( Ultrasonic发光现象是由气泡的高度非线性振动产生Cavitation)是指存在于液体中的微小气泡的(空化核)在超声场的作用下振动,生长收2超声强化过程机理(-男缩和崩溃的过程. Suslick等人用实验的方法测定了气相反应的温度达到了5200目前,超声强化过程机理的研究多处于±650K,液相反应区的有效温度在190K左定性讨论的阶段,物理学家们明确指出超右,局部压力在505×10Pa以上,而气泡声场的介人不仅仅象热能光能、电能那样液相层厚度在200mm~300mm之间,同以一种能量的形式发挥作用,降低过程的能时这种局部高温高压存在的时间非常短,垒,而且由于声能量与物质间的一种独特的仅有几微秒,所以温度变化率高达10K相互作用形式—超声空化,使其成为过程20世纪90年代初,美国科学家 Crum Bar-强化的十分有效的手段ber及 Putterman等人在研究单气泡空化的强超声场在媒介中传播时,会产生一系作者简介:戴囔(1963-),副教授列效应,如机械效应、热效应、化学效应、光反应中消耗掉;另一种是金属只起催化作效应等.在机械效应中有搅拌、分散、除用,声空化所产生的冲击波及溶剂向金属表气成雾、凝聚、冲击破碎和疲劳损坏作用;面高速喷射的微射流使金属表面不断被清在热效应中有声能被吸收而引起的整体加洗、腐蚀、更新和激活,增加有效反应面积而热,边界处的局部加热;在化学效应中可以加速反应,(2)有粉末状的固体颗粒参与的促进氧化、还原、促进高分子物质的聚合或反应:声空化能将金属或非金属颗粒进一步解聚作用等。文献〔8)提出了超声强化过程粉碎,增加反应面积和使表面活化,有可能的四个附加效应,即湍动效应、微扰效应、界替代相转移催化剂(PTC),作为促进固一液面效应和聚能效应多相反应的一种新手段,同时空化作用使多以固液体系为例,超声空化产生的声冲相介质混合得更均匀,提高质量的传输击波引起体系的宏观湍动和固体颗粒的高速(3)乳化反应:声空化促使两种不相溶的液冲撞,使边界层减薄、增大传质速率,称之为体迅速乳化,增加反应区域,可以代替“湍动效应”;超声空化的微扰动可能使固液PTC.如果将PTC和声空化作用结合起传质过程的瓶颈”—微孔扩散得以强来,效果更好。(4)均相反应:空化泡中一般化,称之为“微扰效应”;超声空化产生的微充有气体和溶剂的蒸汽,当气泡崩溃时,蒸射流对固体表面的剥离凹蚀作用创造了新汽受压缩而产生局部高温、高压,产生自由的活性表面,增大了传质表面积,称之为“界基,伴随冲击波的作用会改变溶剂结构而影面效应”;超声空化的能量聚结产生的局部响反应高温高压能使物质分子与固体表面分子结合3.1超声辐射下化学沉积制备 Cu/AL,O3复键断裂而活化,实现传质,称之为“聚能效合粉体材料在化学沉积法制备 Cu/Al,O,复合粉体理论与实验研究已证实,空化过程可以材料中引人超声波因反应体系中存在很多把声场能量集中起来,伴随空化泡崩溃瞬高温、高压的“微反应器”,可使水产生氢自间,在液体中的极小空间内将其高度集中的由基H·和HO2,“OH和H2O2的存能量释放出来,形成异乎寻常的高温在,可将Cu氧化为Cu,从而抑制副产物(>500K)高压(>5X10Pa)强冲击波Cu1O的形成,同时,超声产生的速度很快的射流等极端条件,这就为在一般条件下难以微小射流有利于加速质量传递,从而既加速实现或不可能实现的化学反应提供了一种新了Cu2被还原成金属铜反应的进行,又强化的非常特殊的物理化学环境了搅拌,有利于脱除反应过程中产生的氢3超声强化过程研究与应用气.此外超声的空化效应打断了正常发育的晶粒,使之成为新的、更小的晶核,有利于镀超声可以分为两类:一类是高频超声层晶粒变小及使晶粒迅速而平缓地沉积在(1~10MHz).已在医学成像等方面获得了AQO3颗粒表面,在超声辐照下进行化学成功的应用,并在化合物结构分析中发挥作镀钢,可有效地改善镀层的质量,获得晶粒用,另一类是功率超声(15~60kHz),以过度小铜与Al4O3颗粒界面粘结性好、厚度均程强化为目的。匀的表面铜层。而非超声条件下,AO3颗在低超声频段(20~50kHz)进行的反粒表面铜层厚度不够均匀,有的部位铜层呈应大致可以分为四种基本类型:(1)有金断续状,少量颗粒无铜层,并有游离金属Cu属表面参与的反应;一种是金属作为试剂在出现,2超声波在浸出过程中的应用作用方式—超声空化,在某些情况下能缩超声波已成功地应用于氰化堆浸提金短反应诱导时间减少某些经典反应步骤,中,使浸出时间由24h缩短到12h,金浸出率加速反应过程,提高反应率,避免某些副反提高5%~20%.对于铜的高价铁盐浸出应,降低反应条件以及进行一些用传统方法体系,由于超声波空化作用产生的微射流削难以实现的反应弱或减弱了边界层,加大了传质速率,破坏(2)开拓高效、节能、降耗的工艺过程,有或溶解了钢粒表面的钝化膜和元素硫阻力可能利用超声场的强化得以实现膜,使铜粒表面裸露出来,因而大大加速了(3)声空化的形成状态及强度与声参铜的溶解过程.铜浸出率提高5%~10%.数、介质的物理化学性质以及周围环境有3.3超声波改变材料犄性°关英国考文垂大学超声波研究中心借助高参考文献能超声波来分开然后挤压材料分子,通过在分子水平上对材料进行操作,使材料获得各1 Suslick K S. Ultrasonics,190,28(5:279种新的特性,该中心研究人员指出,超声波2 Mason T J. Sonochemistry,,90可使材料内部产生各种扰动从而对固体或3应学福超声学北京科学出版社,190液体材料形成“搅拌”效应,引发材料内部4 Suslick K s, Hammerton D A. et al. J. Am.Chem. Soc产生化学反应,可以用来获得特殊的微型涂5 Crum L A.Phys. Toda,194,9n敷粉粒材料或去除某些材料中的疵点超声6 Barber B p, Putterman S J. Nature,19波技术在纳米尺度材料制造等领域都将有很352:318大的应用潜力,有可能会给材料科学研究带7 Mason t j and Lorimer JP. Sonochemistry来诸多新的变革3.4超声强化萃取Chemistry. Halsted press, 19888秦炜,原永辉戴猷元化工进展,195,1:1B Pesic等人⑦研究了超声场对镍的萃9冯若,李化茂声化学及其应用安撒科技出版取过程的强化.结果表明,超声场的引人将社,19253明显提高镍的萃取速率,然而,与机械搅拌10林仲茂应用声学199,12(1):1相比较,萃取率并没有发生变化.这说明,11周验,赵逸云,莫威等应用化学,199(2):9912赵逸云冯若杨晓云等声学技术,19981:12超声场强化了该动力学过程.但是超声场 13 Zhao yiyun, Bao Siguan, Feng ruo et对钻的萃取过程的影响却有所不同,不仅加al. Ultrasonics Sonochemistry, 1995, 2(2): 99快了萃取速率,而且使最终的萃取率明显提14赵邊云,冯若鲍慈光等化学通报,197(9:高. B Pesic等人认为这是由于超声场的介人使Co3氧化成Co3,改变了原有的平衡15孙家寿罗惠华等,混法冶金19(:2关系。16杨晓蝉现代材料动态,19(3):2917 Pesic B,et alMetallurgical Transaction B4结论与展望(1)超声波利用声能量与物质间的独特