ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химико-технологический факультет

РЕФЕРАТ

по курсу " Методы активации химических процессов "

на тему:

ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ИНТЕНСИФИКАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Выполнил: ст. гр. МАГ-V

Нагорный О.В.

Проверила: к.х.н. Глушанкова И.С.

Пермь, 2000

ВВЕДЕНИЕ

Для интенсификации технологических процессов применяют различные физические факторы воздействия, в частности акустические колебания. Изучением взаимодействия мощных акустических волн с веществом и возникающих при этом химических и физико-химических эффектов занимается звукохимия.

Изначально вопросы такого рода относились к одному из разделов акустики, однако со временем данный раздел настолько разросся, что стал самостоятельной областью науки, из которого в свою очередь, выделились молекулярная акустика и квантовая акустика.

Молекулярная акустика изучает взаимодействие слабых акустических волн с веществом, которое обычно не приводит к химическим реакциям в среде.

Взаимодействие звуковых квантов – фононов – друг с другом, с ядрами атомов и с электронами является объектом исследования квантовой акустики.

Акустические колебания с частотой выше 20 кГц условно принято называть ультразвуковыми, от 15 Гц до 20 кГц – звуковыми, а ниже 15 Гц – инфразвуковыми.

В молекулярной акустике используют гиперзвуковые колебания с частотой выше 1 гГц, однако, в звукохимии их не применяют.

Химическое действие акустических колебаний отличается большим разнообразием. Звуковые и ультразвуковые волны могут ускорять некоторые химические реакции за счет:

• эмульгирования некоторых жидких компонентов;

• диспергирования твердых компонентов реакции или катализаторов;

• дегазации, предотвращения осаждения или коагуляции продуктов реакции;

• интенсивного перемешивания и т.д.

Но действие ультразвука, например, на катализаторы нельзя сводить только к тривиальному диспергированию. При определенных условиях обнаруживается повышение активности катализаторов; природа этих эффектов пока недостаточно ясна.

Одной из основных задач звукохимии является исследование химических реакций, возникающих под действием акустических колебаний (звукохимических реакций), которые в отсутствии акустических волн не идут, или идут, но медленно. Поэтому главное внимание уделяется звукохимическим реакциям.

О РАЗВИТИИ ЗВУКОХИМИИ

Зарождение и развитие звукохимии было подготовлено обширными исследованиями по акустике и химической кинетике.

В 1927 году Ричардс и Лумис обнаружили, что под воздействием ультразвука в водном растворе выделяется молекулярный иод.

Это открытие стало отправной точкой для экспериментальных поисков новых звукохимических реакций.

В 1933 году Бойте показал, что при действии ультразвука на воду, в которой растворен азот, образуются азотистая кислота и аммиак.

Маргулисом, Сокольской и Эльпинером (1964 год) были осуществлены звукохимические реакции стереоизомеризации малеиновой кислоты и ее эфиров в фумаровую, которые идут по цепному механизму.

К настоящему времени опубликовано много работ по звукохимическим реакциям. Примеры звукохимических реакций показаны в таблице 1. В этой таблице также приведены величины энергетических выходов звукохимических реакций (число молекул продукта, образовавшихся при затрате 100 эВ химико-акустической энергии. Из таблицы видно, что в случае окислительно-восстановительных реакций энергетический выход составляет несколько молекул, а для цепных реакций достигает тысячи молекул.

Таблица 1

Звукохимические реакции

КЛАССИФИКАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РЕАКЦИЙ

Необходимость классификации ультразвуковых колебаний очевидна. Известно два типа химического действия акустических колебаний. Отсюда выделяют два типа ультразвуковых реакций. К первому относятся реакции, которые ускоряются в ультразвуковом поле, но могут протекать и в его отсутствие с меньшей скоростью. К этой группе эффектов можно отнести ускорение гидролиза диметилсульфата и персульфата калия, разложение диазосоединений, ускорение эмульсионной полимеризации, окисление альдегидов, изменение активности катализаторов, например, катализаторов Циглера в процессе полимеризации.

Ко второй группе эффектов относятся реакции, которые без воздействия ультразвуковых колебаний не протекают совсем. Реакции этого типа в зависимости от механизма первичных и вторичных элементарных процессов, можно разделить на следующие шесть классов:

1. Окислительно-восстановительные реакции, которые идут в жидкой фазе между растворенными веществами и продуктами ультразвукового расщепления воды, возникающими в кавитационных пузырьках и переходящими в раствор после их схлопывания;

2. Реакции между растворенными газами и веществами с высокой упругостью пара внутри кавитационных пузырьков (эти реакции не могут осуществляться в растворе при воздействии радикальных продуктов расщепления воды);

3. Цепные реакции в растворе, которые индуцируются не радикальными продуктами расщепления, а каким либо другим веществом, присутствующим в системе и расщепляющимся в кавитационной полости;

4. Реакции с участием макромолекул, например, деструкция молекул полимера и инициированная его полимеризации, которые могут идти и при отсутствии кавитации. В этом случае значительную роль могут играть высокие градиенты скоростей и ускорения, возникающие под действием ультразвука, микропотоки;

5. Инициирование взрыва в жидких или твердых взрывчатых веществах. Для этих процессов весьма важно возникновение ударных волн и высокиих температур при схлопывании кавитационных пузырьков, а также возможных кумулятивных струй;

6. Звукохимические реакции в неводных средах. Примерами таких реакций могут служить:

• отщепление тетрахлоридом углерода под действием ультразвука хлора.

• Также ультразвуковые волны в безводной среде инициируют многие реакци с участием кремнийорганических соединений. Алкилсилоксаны взаимодействуют в ультразвуковом поле с хлористым тионилом:

Например, если R – CH₃, за два часа воздействия ультразвука образуется 27.5 % (CH₃)₃SiCl.

Хлорсиланы под действием ультразвука реагируют с литием, при этом получают высокий выход дисиланов по по общей схеме:

Процессы, отражаемые приведенными реакциями, используют в технологии синтеза полупроводниковых материалов.

КАВИТАЦИЯ

Инициирование большинства звукохимических реакций в водном растворе под действием акустических колебаний обусловлено возникновением кавитации. Кавитация это нарушение сплошности жидкости, связанное с образованием, ростом, осцилированием и схлопыванием парогазовых пузырьков в жидкости. Необходимо отметить, что сплошность среды нарушается только при достижении некой пороговой частоты звуковых колебаний.

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).

Е_к Е_сл

Е_пс Е_кк Е_пр Е Е_мп Е_ха

Е_н Е_ув

Е_ф Е_ш

Рис.1. Схема распределения энергии при озвучивании объема жидкости

Е_пс - энергия потребляемая из сети; Е_кк - энергия, возникающая в колебательном контуре генератора; Е_п - энергия излучаемая преобразователей; Е - общая энергия; Е_к - энергия, затраченная на создание кавитации; Е_мп - энергия образования микропотоков; Е_н - энергия, расходуемая на нагревание жидкости; Е_ф - энергия образования фонтана и распыление жидкости; Е_сл - энергия возбуждения сонолюминесценции; Е_ха - химикоакустическая энергия (энергия образования свободных радикалов); Е_ув - энергия ударных волн; Е_ш - 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 Е_пс не