超声波声化学与工业生产应用

     超声化学，西人叫做“Sonochemistry ”，是20世纪80年代中后期发展起来的一门新兴交叉学科,它是利用超声空化效应形成局部热点,可形成在4000－6000K及压力100 MPa、急剧冷却速度达109 K/ s的极端微环境中,诱发化学反应. 近年来,大量有关超声波在化学领域中得到应用，见诸报道。许多学者把超声波引入到自己的研究中, 试图利用超声波所创造出的特殊环境来改变和改善化学反应过程,或借此来发现一些奇特反应现象。

超声波化学是声波大家族中的一员 。

    超声波是一种高频机械波，具有能量集中、穿透力强等特点。超声波由一系列疏密相间的纵波构成，并通过空气或液体介质向四周传播。超声波由于波长短，在空气中传递的距离比较有限。但在液体介质或者固体介质中传递时，则可以传播的较远。当声能足够高时，在疏松的半周期内，液相分子间的吸引力被打破，形成空化核。空化核的寿命约为0.05微秒，它在爆炸的瞬间可以产生大约 4000-6000 K 和100MPa的局部高温高压环境，并产生速度约110m/s具有强烈冲击力的微射流，这种现象称为超声空化。

　超声波化学反应主要源于声空化机制，空化机制是声化学反应的主动力。这些条件足以使有机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧 (aqueous combustion)、高温分解(pyrolysis) 或自由基反应等。

　　 超声波功率特性——当声波在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越低，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，功率非常大。

　　 空化作用——当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生无数的微小气泡，也成为小空洞。这些小空洞迅速膨胀，瞬间爆破，导致液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，瞬间膨胀且爆炸，液体内部发生相对运动，所以，超声波可以起到很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且能加速溶质溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

     超声波应用于化学反应能提高化学反应速率、缩短反应时间、提高反应选择性，而且能激发在没有超声波存在时不能发生的化学反应。由于超声化学具有独特的反应特性，目前受到广泛关注，是合成化学等极为重要且十分活跃的研究领域之一。     

    超声化学目前已广泛应用于化学中的每一个领域，如: 有机合成化学、纳米材料制备、生物化学、分析化学、高分子化学、高分子材料、表面加工、生物技术及环境保护等方面。

　　 利用功率超声的空化现象加速和控制化学反应，提高反应速率和引发新的化学反应的现象，称超声化学。乃80年代兴起的一门边缘交叉学科，具有加速化学反应、降低反应条件、缩短反应诱导时间和能进行有些传统方法难以进行的化学反应等特点。是声能量与物质间的一种独特的相互作用。

　　 超声波在介质中的传播过程中存在着一个正负压强的交变周期。在正压相位时,超声波对介质分子挤压, 增大了液体介质原来的密度;而在负压相位时, 介质的密度则减小。

　　 　当用足够大振幅的超声波作用于液体介质时,在负压区内介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离,液体介质就会发生断裂,形成微泡,微泡进一步长大成为空化气泡。在紧接着的压缩过程中,这些空化气泡被压缩,其体积缩小,有的甚至完全消失。

   　当脱出共振相位时,空化气泡就不再稳定了,这时空化气泡内的压强已不能支撑其自身的大小,即开始爆裂直至消失,这一过程称为空化作用,或孔蚀作用。

     由于空化作用所引起的反应条件的变化，导致了化学反应的热力学变化，使化学反应的速度和产率得以提高。

   　超声波在传播过程中与媒质相互作用，相位和幅度发生变化，可以使媒质的状态、组成、结构、功能和性质等发生变化。这类变化称之为超声效应。超声波与媒质的相互作用可分为热机制、机械力学机制和空化机制. 在一个由超声波促进的化学反应体系中，以上的几种机制，或单独或协同的对反应起着催化作用:

(1) 热机制：超声波在媒质中传播时，其振动能量不断被媒质吸收转变为热量而使媒质温度升高。这种使媒质温度升高的效应称为超声的热机制。

(2) 机械力学机制：当频率较低，吸收系数较小，超声的作用时间很短时，超声效应的产生并不伴随有明显的热效应。这时，超声效应可归结为机械力学机制，即超声效应来源于表征声场力学量的贡献。超声波也是一种机械能量的传播形式，波动过程中的力学量如原点位移、振动速度、加速度及声压等参数可以表述超声效应。

（3) 空化机制：超声波声化学效应的主要机制之一是声空化(包括气泡的形成、生长和崩裂等过程)。其现象包括两个方面，即强超声在液体中产生气泡和气泡在强超声作用下的特殊运动。