超聲空化與過(guò)程強化

超聲空化與過(guò)程強化戴曦張傳福(中南大學(xué)冶金系,長(cháng)沙410083)摘要:隨著(zhù)超聲技術(shù)應用廣泛而迅速的發(fā)展整整一個(gè)世紀來(lái)超聲空化成了經(jīng)久不衰的研究課題特別是近10年來(lái)超聲空化成了多種學(xué)科的基礎研究熱點(diǎn),本文扼要地介紹了超聲空化的最新研究進(jìn)展,以及超聲空化強化過(guò)程的途徑關(guān)鍵詞:超聲空化;過(guò)程強化;途徑中團分類(lèi)號:TB80文獻標識碼:A早在100年前,英國第一艘驅逐艦下水聲致發(fā)光( Sonoluminesceme)時(shí),發(fā)現了一系試驗時(shí),就發(fā)現螺旋漿推進(jìn)器在水中引起劇列十分新奇的現象6.一是源于分子、離子烈振動(dòng)現象, Thornycroft和 Barnaby研究或原子的藍光(頻率為8x101H2)發(fā)射的表明,這是由于螺旋漿的旋轉產(chǎn)生了大量氣個(gè)光子能量為3ev,而產(chǎn)生聲致發(fā)光的典型泡,這些氣泡在水的壓力作用下隨即收縮至聲壓為1atm,對應于每個(gè)原子區域的能量為內爆而產(chǎn)生的,這是在歷史上首次對空化1.08×10%ev,這意味著(zhù)聲致發(fā)光包含了大Cavitation)現象物理本質(zhì)的描述。約10量級的聚焦或放大過(guò)程,而中子引起聲能量與物質(zhì)間的作用形式同位素裂變釋放的能量放大也僅為08超聲空化10°。其次是發(fā)光反復閃現,具有精密時(shí)鐘般的發(fā)光特性.每次閃光持續時(shí)間僅為與熱能、光能、電能不同,超聲能量與物10-s,比氫原子中最快的可見(jiàn)躍遷(從3質(zhì)間具有一種獨特的作用形式一超聲空→2重態(tài))還要快一倍多,研究認為,這種化(-3.所謂超聲空化( Ultrasonic發(fā)光現象是由氣泡的高度非線(xiàn)性振動(dòng)產(chǎn)生Cavitation)是指存在于液體中的微小氣泡的(空化核)在超聲場(chǎng)的作用下振動(dòng),生長(cháng)收2超聲強化過(guò)程機理(-男縮和崩潰的過(guò)程. Suslick等人用實(shí)驗的方法測定了氣相反應的溫度達到了5200目前,超聲強化過(guò)程機理的研究多處于±650K,液相反應區的有效溫度在190K左定性討論的階段,物理學(xué)家們明確指出超右,局部壓力在505×10Pa以上,而氣泡聲場(chǎng)的介人不僅僅象熱能光能、電能那樣液相層厚度在200mm~300mm之間,同以一種能量的形式發(fā)揮作用,降低過(guò)程的能時(shí)這種局部高溫高壓存在的時(shí)間非常短,壘,而且由于聲能量與物質(zhì)間的一種獨特的僅有幾微秒,所以溫度變化率高達10K相互作用形式—超聲空化,使其成為過(guò)程20世紀90年代初,美國科學(xué)家 Crum Bar-強化的十分有效的手段ber及 Putterman等人在研究單氣泡空化的強超聲場(chǎng)在媒介中傳播時(shí),會(huì )產(chǎn)生一系作者簡(jiǎn)介:戴囔(1963-),副教授列效應,如機械效應、熱效應、化學(xué)效應、光反應中消耗掉;另一種是金屬只起催化作效應等.在機械效應中有攪拌、分散、除用,聲空化所產(chǎn)生的沖擊波及溶劑向金屬表氣成霧、凝聚、沖擊破碎和疲勞損壞作用;面高速?lài)娚涞奈⑸淞魇菇饘俦砻娌粩啾磺逶跓嵝杏新暷鼙晃斩鸬恼w加洗、腐蝕、更新和激活,增加有效反應面積而熱,邊界處的局部加熱;在化學(xué)效應中可以加速反應,(2)有粉末狀的固體顆粒參與的促進(jìn)氧化、還原、促進(jìn)高分子物質(zhì)的聚合或反應:聲空化能將金屬或非金屬顆粒進(jìn)一步解聚作用等。文獻〔8)提出了超聲強化過(guò)程粉碎,增加反應面積和使表面活化,有可能的四個(gè)附加效應,即湍動(dòng)效應、微擾效應、界替代相轉移催化劑(PTC),作為促進(jìn)固一液面效應和聚能效應多相反應的一種新手段,同時(shí)空化作用使多以固液體系為例,超聲空化產(chǎn)生的聲沖相介質(zhì)混合得更均勻,提高質(zhì)量的傳輸擊波引起體系的宏觀(guān)湍動(dòng)和固體顆粒的高速(3)乳化反應:聲空化促使兩種不相溶的液沖撞,使邊界層減薄、增大傳質(zhì)速率,稱(chēng)之為體迅速乳化,增加反應區域,可以代替“湍動(dòng)效應”;超聲空化的微擾動(dòng)可能使固液PTC.如果將PTC和聲空化作用結合起傳質(zhì)過(guò)程的瓶頸”—微孔擴散得以強來(lái),效果更好。(4)均相反應:空化泡中一般化,稱(chēng)之為“微擾效應”;超聲空化產(chǎn)生的微充有氣體和溶劑的蒸汽,當氣泡崩潰時(shí),蒸射流對固體表面的剝離凹蝕作用創(chuàng )造了新汽受壓縮而產(chǎn)生局部高溫、高壓,產(chǎn)生自由的活性表面,增大了傳質(zhì)表面積,稱(chēng)之為“界基,伴隨沖擊波的作用會(huì )改變溶劑結構而影面效應”;超聲空化的能量聚結產(chǎn)生的局部響反應高溫高壓能使物質(zhì)分子與固體表面分子結合3.1超聲輻射下化學(xué)沉積制備 Cu/AL,O3復鍵斷裂而活化,實(shí)現傳質(zhì),稱(chēng)之為“聚能效合粉體材料在化學(xué)沉積法制備 Cu/Al,O,復合粉體理論與實(shí)驗研究已證實(shí),空化過(guò)程可以材料中引人超聲波因反應體系中存在很多把聲場(chǎng)能量集中起來(lái),伴隨空化泡崩潰瞬高溫、高壓的“微反應器”,可使水產(chǎn)生氫自間,在液體中的極小空間內將其高度集中的由基H·和HO2,“OH和H2O2的存能量釋放出來(lái),形成異乎尋常的高溫在,可將Cu氧化為Cu,從而抑制副產(chǎn)物(>500K)高壓(>5X10Pa)強沖擊波Cu1O的形成,同時(shí),超聲產(chǎn)生的速度很快的射流等極端條件,這就為在一般條件下難以微小射流有利于加速質(zhì)量傳遞,從而既加速實(shí)現或不可能實(shí)現的化學(xué)反應提供了一種新了Cu2被還原成金屬銅反應的進(jìn)行,又強化的非常特殊的物理化學(xué)環(huán)境了攪拌,有利于脫除反應過(guò)程中產(chǎn)生的氫3超聲強化過(guò)程研究與應用氣.此外超聲的空化效應打斷了正常發(fā)育的晶粒,使之成為新的、更小的晶核,有利于鍍超聲可以分為兩類(lèi):一類(lèi)是高頻超聲層晶粒變小及使晶粒迅速而平緩地沉積在(1~10MHz).已在醫學(xué)成像等方面獲得了AQO3顆粒表面,在超聲輻照下進(jìn)行化學(xué)成功的應用,并在化合物結構分析中發(fā)揮作鍍鋼,可有效地改善鍍層的質(zhì)量,獲得晶粒用,另一類(lèi)是功率超聲(15~60kHz),以過(guò)度小銅與Al4O3顆粒界面粘結性好、厚度均程強化為目的。勻的表面銅層。而非超聲條件下,AO3顆在低超聲頻段(20~50kHz)進(jìn)行的反粒表面銅層厚度不夠均勻,有的部位銅層呈應大致可以分為四種基本類(lèi)型:(1)有金斷續狀,少量顆粒無(wú)銅層,并有游離金屬Cu屬表面參與的反應;一種是金屬作為試劑在出現,2超聲波在浸出過(guò)程中的應用作用方式—超聲空化,在某些情況下能縮超聲波已成功地應用于氰化堆浸提金短反應誘導時(shí)間減少某些經(jīng)典反應步驟,中,使浸出時(shí)間由24h縮短到12h,金浸出率加速反應過(guò)程,提高反應率,避免某些副反提高5%~20%.對于銅的高價(jià)鐵鹽浸出應,降低反應條件以及進(jìn)行一些用傳統方法體系,由于超聲波空化作用產(chǎn)生的微射流削難以實(shí)現的反應弱或減弱了邊界層,加大了傳質(zhì)速率,破壞(2)開(kāi)拓高效、節能、降耗的工藝過(guò)程,有或溶解了鋼粒表面的鈍化膜和元素硫阻力可能利用超聲場(chǎng)的強化得以實(shí)現膜,使銅粒表面裸露出來(lái),因而大大加速了(3)聲空化的形成狀態(tài)及強度與聲參銅的溶解過(guò)程.銅浸出率提高5%~10%.數、介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)以及周?chē)h(huán)境有3.3超聲波改變材料犄性°關(guān)英國考文垂大學(xué)超聲波研究中心借助高參考文獻能超聲波來(lái)分開(kāi)然后擠壓材料分子,通過(guò)在分子水平上對材料進(jìn)行操作,使材料獲得各1 Suslick K S. Ultrasonics,190,28(5:279種新的特性,該中心研究人員指出,超聲波2 Mason T J. Sonochemistry,,90可使材料內部產(chǎn)生各種擾動(dòng)從而對固體或3應學(xué)福超聲學(xué)北京科學(xué)出版社,190液體材料形成“攪拌”效應,引發(fā)材料內部4 Suslick K s, Hammerton D A. et al. J. Am.Chem. Soc產(chǎn)生化學(xué)反應,可以用來(lái)獲得特殊的微型涂5 Crum L A.Phys. Toda,194,9n敷粉粒材料或去除某些材料中的疵點(diǎn)超聲6 Barber B p, Putterman S J. Nature,19波技術(shù)在納米尺度材料制造等領(lǐng)域都將有很352:318大的應用潛力,有可能會(huì )給材料科學(xué)研究帶7 Mason t j and Lorimer JP. Sonochemistry來(lái)諸多新的變革3.4超聲強化萃取Chemistry. Halsted press, 19888秦煒,原永輝戴猷元化工進(jìn)展,195,1:1B Pesic等人⑦研究了超聲場(chǎng)對鎳的萃9馮若,李化茂聲化學(xué)及其應用安撒科技出版取過(guò)程的強化.結果表明,超聲場(chǎng)的引人將社,19253明顯提高鎳的萃取速率,然而,與機械攪拌10林仲茂應用聲學(xué)199,12(1):1相比較,萃取率并沒(méi)有發(fā)生變化.這說(shuō)明,11周驗,趙逸云,莫威等應用化學(xué),199(2):9912趙逸云馮若楊曉云等聲學(xué)技術(shù),19981:12超聲場(chǎng)強化了該動(dòng)力學(xué)過(guò)程.但是超聲場(chǎng) 13 Zhao yiyun, Bao Siguan, Feng ruo et對鉆的萃取過(guò)程的影響卻有所不同,不僅加al. Ultrasonics Sonochemistry, 1995, 2(2): 99快了萃取速率,而且使最終的萃取率明顯提14趙邊云,馮若鮑慈光等化學(xué)通報,197(9:高. B Pesic等人認為這是由于超聲場(chǎng)的介人使Co3氧化成Co3,改變了原有的平衡15孫家壽羅惠華等,混法冶金19(:2關(guān)系。16楊曉蟬現代材料動(dòng)態(tài),19(3):2917 Pesic B,et alMetallurgical Transaction B4結論與展望(1)超聲波利用聲能量與物質(zhì)間的獨特