超聲空化與過程強化戴曦張傳福(中南大學冶金系,長沙410083)摘要:隨著超聲技術(shù)應用廣泛而迅速的發(fā)展整整一個世紀來超聲空化成了經(jīng)久不衰的研究課題特別是近10年來超聲空化成了多種學科的基礎研究熱點,本文扼要地介紹了超聲空化的最新研究進展,以及超聲空化強化過程的途徑關(guān)鍵詞:超聲空化;過程強化;途徑中團分類號:TB80文獻標識碼:A早在100年前,英國第一艘驅(qū)逐艦下水聲致發(fā)光( Sonoluminesceme)時,發(fā)現(xiàn)了一系試驗時,就發(fā)現(xiàn)螺旋漿推進器在水中引起劇列十分新奇的現(xiàn)象6.一是源于分子、離子烈振動現(xiàn)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(zhuǎn)產(chǎn)生了大量氣個光子能量為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,對應于每個原子區(qū)域的能量為內(nèi)爆而產(chǎn)生的,這是在歷史上首次對空化1.08×10%ev,這意味著聲致發(fā)光包含了大Cavitation)現(xiàn)象物理本質(zhì)的描述。約10量級的聚焦或放大過程,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(xiàn),具有精密時鐘般的發(fā)光特性.每次閃光持續(xù)時間僅為與熱能、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(xiàn)象是由氣泡的高度非線性振動產(chǎn)生Cavitation)是指存在于液體中的微小氣泡的(空化核)在超聲場的作用下振動,生長收2超聲強化過程機理(-男縮和崩潰的過程. Suslick等人用實驗的方法測定了氣相反應的溫度達到了5200目前,超聲強化過程機理的研究多處于±650K,液相反應區(qū)的有效溫度在190K左定性討論的階段,物理學家們明確指出超右,局部壓力在505×10Pa以上,而氣泡聲場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,降低過程的能時這種局部高溫高壓存在的時間非常短,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,使其成為過程20世紀90年代初,美國科學家 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在媒介中傳播時,會產(chǎn)生一系作者簡介:戴囔(1963-),副教授列效應,如機械效應、熱效應、化學效應、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;面高速噴射的微射流使金屬表面不斷被清在熱效應中有聲能被吸收而引起的整體加洗、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;在化學效應中可以加速反應,(2)有粉末狀的固體顆粒參與的促進氧化、還原、促進高分子物質(zhì)的聚合或反應:聲空化能將金屬或非金屬顆粒進一步解聚作用等。文獻〔8)提出了超聲強化過程粉碎,增加反應面積和使表面活化,有可能的四個附加效應,即湍動效應、微擾效應、界替代相轉(zhuǎn)移催化劑(PTC),作為促進固一液面效應和聚能效應多相反應的一種新手段,同時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湍動和固體顆粒的高速(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,稱之為體迅速乳化,增加反應區(qū)域,可以代替“湍動效應”;超聲空化的微擾動可能使固液PTC.如果將PTC和聲空化作用結(jié)合起傳質(zhì)過程的瓶頸”—微孔擴散得以強來,效果更好。(4)均相反應:空化泡中一般化,稱之為“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,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,稱之為“界基,伴隨沖擊波的作用會改變?nèi)軇┙Y(jié)構(gòu)而影面效應”;超聲空化的能量聚結(jié)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(jié)合3.1超聲輻射下化學沉積制備 Cu/AL,O3復鍵斷裂而活化,實現(xiàn)傳質(zhì),稱之為“聚能效合粉體材料在化學沉積法制備 Cu/Al,O,復合粉體理論與實驗研究已證實,空化過程可以材料中引人超聲波因反應體系中存在很多把聲場能量集中起來,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(nèi)將其高度集中的由基H·和HO2,“OH和H2O2的存能量釋放出來,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,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,從而既加速實現(xiàn)或不可能實現(xiàn)的化學反應提供了一種新了Cu2被還原成金屬銅反應的進行,又強化的非常特殊的物理化學環(huán)境了攪拌,有利于脫除反應過程中產(chǎn)生的氫3超聲強化過程研究與應用氣.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:一類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(yī)學成像等方面獲得了AQO3顆粒表面,在超聲輻照下進行化學成功的應用,并在化合物結(jié)構(gòu)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,另一類是功率超聲(15~60kHz),以過度小銅與Al4O3顆粒界面粘結(jié)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型:(1)有金斷續(xù)狀,少量顆粒無銅層,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(xiàn),2超聲波在浸出過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間減少某些經(jīng)典反應步驟,中,使浸出時間由24h縮短到12h,金浸出率加速反應過程,提高反應率,避免某些副反提高5%~20%.對于銅的高價鐵鹽浸出應,降低反應條件以及進行一些用傳統(tǒng)方法體系,由于超聲波空化作用產(chǎn)生的微射流削難以實現(xiàn)的反應弱或減弱了邊界層,加大了傳質(zhì)速率,破壞(2)開拓高效、節(jié)能、降耗的工藝過程,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的強化得以實現(xiàn)膜,使銅粒表面裸露出來,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程.銅浸出率提高5%~10%.數(shù)、介質(zhì)的物理化學性質(zhì)以及周圍環(huán)境有3.3超聲波改變材料犄性°關(guān)英國考文垂大學超聲波研究中心借助高參考文獻能超聲波來分開然后擠壓材料分子,通過在分子水平上對材料進行操作,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(nèi)部產(chǎn)生各種擾動從而對固體或3應學福超聲學北京科學出版社,190液體材料形成“攪拌”效應,引發(fā)材料內(nèi)部4 Suslick K s, Hammerton D A. et al. J. Am.Chem. Soc產(chǎn)生化學反應,可以用來獲得特殊的微型涂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域都將有很352:318大的應用潛力,有可能會給材料科學研究帶7 Mason t j and Lorimer JP. Sonochemistry來諸多新的變革3.4超聲強化萃取Chemistry. Halsted press, 19888秦煒,原永輝戴猷元化工進展,195,1:1B Pesic等人⑦研究了超聲場對鎳的萃9馮若,李化茂聲化學及其應用安撒科技出版取過程的強化.結(jié)果表明,超聲場的引人將社,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199,12(1):1相比較,萃取率并沒有發(fā)生變化.這說明,11周驗,趙逸云,莫威等應用化學,199(2):9912趙逸云馮若楊曉云等聲學技術(shù),19981:12超聲場強化了該動力學過程.但是超聲場 13 Zhao yiyun, Bao Siguan, Feng ruo et對鉆的萃取過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,馮若鮑慈光等化學通報,197(9:高. B Pesic等人認為這是由于超聲場的介人使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(xiàn)代材料動態(tài),19(3):2917 Pesic B,et alMetallurgical Transaction B4結(jié)論與展望(1)超聲波利用聲能量與物質(zhì)間的獨特