關于超聲波在化學化工中的應用研究

梁 廣（廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院，廣東珠海 519000）

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關于超聲波在化學化工中的應用研究

梁 廣
（廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院，廣東珠海 519000）

摘 要：隨著工業化進程的不斷加快，我國涌現出許多新工藝和新技術，有效推動了我國化學化工行業的可持續發展。超聲波技術作為一種先進的技術，將其應用在化學化工行業中，能夠利用該技術的機械作用、熱作用和空化作用，影響其生產對象，促進產率的增加以及化學反應速度的提高，實現化工業的長足發展。本文就關于超聲波在化學化工中的應用進行深入分析和探討。

關鍵詞：超聲波；化學化工；應用

近年來，隨著超聲波技術在各領域中的廣泛應用，如新材料合成、廢水處理、化工過程及化學反應強化等，人們越來越重視超聲化學的研究。超聲波技術作為一種物理工具，其能夠在化學反應中產生瞬間和局部的高溫高壓、急劇放電等，促使化學反應速度加快，保證化工生產的效果［1］。由于超聲波技術具有很強的適應性，因此其應用范圍不斷被擴展，有利于為化工行業注入新的活力。

1 超聲波概述

超聲波的重要構成元素為縱波，其主要是借助液體介質來進行傳播，并利用功率超聲空化液體，產生大量的能量效應，強化界面間的傳遞過程和化學反應過程。在化學化工中應用超聲波時，可以利用空化氣泡內產生的自由基、化學鍵斷裂和高溫分解等反應，強化傳熱過程，有效實現化學效應和機械效應。一般而言，超聲波效率的影響因素較多，如pH值、粘度、表面張力、溶液溫度、溶解氣體、反應器形式、超聲波頻率和強度等。此外，超聲波也具備自身的一些特征：一是在液體與固體中衰減較小。對于超聲波而言，其在液體與固體中不易衰減，而在空氣中衰減的速度較快，因此在海洋中的應用較為廣泛。二是易獲得較大功率。由于聲強與頻率的平方呈正比關系，因此其具有較高的功率。三是易接收目標。當超聲波與障礙物時，其具有較小的衍射作用，因此反射波束不易擴散，較易接收被探測的目標。

2 超聲波在化學化工中的應用

2.1 萃取分離中的應用

超聲技術在萃取分離中的應用較為廣泛，超聲波能夠利用液體的空化作用，對溶劑萃取加以強化，但是由于萃取體系性質、作用時間、頻率和超聲功率比等會影響空化效應參數，因此這些因素也會對萃取的效果產生嚴重影響。在萃取過程中應用超聲波時，能夠打破傳統的改變壓力、機械攪拌和熱處理等方式，進行液-液萃取和固-液萃取，從而促進萃取分離傳質效果和速率的強化［2］。例如利用乙醇萃取分離姜黃色素時，可利用超聲波來影響固-液體系的提取率以及浸取速率。又如超聲萃取黃連素和螺旋藻時，利用超聲品來提取黃連素，而不改變其結構，有效手段萃取的時間，保證萃取具有較高的重復性。

2.2 聚合反應中的應用

一般高強度的超聲能夠引發單體聚合效應和聚合物降解效應。超聲降解后產生的降解物具有較小的分子質量分布以及較高的純度；而單體聚合反應則能夠在超聲空化效應的基礎上產生局部的高壓與高溫情況，形成自由基，從而獲取均勻的聚合物分子質量，加快反應速度。一般在降解反應中，其能夠合成共聚物，產生高分子的自由基，并在超聲空化的基礎上偶聯兩種聚合物。例如在甲基丙烯酸甲酯聚合反應過程中，其引發劑可選用高功率超聲，從而有效對其進行聚合，形成自由基聚合反應?？傮w而言，在超聲空化作用下進行降解反應時，能夠對聚合物的分子量結構及其分布進行有效控制，獲取較為理想的高聚物。

2.3 有機合成中的應用

對于超聲波而言，其在有機合成中的應用相對較早，能夠對化學反應條件加以改進，減少反應時間，促進反應產率的提高，有效改變反應的方向和途徑，為能量在分子中的應用提供重要參考依據。隨著技術的發展與應用，均相催化反應作為有機均相反應中的一種重要形式，將超聲波技術應用在其中，這樣超聲空化氣泡在崩潰時會產生大量的能量，致使有機物鍵發生斷裂現象，促進溶劑結構的改變以及自由基的產生，在一定程度上影響反應速度［3］。例如進行Fe（CO）5催化戊烯異構反應時，在超聲的前提條件下，反應速度會明顯增加，催化有機金屬化合物，并且外力作用會導致配位體與金屬的結合鍵發生斷裂，有效促進化學反應。超聲技術被廣泛應用在多相反應中，如氧化還原反應、取代反應和加成反應，如在醋酸銨和醋酸體系的傳統反應中，在100℃的條件下進行數小時反應，其收率低下，而在22℃的情況下利用超聲波反應3h，其收率能夠達到89%～99%，但是在室溫情況下，如果缺乏超聲輻射，往往難以實現該反應。

2.4 結晶過程中的應用

將超聲波應用在過飽和溶液中，能夠有效形成新相，并借助高壓實現反應溶液的碎片化，從而對顆粒形貌加以控制，促進成核速率的增加和分散程度的提高，強化微觀反應，保證結晶過程的順利完成。值得注意的是，在超聲空化氣泡崩

潰時，往往會產生微射流，凹蝕晶體表面，如果其具備較大的強度時會破壞晶體生長，嚴重時會擊碎晶體，因此在應用超聲波時需要對其頻率加以控制［4］。例如在Mg3（OH）5Cl·4H2O的結晶過程中，可采用250W和33kHz的超聲波，將原本需要12h的結晶過程縮短為4h，這樣成核速度會隨超聲波頻率的增加而變快，縮短誘導期和完全結晶所用的時間。

2.5 清洗工作中的應用

清洗工作作為化學化工行業中的重要環節，將超聲波技術應用在該項工作中，能夠有效保證清洗的質量和效率，易于清洗干凈狹縫、深空和盲孔等。一般超聲清洗工作主要是對兆赫、高頻和低頻等波段的超聲波加以應用，其中兆赫清洗是對集成電路的薄膜、硅片、芯片等加以清洗；高頻超聲清洗則是對微電子元件加以清洗；低頻則是對大部件表面污物加以清洗，從而保證相關設備的順利運行。

3 結束語

綜上所述，聲化學作為一門交叉學科，其集化學和物理于一體，將超聲波應用在化學化工行業時，應從萃取分離、聚合反應、有機反應和結晶過程等方面進行綜合考慮，從而為化學化工行業注入新的活力。目前，聲化學正處于快速發展的重要時期，超聲波在化學化工中的應用已經成為重要的研究方向，將傳統的技術與超聲波技術進行有效融合，能夠有效推動我國化工行業的可持續發展。

參考文獻

［1］ 張紅喜，董憲姝，李治龍，等.超聲電化學在化工中的應用研究進展［J］.化工進展，2010，（S2）：33-37.

［2］ 劉樸茂.超聲波技術在石油化工領域的研究進展［J］.化學工程與裝備，2012，（07）：131-133.

［3］ 徐暉.超聲波液相脫氣原理及研究進展［J］.安全與環境工程，2014，（01）：62-68.

［4］ 戚品豹.環己酮裝置超聲波防除垢節能技術開發及應用［J］.化學工程，2013，（05）：1-5.

Research on Ultrasonic Wave in Chemistry and Chemical Engineering

Liang Guang

Abstract：With the accelerated process of industrialization，the emergence of many new technology and new technology to effectively promote the sustainable development of chemistry and chemical engineering industry.Ultrasound technology as an advanced technology，its application in the chemical industry，chemical，mechanical action to take advantage of this technology，the thermal effect and cavitation effect，affecting its production target，promote increased chemical reaction rate and improve yield，to achieve the rapid development of the chemical industry.This article about ultrasound in chemistry and chemical engineering applications in-depth analysis and discussion.

Key words：ultrasound；Chemistry；Applications

中圖分類號：TQ03

文獻標志碼：A

文章編號：1003–6490（2016）02–0048–02

收稿日期：2016–01–23

作者簡介：梁廣（1980—），男，廣西柳州人，工程師，主要從事鍋爐介質和燃料檢測工作。