Sonochémia je nový interdisciplinárny predmet vyvinutý v polovici a na konci 80. rokov. Využíva ultrazvukový efekt kavitácie na vytváranie miestnych horúcich miest. Môže vyvolať chemické reakcie v extrémnom mikroprostredí 4000-6000k, tlaku 100MPa a rýchlej rýchlosti ochladzovania 109K / s. V posledných rokoch existuje veľa výskumných správ o aplikácii ultrazvuku v oblasti chémie. Mnoho vedcov zavádza ultrazvuk do vlastného výskumu, snaží sa využiť špeciálne prostredie vytvorené ultrazvukom na zmenu a zlepšenie procesu chemickej reakcie alebo na nájdenie zvláštnych reakčných javov.
Sonochémia je členom zvukovej rodiny
Výkonové charakteristiky - keď sa zvukové vlny šíria vo vzduchu, tlačia častice vo vzduchu, aby vibrovali tam a späť a na týchto časticiach pracujú. Výkon zvukových vĺn je fyzická veličina, ktorá označuje rýchlosť práce zvukových vĺn. Pri rovnakej intenzite platí, že čím je frekvencia zvukovej vlny nižšia, tým má väčší výkon. Vďaka vysokej frekvencii ultrazvukových vĺn je výkon ultrazvukových vĺn veľmi vysoký v porovnaní so všeobecnými zvukovými vlnami.
Kavitácia: keď sa ultrazvuková vlna šíri v kvapaline, vzniknú v kvapaline malé dutiny v dôsledku prudkých vibrácií kvapalných častíc. Tieto malé dutiny sa rýchlo rozširujú a zatvárajú, čo vedie k prudkému nárazu medzi častice kvapaliny, čo vedie k tlaku tisíce až desaťtisíc atmosfér. Intenzívna interakcia medzi časticami spôsobí, že teplota kvapaliny náhle stúpne a bude hrať dobrú úlohu pri miešaní, takže dve nemiešateľné kvapaliny (ako je voda a olej) budú emulgované a bude sa urýchľovať rozpúšťanie a chemická reakcia rozpustených látok. . Tento druh účinku spôsobeného pôsobením ultrazvuku v kvapaline sa nazýva ultrazvuková kavitácia.
Aplikácia ultrazvuku v chemickej reakcii môže zvýšiť reakčnú rýchlosť, skrátiť reakčný čas, zlepšiť selektivitu reakcie a stimulovať chemickú reakciu, ktorá bez ultrazvuku nemôže prebehnúť. Vďaka svojim jedinečným reakčným vlastnostiam priťahovala sonochémia veľkú pozornosť a je jednou z najdôležitejších a najaktívnejších oblastí výskumu v syntetickej chémii.
Sonochémia sa široko používa v každej oblasti chémie, ako je organická syntetická chémia, príprava nano materiálov, biochémia, analytická chémia, polymérna chémia, polymérne materiály, povrchové spracovanie, biotechnológia a ochrana životného prostredia.
Ultrazvuková chémia je jav, ktorý využíva kavitačný jav výkonového ultrazvuku na urýchlenie a kontrolu chemickej reakcie, zlepšenie reakčnej rýchlosti a zahájenie novej chemickej reakcie. Hraničná interdisciplinárna veda, ktorá sa objavila v 80. rokoch, má vlastnosti urýchľovania chemických reakcií, znižovania reakčných podmienok, skracovania času indukcie reakcií a schopnosti uskutočňovať niektoré chemické reakcie, ktoré je ťažké uskutočniť tradičnými metódami. Je to jedinečná interakcia medzi zvukovou energiou a hmotou.
V procese šírenia ultrazvuku v médiu je striedavé obdobie pozitívneho a podtlaku. Vo fáze pozitívneho tlaku sa pôvodná hustota kvapalného média zvyšuje v dôsledku extrúzie molekúl média ultrazvukovou vlnou, zatiaľ čo vo fáze podtlaku hustota média klesá.
Keď sa na kvapalné médium aplikuje ultrazvuková vlna s dostatočne veľkou amplitúdou, priemerná vzdialenosť medzi molekulami v oblasti podtlaku presiahne kritickú molekulárnu vzdialenosť, aby sa kvapalné médium udržalo nezmenené, a kvapalné médium sa zlomí a vytvorí mikrobubliny, ktoré vyrastie do kavitačných bublín. V nasledujúcom kompresnom procese sú tieto kavitačné bubliny stlačené, zmenší sa ich objem a niektoré dokonca úplne zmiznú.
Keď je fáza rezonancie vonku, kavitačná bublina už nie je stabilná. V tejto dobe už tlak v kavitačnej bubline nemôže ďalej podporovať svoju vlastnú veľkosť, to znamená, že sa začína rúcať alebo miznúť. Tento proces sa nazýva kavitácia alebo pitting.
Zmena reakčných podmienok spôsobená kavitáciou vedie k zmene termodynamiky chemickej reakcie, čo zlepšuje rýchlosť a výťažok chemickej reakcie.
V procese šírenia ultrazvukové vlny interagujú s médiom a mení sa fáza a amplitúda, čo môže meniť stav, zloženie, štruktúru, funkciu a vlastnosť média. Tento druh zmeny sa nazýva ultrazvukový efekt. Interakciu medzi ultrazvukom a médiom možno rozdeliť na tepelný mechanizmus, mechanický mechanizmus a kavitačný mechanizmus
(1) Tepelný mechanizmus: keď sa ultrazvuková vlna šíri v médiu, jeho vibračná energia je médiom nepretržite absorbovaná a transformovaná na teplo, ktoré zvyšuje teplotu média. Tento efekt zvýšenia teploty média sa nazýva tepelný mechanizmus ultrazvuku.
(2) Mechanický mechanizmus: pri nízkej frekvencii je koeficient absorpcie malý a čas pôsobenia ultrazvuku je veľmi krátky, ultrazvukový efekt nie je sprevádzaný zjavným tepelným účinkom. V tomto okamihu možno ultrazvukový efekt pripísať mechanickému mechanizmu, to znamená, že ultrazvukový efekt pochádza z príspevku mechanickej veličiny predstavujúcej akustické pole. Ultrazvuk je tiež forma mechanického prenosu energie. Ultrazvukový efekt môžu popisovať mechanické parametre, ako je posunutie počiatku, rýchlosť vibrácií, zrýchlenie a zvukový tlak.
(3) Kavitačný mechanizmus: jedným z hlavných mechanizmov ultrazvukového sonochemického účinku je akustická kavitácia (vrátane tvorby, rastu a rozpadu bublín). Tento jav zahrnuje dva aspekty, to znamená bubliny v kvapaline produkované ultrazvukom vysokej intenzity a špeciálny pohyb bublín pôsobením ultrazvuku vysokej intenzity.
Ultrazvuková vlna je druh vysokofrekvenčnej mechanickej vlny, ktorá má vlastnosti koncentrovanej energie a silného prieniku. Ultrazvuková vlna sa skladá zo série pozdĺžnych vĺn so striedavou hustotou a šíri sa okolo kvapalným médiom. Keď je zvuková energia dostatočne vysoká, intermolekulárna príťažlivosť v kvapalnej fáze sa vo voľnej polovičnej perióde preruší a vytvorí sa kavitačné jadro. Životnosť kavitujúceho jadra je asi 0,1 μs. Môže produkovať lokálne prostredie s vysokou teplotou a tlakom asi 4000 - 6000 K a 100 MPa v okamihu výbuchu a produkovať mikrotrysk so silnou nárazovou silou a rýchlosťou asi 110 m / s. Tento jav sa nazýva ultrazvuková kavitácia.
Sonochemická reakcia vychádza hlavne z mechanizmu akustickej kavitácie, ktorý je hlavnou silou sonochemickej reakcie. Tieto podmienky sú dostatočné na to, aby spôsobili prerušenie chemickej väzby, vodné spaľovanie, pyrolýzu alebo radikálnu reakciu v kavitačných bublinách.