关于超声波在化学化工中的应用研究

梁 广（广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东珠海 519000）



关于超声波在化学化工中的应用研究

梁 广
（广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东珠海 519000）

摘 要：随着工业化进程的不断加快，我国涌现出许多新工艺和新技术，有效推动了我国化学化工行业的可持续发展。超声波技术作为一种先进的技术，将其应用在化学化工行业中，能够利用该技术的机械作用、热作用和空化作用，影响其生产对象，促进产率的增加以及化学反应速度的提高，实现化工业的长足发展。本文就关于超声波在化学化工中的应用进行深入分析和探讨。

关键词：超声波；化学化工；应用

近年来，随着超声波技术在各领域中的广泛应用，如新材料合成、废水处理、化工过程及化学反应强化等，人们越来越重视超声化学的研究。超声波技术作为一种物理工具，其能够在化学反应中产生瞬间和局部的高温高压、急剧放电等，促使化学反应速度加快，保证化工生产的效果［1］。由于超声波技术具有很强的适应性，因此其应用范围不断被扩展，有利于为化工行业注入新的活力。

1 超声波概述

超声波的重要构成元素为纵波，其主要是借助液体介质来进行传播，并利用功率超声空化液体，产生大量的能量效应，强化界面间的传递过程和化学反应过程。在化学化工中应用超声波时，可以利用空化气泡内产生的自由基、化学键断裂和高温分解等反应，强化传热过程，有效实现化学效应和机械效应。一般而言，超声波效率的影响因素较多，如pH值、粘度、表面张力、溶液温度、溶解气体、反应器形式、超声波频率和强度等。此外，超声波也具备自身的一些特征：一是在液体与固体中衰减较小。对于超声波而言，其在液体与固体中不易衰减，而在空气中衰减的速度较快，因此在海洋中的应用较为广泛。二是易获得较大功率。由于声强与频率的平方呈正比关系，因此其具有较高的功率。三是易接收目标。当超声波与障碍物时，其具有较小的衍射作用，因此反射波束不易扩散，较易接收被探测的目标。

2 超声波在化学化工中的应用

2.1 萃取分离中的应用

超声技术在萃取分离中的应用较为广泛，超声波能够利用液体的空化作用，对溶剂萃取加以强化，但是由于萃取体系性质、作用时间、频率和超声功率比等会影响空化效应参数，因此这些因素也会对萃取的效果产生严重影响。在萃取过程中应用超声波时，能够打破传统的改变压力、机械搅拌和热处理等方式，进行液-液萃取和固-液萃取，从而促进萃取分离传质效果和速率的强化［2］。例如利用乙醇萃取分离姜黄色素时，可利用超声波来影响固-液体系的提取率以及浸取速率。又如超声萃取黄连素和螺旋藻时，利用超声品来提取黄连素，而不改变其结构，有效手段萃取的时间，保证萃取具有较高的重复性。

2.2 聚合反应中的应用

一般高强度的超声能够引发单体聚合效应和聚合物降解效应。超声降解后产生的降解物具有较小的分子质量分布以及较高的纯度；而单体聚合反应则能够在超声空化效应的基础上产生局部的高压与高温情况，形成自由基，从而获取均匀的聚合物分子质量，加快反应速度。一般在降解反应中，其能够合成共聚物，产生高分子的自由基，并在超声空化的基础上偶联两种聚合物。例如在甲基丙烯酸甲酯聚合反应过程中，其引发剂可选用高功率超声，从而有效对其进行聚合，形成自由基聚合反应。总体而言，在超声空化作用下进行降解反应时，能够对聚合物的分子量结构及其分布进行有效控制，获取较为理想的高聚物。

2.3 有机合成中的应用

对于超声波而言，其在有机合成中的应用相对较早，能够对化学反应条件加以改进，减少反应时间，促进反应产率的提高，有效改变反应的方向和途径，为能量在分子中的应用提供重要参考依据。随着技术的发展与应用，均相催化反应作为有机均相反应中的一种重要形式，将超声波技术应用在其中，这样超声空化气泡在崩溃时会产生大量的能量，致使有机物键发生断裂现象，促进溶剂结构的改变以及自由基的产生，在一定程度上影响反应速度［3］。例如进行Fe（CO）5催化戊烯异构反应时，在超声的前提条件下，反应速度会明显增加，催化有机金属化合物，并且外力作用会导致配位体与金属的结合键发生断裂，有效促进化学反应。超声技术被广泛应用在多相反应中，如氧化还原反应、取代反应和加成反应，如在醋酸铵和醋酸体系的传统反应中，在100℃的条件下进行数小时反应，其收率低下，而在22℃的情况下利用超声波反应3h，其收率能够达到89%～99%，但是在室温情况下，如果缺乏超声辐射，往往难以实现该反应。

2.4 结晶过程中的应用

将超声波应用在过饱和溶液中，能够有效形成新相，并借助高压实现反应溶液的碎片化，从而对颗粒形貌加以控制，促进成核速率的增加和分散程度的提高，强化微观反应，保证结晶过程的顺利完成。值得注意的是，在超声空化气泡崩

溃时，往往会产生微射流，凹蚀晶体表面，如果其具备较大的强度时会破坏晶体生长，严重时会击碎晶体，因此在应用超声波时需要对其频率加以控制［4］。例如在Mg3（OH）5Cl·4H2O的结晶过程中，可采用250W和33kHz的超声波，将原本需要12h的结晶过程缩短为4h，这样成核速度会随超声波频率的增加而变快，缩短诱导期和完全结晶所用的时间。

2.5 清洗工作中的应用

清洗工作作为化学化工行业中的重要环节，将超声波技术应用在该项工作中，能够有效保证清洗的质量和效率，易于清洗干净狭缝、深空和盲孔等。一般超声清洗工作主要是对兆赫、高频和低频等波段的超声波加以应用，其中兆赫清洗是对集成电路的薄膜、硅片、芯片等加以清洗；高频超声清洗则是对微电子元件加以清洗；低频则是对大部件表面污物加以清洗，从而保证相关设备的顺利运行。

3 结束语

综上所述，声化学作为一门交叉学科，其集化学和物理于一体，将超声波应用在化学化工行业时，应从萃取分离、聚合反应、有机反应和结晶过程等方面进行综合考虑，从而为化学化工行业注入新的活力。目前，声化学正处于快速发展的重要时期，超声波在化学化工中的应用已经成为重要的研究方向，将传统的技术与超声波技术进行有效融合，能够有效推动我国化工行业的可持续发展。

参考文献

［1］ 张红喜，董宪姝，李治龙，等.超声电化学在化工中的应用研究进展［J］.化工进展，2010，（S2）：33-37.

［2］ 刘朴茂.超声波技术在石油化工领域的研究进展［J］.化学工程与装备，2012，（07）：131-133.

［3］ 徐晖.超声波液相脱气原理及研究进展［J］.安全与环境工程，2014，（01）：62-68.

［4］ 戚品豹.环己酮装置超声波防除垢节能技术开发及应用［J］.化学工程，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

中图分类号：TQ03

文献标志码：A

文章编号：1003–6490（2016）02–0048–02

收稿日期：2016–01–23

作者简介：梁广（1980—），男，广西柳州人，工程师，主要从事锅炉介质和燃料检测工作。