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超聲波樣品處理技術在化學反應等領域的應用



超聲波樣品處理技術在化學反應等領域的應用
超聲波對目標化學樣品處理，主要利用超聲空化現象。空化泡崩潰產生局部的高溫、高壓和強烈的沖擊波及射流，為在一般條件下難以實現或不可能實現的化學反應提供了一種新的非常特殊的物理化學環境，它是一門新興的聲學與化學邊緣交叉學科。大量實驗證明超聲波可廣泛應用于各種反應，包括：
(1)合成化學方面，特別是超聲波催化在有機合成中應用研究發展很快，主要研究對象是多相反應，特別是有機金屬。超聲波使表面活化，有可能代替相轉移催化劑(PTC)反應。包括金屬表面參與的反應(如加速催化反應)、粉末狀固體顆粒參與的反應、乳化反應、均相反應。
(2)高聚物化學方面，通過超聲波破碎儀進行樣品處理，如聚合反應、高分子降解反應。
(3)電化學方面，將超聲波破碎儀直接引入電鍍槽，由于空化作用，增加了沉積速率，提高電流密度。
(4)分析化學。超聲波催化已成為許多有機金屬化合物的常規合成技術。如在格氏試劑的合成中，傳統方法需使用經嚴格干燥的乙醚，且需加入少量碘作誘導劑。而在超聲輻射下，該反應可用普通試劑級乙醚而無需干燥，反應的誘導期也縮短到幾秒。這一發現對格氏試劑的工業化生產具有重要意義。將超聲波輻射用于均相和非均相催化反應能不斷剝除催化劑表面吸附的反應物，暴露出新的催化面，從而有效地保持了催化劑的活性，例如，美國Moulton利用超聲使豆油的催化加氫加快了100多倍；用鎳粉作催化劑的烯烴加氫反應經超聲輻射后，反應速度可加快十多萬倍，這一發現將對石油化工產生重大影響。目前在電鍍中使用超聲波，實際上是超聲在電化學中應用的一個例子，將超聲波輻射用于電化學過程，可保持電極的清潔、使電極表面脫氣、同時還能改善傳質，這些優點使得電化學過程更為有效，可以改進鍍層的附著性、硬度和光潔度等，并使電鍍可在較低的電流密度下完成，電鍍速度明顯提高。近年來，在固態核磁共振技術中超聲輻射已被用來使譜線變窄，這一技術被稱為聲致變窄(SIN)，它比磁角自旋MAS技術更方便實用。例如，用20kHz的超聲輻射懸浮于四氯化碳中的硫酸鋁，其Al四極共振光譜的半峰寬為170Hz，而用MAS技術所得的同一譜線的半峰寬則為660Hz。超聲波脫氣，在氣相色譜中用超聲脫氣改進固定相涂布的均勻性已成為常規操作。影響超聲化學反應的參數很多，主要包括工作頻率、強度、功率、輻射時間、波形、反應介質溫度、大氣壓強等。例如在合成化學中超聲頻率一般選在幾十kHz，在聚合化學中超聲頻率一般在1MHz以下，但聲強一般大于5W/cm
2。
還可應用于化工領域的許多方面。如超聲波破碎應用于膜分離中,有明顯加速傳質和去濃差極化作用，可以提高膜分離的分離效率；應用于污水處理，可以有效的將其中的有機物質分離出來，并能將廢水中的有害物質分解；在發酵過程中，超聲波能夠促使細胞中的生物酶很快釋放到細胞外，從而較大程度的提高發酵液的總體酶活性，相應提高了底物的轉化率；用于熱敏物質的干燥不必升溫就可以將水從固體中除去，加快干燥速度和降低固體中殘留水含量；用于制備微泡、焊接等等。
*8 結論*
目前超聲波技術在化工領域中的應用還處于初期階段，而且各種應用發展并不平衡，如超聲波清洗等，其發展規模越來越大，而其他一些功率超聲技術，如超聲波加工、超聲波提取等，幾十年規模變化不大，許多作用規律還有待于進一步探索與總結。因為一種新的超聲技術實驗時期(包括中試和現場實驗)可能投入、風險都比較大，所以不同領域的應用需要相關企業共同參與開發研究，甚至需要政府的投入和支持，只有這樣才能及時將高效節能的超聲技術和方案付諸實際工程，加速產業化。由于超聲波的引入給化學化工領域注入了新的活力，產生了許多普通方法不能產生的效果，設備簡單，無二次污染，所以發展前景是十分可觀的。
 

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