聲化學

聲化學 Sonochemistry

1986年4月8-11日，第一屆國際化學學術討論會在英國Warweck大學召開，它標誌著一門新的交叉學科-------聲化學（sonochemistry）的誕生。

研究在超聲作用下引起的化學反應或化學反應過程的改變的化學分支學科。又稱超聲化學。用於化學反應的超聲頻率通常為20～50千赫，產生超聲的裝置稱作超聲發生器，核心部件是壓電晶體或磁致伸縮元件。

聲化學效應的實質是空化效應，包括氣核的出現、微泡的長大和微泡的爆裂3步。在超聲作用下，流體產生急劇的運動，由於聲壓的變化，使溶劑受到壓縮和稀疏作用，在聲波的稀疏相區，氣泡泡膨脹長大，並為周圍的液體蒸氣或氣體充滿。在壓縮相區，氣穴很快塌陷、破裂，產生大量微泡，它們又可以作為新的氣核。當前認為，超聲對化學反應的影響，其主要原因就是這些微泡在長大以致突然破裂時能產生很強的衝擊波。據估算，在微泡爆裂時，可以在局部空間內產生高達兆帕的壓力，中心溫度可達 3000～5000K ，對超聲場作用的解釋，尚未進入分子水平，而是停留在對分子群體的機械作用機制的水平上。例如，對固體表面的氣蝕與潔凈作用；不混溶液體的乳化作用；微泡爆裂時，衝擊波在微空間導致的高溫高壓對傳質和傳能的影響。

超聲化學反應可按介質劃分為兩大類：①水相中的聲化學。在超聲作用下，水分解為氫氧自由基和氫原子，由此可誘發出一系列化學反應。有機鹵化物，如 、及在水介質中接受超聲作用，使碳氫鍵斷裂，生成自由基。對蛋白質、酶等生物分子的聲化學研究表明，聲致氧化還原作用是導致很多簡單產物的主要機制，例如：②非水液相中的聲化學。在該領域的研究工作尚處在起步階段。研究主要集中在以下幾個方面：均相合成反應；金屬表面上的有機反應；相轉移反應；固液兩相界面反應；聚合及高分子解聚反應。

功率特性—當聲波在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往複振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由於超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，功率非常大。

空化作用—當超聲波在液體中傳播時，由於液體微粒的劇烈振動，會在液體內部產生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，導致液體微粒之間發生猛烈的撞擊作用，從而產生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發生乳化，並且加速溶質溶解，加速化學反應。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應稱為超聲波的空化作用。

超聲波應用於化學反應能提高化學反應速率、縮短反應時間、提高反應選擇性，而且能激發在沒有超聲波存在時不能發生的化學反應。由於超聲化學具有獨特的反應特性，目前受到廣泛關注，是合成化學等極為重要且十分活躍的研究領域之一。

超聲化學目前已廣泛應用於化學中的每一個領域，如: 有機合成化學、納米材料製備、生物化學、分析化學、高分子化學、高分子材料、表面加工、生物技術及環境保護等方面。

超聲波在介質中的傳播過程中存在著一個正負壓強的交變周期。在正壓相位時，超聲波對介質分子擠壓, 增大了液體介質原來的密度；而在負壓相位時, 介質的密度則減小。

超聲化學應具有加速化學反應、降低反應條件、縮短反應誘導時間和能進行有些傳統方法難以進行的化學反應等特點。

超聲波在傳播過程中與媒質相互作用，相位和幅度發生變化，可以使媒質的狀態、組成、結構、功能和性質等發生變化。這類變化稱之為超聲效應。超聲波與媒質的相互作用可分為熱機制、機械力學機制和空化機制。在一個由超聲波促進的化學反應體系中，以上的幾種機制，或單獨或協同的對反應起著催化作用:

1.熱機制：超聲波在媒質中傳播時，其振動能量不斷被媒質吸收轉變為熱量而使媒質溫度升高。這種使媒質溫度升高的效應稱為超聲的熱機制。

2. 機械力學機制：當頻率較低，吸收係數較小，超聲的作用時間很短時，超聲效應的產生並不伴隨有明顯的熱效應。這時，超聲效應可歸結為機械力學機制，即超聲效應來源於表徵聲場力學量的貢獻。超聲波也是一種機械能量的傳播形式，波動過程中的力學量如原點位移、振動速度、加速度及聲壓等參數可以表述超聲效應。

3. 空化機制：超聲波聲化學效應的主要機制之一是聲空化(包括氣泡的形成、生長和崩裂等過程)。其現象包括兩個方面，即強超聲在液體中產生氣泡和氣泡在強超聲作用下的特殊運動。

超聲波是一種高頻機械波，具有能量集中、穿透力強等特點。超聲波由一系列疏密相間的縱波構成，並通過液體介質向四周傳播。當聲能足夠高時，在疏鬆的半周期內，液相分子間的吸引力被打破，形成空化核。空化核的壽命約，它在爆炸的瞬間可以產生大約 和的局部高溫高壓環境，併產生速度約具有強烈衝擊力的微射流，這種現象稱為超聲空化。超聲波化學反應主要源於聲空化機制，空化機制是聲化學反應的主動力。這些條件足以使有機物在空化氣泡內發生化學鍵斷裂、水相燃燒 (aqueous combustion)、高溫分解(pyrolysis) 或自由基反應等。

對超聲化學有兩種不同的解釋：

一種是聲致發熱導致化學反應發生（熱學理論）

另一種是聲電效應致促使化學的進行（電學理論）。目前前者與實驗比較一致，後者存在衝突和矛盾。

在聲場作用下，溶液中產生空化氣泡。空化氣泡在聲波作用下壓縮而產生熱量，尤其是空化氣泡潰陷時產生數千度的高溫，由於潰陷速度極快，熱量傳遞速度與之相比要慢的多，因此氣泡的潰陷和蒸汽的壓縮在氣泡的體積內幾乎是絕熱進行，在此狀態下，溶液中也形成一個瞬時的定域熱點，在這個區域存在的熱量，使溶液中的物質加熱成分子，有的分子被熱解而生成原子團，這些原子團因受熱使分子鍵斷裂和產生重排。

水溶液中進行的聲化學反應的速率都有不同程度的提高。按照絕對速度理論，反應頻率因素與分子的振動運動有關，因此空化作用大的區域壓力梯度加快了反應分子的振使反應速度提高。

總之，超聲化學反應速度的提高，是超聲作用產生空化現象的結果。而空化氣泡的運動和潰陷，使體系內的各個部分（氣泡內處的溶液）則產生了熱力與流體力學的重新分佈（其受以下因素制約）。

超聲波本身的強度、頻率、振蕩聲幅及波型決定了空化氣泡的形成，形變和潰陷的過程和結果，是聲化反應的原動力。反應體系的溶劑、溶於體系中的氣體和反應物本身的物理性質和化學性子是聲化學反應速度提高的內在因素。

利用功率超聲的空化現象加速和控制化學反應，提高反應率和引發新的化學反應的現象，稱超聲化學。聲化學可應用於幾乎所有的化學反應，如萃取（提取）與分離、合成與降解、生物柴油生產、污水處理、細胞粉碎、分散和凝聚、提取生物納米等等。

強大的超聲波化學處理設備基於我公司特有的全波段大功率壓電超聲波換能器與第三代數字超聲波發生器支持24小時連續發波，我們處理設備有2KW/3KW/6KW適合高壓、高溫、防爆等各種工況條件，此套超聲波國內外任何一家公司無法超越的。

產品結構：

超聲波化學設備有超聲波發生器、大功率超聲波換能器、超聲波工具頭。

超聲波發生器：第三帶數字電路閉合迴路超聲波發生器，利用DSP晶元及D/A轉換器，採用直接數字頻率合成技術，設計實現了一個頻率、相位可控的正弦信號發生器。由數字化系統對其頻率設定、追蹤補償、幅度設定、放大匹配輸出、信號檢測分析來控制其輸出功率、振幅、能量。

大功率超聲波換能器：本公司專利技術ZL 2012 1 00856766.5（超聲波全波換能器）支持連續大功率發波。

超聲波工具頭：根據超聲波的聲學、力學性能和有限元軟體模擬預測真實狀態，這是保障我們提供優質超聲波產品的重要條件，鈦合金是超聲波行業公認的最佳優質材料它提供了卓越的抗拉強度和韌性是一個很好的選擇。