超聲化學的研究與應用(下載)

1、超聲化學的研究與應用(下載)柴蘭琴超聲化學(sonochemistry)是聲學與化學相互交叉滲透而發(fā)展起來的一門新興 邊緣學科，是聲學與化學的前沿學科z超聲化學主要是利用超聲波加速化學 反應，提高化學產(chǎn)率的一門學科.利用超聲能夠加速和控制化學反應、提高反應產(chǎn) 率、改變反應歷程和改善反應條件以及引發(fā)新的化學反應等本文對超聲化學的 反應機理，應用前景及最新發(fā)展作了簡要的敘述.1超聲化學的發(fā)展歷史1986年4月811 口，第一屆國際聲化學學術討論會在英國warwick大學召 開，它標志著這門新興的學科的誕主下面對超聲化學發(fā)展歷史作簡要的冋顧.1895年,thormycroft和bcirneiby觀察

2、到潛水艇螺旋槳凹陷被侵蝕時發(fā)表了 第一個關于空化的報告.1927年,loomis首次報道超聲在化學和生物方面加快反應速率的效應.1934年，發(fā)現(xiàn)超聲能加大電解水的速率.1944年,harvery等引入了校正擴散的概念，即微氣泡的成長是由于氣泡振動 過程中跨過界面非等量的傳質(zhì)引起的.1950年,noltingk和neppiras對模擬空化氣泡第一次用計算機進行了計算.1964年,flynn提出了 “瞬態(tài)空化”和“穩(wěn)態(tài)空化”的術語.1980年,neppiras首次在聲空化的綜述屮使用了超聲化學(sonochemistry)的術語.1982年,milino等人用自旋捕獲和電子自旋共振譜(esr)驗證

3、了在水超聲裂 解中形成氫口由基和耗基口由基.1994年第一個學術刊物ultrasonics sonochemistry出版.2.超聲化學的作用機理超聲化學是利用超聲能量加速和控制化學反應,提高反應產(chǎn)率和引發(fā)新的化 學反應的一門邊緣學科超聲化學主要源于聲空化一液體中空腔的形成、振蕩、 生長收縮及崩潰，以及引發(fā)的物理和化學變化液體聲空化過程是集屮聲場能量 并迅速釋放的過程空化泡崩潰吋,在極短吋間和空化泡的極小空間內(nèi)，產(chǎn)生 5000k以上的高溫和大約5. 05 x 108pa的高壓，速度變化率高達loloks,并伴生強 烈的沖擊波和時速高達400km的微射流，這就為在一般條件下難以實現(xiàn)或不能實 現(xiàn)的

4、化學反應，提供了一種新的非常特殊的物理環(huán)境,開啟了新的化學反應通道. 其現(xiàn)象包括兩個方而，即強超聲在液體屮產(chǎn)生氣泡和氣泡在強超聲作用下的特殊 運動在液體內(nèi)施加超聲場，當超聲強度足夠大吋，會使液體屮產(chǎn)生成群的氣泡， 成為“聲空化泡”這些氣泡同時受到強超聲的作用，在經(jīng)歷聲的稀疏相和壓縮相 時,氣泡生 、收縮、再生長、再收縮，經(jīng)多次周期性振蕩，最終以高速度崩裂. 在其周期性振蕩或崩裂過程中，會產(chǎn)生短暫的局部高溫、高壓、加熱和冷卻的速 度率大于loloks,并產(chǎn)生強電場，從而引發(fā)許多力學、熱學、化學、生物等效應. 反應體系的環(huán)境條件會極大地影響空化的強度，而空化強度則直接影響到反應的 速率和產(chǎn)率這些環(huán)

5、境條件包括反應溫度、液體的靜壓力、超聲輻射頻率、聲功 率和超聲強度另外，溶解氣體的種類和數(shù)量、溶劑的選擇、樣品的制備以及緩沖 劑的選擇對空化強度也冇很人影響.超聲波可改變液體，固體發(fā)生化學反應的途徑，它所產(chǎn)生的高溫，高壓可使聲 化學通過一條不同尋常的途徑來促進聲能量和物質(zhì)的和互作用實驗室常用的超 聲反應器有,超聲清洗器、超聲細胞粉碎器等.3超聲化學的主要應用研究由于聲能具有獨特的優(yōu)點，無二次污染、設備簡單、應用面廣,所以受到人們 越來越多的關注，聲化學已成為一個蓬勃發(fā)展的研究領域.目前，聲化學的研究已 涉及到化學、化工的各個領域,如有機合成、電化學、光化學、分析化學、無機 化學、高分子材料、環(huán)

6、境保護、生物化學等,我國的有關學者在聲化學的基礎研 究和應用研究方面也做了大量的工作近年來,聲化學在物質(zhì)合成、催化反應、水 處理、廢物降解、納米材料等方面的研究已成為聲化學重要的應用研究領域.3. 1超聲在電化學研究中的應用超聲在電化學屮的應用主要有超聲電分析化學、超聲電化學發(fā)光分析、超聲 屯化學合成、超聲屯鍍等超聲與電化學的結合具有許多潛在的優(yōu)點，這些優(yōu)點包 括電極表面的清洗和除氣，電極表面的去鈍化，電極表面的侵蝕;加速液相質(zhì)量傳 遞；加快反應速率；增強電化學發(fā)光；改變電合成反應的產(chǎn)率等.3.2超聲化學在催化化學中的應用超聲作為一種特殊的能量作用形式，與熱能，光能和離子輻射能有顯著的區(qū) 別聲

7、空化作用吋間短，釋放岀高能量例如，在高溫條件下,有利于反應物種的裂 解和自由基的形成，從而形成了更為活潑的反應物種，有利于二次反應的進行，提 高了化學反應的速率7同時，氣泡崩潰時產(chǎn)生的高壓,一方面，有利于高壓氣相 中的反應,另一方面，由于高壓存在導致的沖擊波和微射流現(xiàn)象，在固液體系中起 到很好的沖擊作用，特別是導致分子間強烈的相互碰撞和聚集，對固體表面形態(tài), 表面組成都有極為重要的作用總z,超聲對于化學反應的影響，并不是直接作用 于分子，而是間接地影響化學反應，這種作用對于催化反應體系尤為明顯.3. 3超聲在水處理過程的應用超聲技術應用于難降解自毒有機污染物時，主要是當超聲波照射水體環(huán)境時,

8、其高能量的輸出將產(chǎn)生渦漩氣泡,而氣泡內(nèi)部的高溫高壓狀態(tài)，可將水分子分解 生成強氧化性的氫氧自由基，這些自由基對于各種有機物都有很高的反應速率， 可將其氧化分解成其它較簡單的分子，最終生成c0?和h2o.人量的事實表明，聲化 學處理方法在治理廢水屮難生物降解有毒有機污染物方面卓有成效對于有機相 水相的多相反應體系，利用超聲波照射時，被乳化的液體通過交錯時間的接觸面 積，快速進行反應,甚至在沒有催化劑的條件下也能發(fā)生反應有機物經(jīng)超聲處理 后的分解產(chǎn)物與高溫焚燒處理類似.3.4超聲在納米材料制備中的應用近年來，聲化學方法已成為制備具有特殊性能新材料的一種有用的技術聲 空化所引發(fā)的特殊的物理，化學環(huán)境已為科學家們制備納米材料提供了重要的途 徑用聲化學分解高沸點溶劑中的揮發(fā)性有機金屬前體時，可以得到具有高催化 性能的各種形式的納米結構材料在制備方法上主要有，超聲霧化分解法、金屬有 機物超聲分解法、化學沉淀法和聲電化學法等.4結語在過去20年，超聲化學的基礎研究和應用研究都已取得了豐碩的成果,但是, 還有許多有待研究的課題研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在某些反應體系，超聲能改變化學反 應途徑，而超聲化學的某些行為述不