Ультразвук для химии (продолжение)

Для интенсификации процессов разделения неоднородных систем может быть использован мощный ультразвук совместно с другими физическими воздействиями и их сочетания. Выбор конкретного режима зависит от свойств системы и поставленной задачи. Совместное использование ультразвуковых и электрических методов очистки и разделения систем становится эффективными при различии диэлектрических свойств частиц и среды. Например, для систем с нефтепродуктами, систем водоснабжения, очистки сбросовых водостоков и тому подобных задач.

Для примера, из комбинированных методов разделения неоднородных систем можно отметить метод совместного воздействия ультразвукового поля и центробежных сил, предложенный еще в 1938 г. П.Жирардом и Н.Маринеско и развитый далее в работах П.Грегута.

Интенсификация процессов переработки полимерных материалов направлена на изменение характера течения неньютоновых жидкостей. Воздействия мощного ультразвукового поля позволяют реализовать различные эффекты, влияющие на реологические свойства полимеров. Эти эффекты можно условно разделить на две группы: поверхностные и объемные.

Поверхностные эффекты проявляются на границах раздела расплавов с твердой фазой. Они сопровождаются существенным уменьшением адгезии и, как следствие, изменением характера течения вблизи твердых поверхностей. В частности, можно отметить следующие эффекты при периодическом режиме деформирования: нарушение структурных связей, носящее как тиксотронный, так и деструктивный характер, переход в высокоэластичное состояние и уменьшение вязкости, связанное с увеличением температуры поверхностных слоев за счет поглощения энергии и увеличения теплообмена со стенкой; кавитацию и др.

Совокупность воздействия поверхностных эффектов приводит к пристенному скольжению полимерных материалов, существенно влияющему на различные технологические процессы их формования.

Объемные эффекты связаны, прежде всего, с нелинейностью полимерных систем и спецификой их поведения при наложении колебаний, а также с нелинейным взаимодействием колебаний и течений в этих системах. В объеме материала проявляются тиксотропия, высокоэластичность, разогрев и другие явления, зависящие от реологических свойств систем и характера воздействия.

В высоконаполненных системах под действием молекулярных сил возникает сцепление одной частицы с другой, самопроизвольно образуются агрегаты из частиц и сложные пространственные структуры. Процессы деформирования, формоизменения, течения и другие определяются соотношением между энергией (или прочностью) связей и их числом в единице объема, с величиной, подводимой к этим связям, механической энергии. Поэтому, эффективная вязкость дисперсных систем по мере увеличения скорости деформирования или напряжения сдвига может уменьшаться на пять_–_семь порядков от наибольшей вязкости для неразрушенной структуры в отсутствие воздействий до наименьшей, соответствующей предельно разрушенной структуре.

Воздействие ультразвуковых колебаний на упруго-вязкопластичные материалы приводит к резкому уменьшению предельного сдвига или его полному устранению. Система переходит в состояние с эффективной вязкостью, зависящей от интенсивности колебаний. Бингамовские пластинки при этом превращаются в ньютоновскую жидкость. Ультразвуковое воздействие на сыпучие системы приводит к их ожижению, причем величина эффективной вязкости также зависит от интенсивности вводимых колебаний.

Воздействие ультразвука можно использовать для интенсификации процесса формования различных полимерных материалов: ПВХ, полипропилена, полистирола, полиэтилена, термоэластопластов, резиновых смесей и др. Волновые явления в этих процессах очень многообразны, и их анализ дает много новых эффектов, важных для технологии. В связи с этим представляются перспективными импульсные режимы воздействия.

Помимо влияния на процессы течения в расплавах полимеров, ультразвуковые методы позволяют интенсифицировать и процессы переработки с участием твердой фазы, например, смешение, загрузку, окрашивание и др. Значительное влияние оказывает наложение ультразвуковых колебаний через шнек на зону загрузки.

Таким образом, наложение ультразвуковых колебаний и волн позволяет целенаправленно управлять физико-механическими (структурными и реологическими) характеристиками веществ, что может быть использовано для интенсификации разнообразных процессов переработки полимерных материалов и композиций. Особую актуальность переработка полимеров приобретает сегодня в связи со значительной экологической проблемой и задачами вторичной переработке.

Различные тепломассообменные процессы: кристаллизация, сушка, сорбация, экстракция и другие энергоемкие процессы, имеющие большую длительность, могут быть значительно интенсифицированы с помощью наложения механических колебаний в диапазоне «макрозвука». Поскольку коэффициенты молекулярного переноса тепла и массы (теплопроводности и диффузии) в однородных системах от электрических, магнитных и других воздействий непосредственно не зависят, методы интенсификации тепломассообъема ориентированы, в основном, на изменение гидродинамической обстановки на границе фаз, т.е. на вынужденную конвекцию. Существенное влияние на конвективные составляющие оказывают разнообразные ультразвуковые акустические потоки и кавитация.

Наиболее интересным для технологии кристаллизации является то, что изменяя акустические характеристики (частоту и интенсивность), можно получить наперед заданную гранулометрическую фракцию кристаллов. Задавая определенный температурно-кавитационный режим, можно управлять ростом кристаллов, например, периодически изменять интенсивность ультразвука относительно порога кавитации и одновременно периодически изменять температуру раствора около точки пересыщения. При температурах, выше точки пересыщения, надо воздействовать с интенсивностью выше порога кавитации, а при температуре, ниже точки пересыщения, соответственно, воздействовать ультразвуком ниже порога кавитации. Поскольку ультразвуковое воздействие интенсифицирует кристаллизацию, вполне очевидно, что следует ожидать и аналогичной интенсификации процесса растворения. Наибольшая скорость растворения наблюдается на частотах 20–40 кГц в кавитационном режиме. Например, для частоты 22 кГц скорость растворения превышает в 7 раз скорость растворения при частоте 410 кГц.

Мощное ультразвуковое воздействие значительно интенсифицирует процессы выщелачивания, что может быть с успехом использовано при производстве катализаторов, обогащении полезных ископаемых и т.п. технологических процессах, во многих случаях качество и производительность значительно превосходят традиционные технологии.

Тепловые процессы, протекающие как с изменением, так и без изменения агрегатного состояния (сжигание жидкого и твердого топлива, конденсация, вываривание, нагревание, охлаждение и др.), значительно интенсифицируются наложением ультразвукового поля в диапазоне «макрозвука» (более детально эти процессы рассмотрены в авторской статье «Ультразвук в энергетике»).

Интенсификация вышеперечисленных процессов способствует значительной экономии энергии, повышению качества продукта и созданию условий для гибкого управления процессами. Химические и микробиологические процессы представляются наиболее трудными для интенсификации, поскольку в отличие от остальных (механических, гидромеханических, тепломассообменных) протекают на атомно-молекулярном уровне. Тем не менее, при правильном выборе амплитудно-частотных характеристик, возможно активное селективное влияние ультразвуковых энергетических воздействий на элементарные акты реакций. По сути дела, речь идет об обеспечении межмолекулярной и внутримолекулярной селективности возбуждения.

Хотелось бы акцентировать внимание микробиологов на эффективность использования «макрозвука». При определенных характеристиках ультразвукового поля малой интенсивности создаются идеальные условия для интенсификации роста и развития микроорганизмов.

При плотности звука свыше 2 Вт/см² активно протекают процессы уничтожения микрофлоры, возможны режимы селективного воздействия, разрушающие оболочку микроорганизма и т.п. Ультразвук активно воздействует практически на все типы микроорганизмов.

В заключение приведем один, очень показательный, случай из практики. Ученый-химик одного весьма солидного НИИ на наше предложение попробовать провести интересующую его реакцию в ультразвуковом поле ответил: «У меня есть магнитострикционная ванночка, я уже пробовал, ничего не получается». С таким подходом и не получится, объясним почему. Дело в том, что ультразвуковое оборудование, в целом, имеет очень широкую направленность, но для каждого конкретного технологического процесса нужно использовать оборудование с определенными характеристиками. Образно говоря, ультразвуковое оборудование можно сравнить с радиоприемником: если Вы хотите слушать немецкие военные марши – нужно настроить приемник на волну (частоту) Берлина; если хотите наслаждаться итальянской оперой – настройтесь на Рим и т.д., т.е. для каждого случая необходима своя частота, громкость и тембр звука радиоприемника, а это значит, что для каждого конкретного техпроцесса нужно специальное ультразвуковое оборудование со строго определенными параметрами.

Любое ультразвуковое оборудование работает на фиксированной резонансной частоте, с определенной интенсивностью звука, с определенной амплитудой колебаний. На оборудовании старого типа изменять эти параметры линейно невозможно, а Вам, для эффективной работы, в каждом конкретном случае, необходимы свои, характерные только для этой операции, амплитудно-частотные характеристики ультразвукового оборудования. Соответственно, необходимо рассчитывать и использовать ультразвуковой преобразователь для каждой конкретной технологической операции. Только такой подход обеспечит Вам успех, даст возможность создания новых, экономически выгодных и экологически безопасных технологий в различных сферах: от переработки вторсырья до нанотехнологий.

Научно-Производственная Лаборатория «Ультра Звуковые Технологии» занимается исследованиями в вышеозначенной области, разработкой новой техники и внедрением прогрессивных ультразвуковых технологий, разрабатывает и производит ультразвуковое технологическое оборудование промышленного и лабораторного применения, позволяющее значительно интенсифицировать техпроцессы. Мы готовы к взаимовыгодному сотрудничеству для эффективного решения широкого круга задач.

16.11.2008

Зав. Лаборатории Валерий Буряков

Техн. директор Александр Кореневич