超聲波在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

摘 要：超聲波由于空化作用產(chǎn)生的一系列效應(yīng)，會對不同化學(xué)化工過程起到相應(yīng)的作用，效果明顯，因而得到不同程度的工業(yè)應(yīng)用及推廣。

關(guān)鍵詞：超聲波；化工；應(yīng)用；

中圖分類號：TQ021 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-3520（2015）-03-00-02

近20多年來，超聲波越來越多地應(yīng)用于化學(xué)化工領(lǐng)域。超聲波作用原理可用加速攪拌和加速物質(zhì)傳遞來解釋，也可用空穴效應(yīng)及由此引發(fā)的物理、化學(xué)變化來解釋液體的聲空化過程是集中聲場能量并釋放的過程。也就是受超聲波輻射的液體產(chǎn)生的微小泡泡會在其周圍極小的空間產(chǎn)生出5000k以上的高溫和超過1013×105KPa的高壓，溫度變化率高達(dá)109K/S，并且伴隨強(qiáng)烈的沖擊波和時(shí)速高達(dá)400Km/h的射流[1][2]，這些能量足以斷開結(jié)合力強(qiáng)的化學(xué)鍵，并促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)（包括氧化、還原、取代分子破碎以及自由基引發(fā)的聚合、降解等化學(xué)反應(yīng)，使很多以往不能進(jìn)行或難以進(jìn)行的反應(yīng)順利進(jìn)行，提高化學(xué)反應(yīng)速率、增加產(chǎn)率、改善目的產(chǎn)物的選擇性）和對化工過程產(chǎn)生積極的影響（使許多過程得到有效地改善和強(qiáng)化），更重要的是超聲波作為一種方便、迅速、有效、安全的技術(shù)大大優(yōu)越于傳統(tǒng)的攪、外加熱等熱力學(xué)手段。本文將就超聲波在化學(xué)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用研究作簡要介紹。

一、超聲波在有機(jī)合成中的應(yīng)用

（一）取代反應(yīng)

超聲波應(yīng)用于取代反應(yīng)中的例子非常多，其中不少具有一定的使用價(jià)值。如在工業(yè)上，用嘯聲反應(yīng)器加速很重要的油、脂、臘的水解，從而獲得價(jià)格低廉的產(chǎn)品。

1、水解反應(yīng)。研究者發(fā)現(xiàn)：正常的水解反應(yīng)若施以 超聲波，反應(yīng)條件可溫和許多，而且速度增加且與溫度成正比，這種現(xiàn)象在硝基苯酯的堿性水解中可以觀察到，其水解速度增加了15%，而與分子結(jié)構(gòu)無關(guān)。

2、烷基化反應(yīng)。超聲波對冠化合物的N-烷基化有很大促進(jìn)，不僅條件溫和而且提高了產(chǎn)率，如：

3、單取代硼酸的制取[3]。單取代硼酸是一類有用的合成中間體，與傳統(tǒng)方法相比，在超聲波作用下以硼酸三丁酯為原料與鹵代烴、金屬鎂粉，室溫條件下即可制備單取代硼酸。

這個(gè)反應(yīng)中，超聲波對它的促進(jìn)作用相當(dāng)明顯，反應(yīng)用的THF，僅需KOH烘干即可，不再需要嚴(yán)格的無水無氧條件，反應(yīng)速度快，特別是加入少量碘后，反應(yīng)幾乎瞬間完成，而沒有引發(fā)期。

（二）氧化反應(yīng)

天然的木質(zhì)素在超聲波作用下會被氧化成香蘭素，并且產(chǎn)率提高了約3倍。

（三）還原反應(yīng)

近年來還原反應(yīng)是有機(jī)聲化學(xué)的研究熱點(diǎn)，如在超聲波作用下用氫化鋁鋰還原幾種雜原子———鹵素鍵（在己烷和環(huán)己烷中）：

利用過渡金屬還原脂芳烴鹵化物或芳基鹵化物有很多方法。但芳基氯化物是極難被還原的。在超聲波輻射下，以NiCl2-Zn-H2O為還原劑，不僅其他的鹵化物很容易還原朊鹵，且芳基氯化物也是很容易還原：

（四）成環(huán)反應(yīng)

成環(huán)反應(yīng)中分子內(nèi)成環(huán)研究較多，對于烯醇硅醚環(huán)丙化的反應(yīng)[4]。超聲波方法條件溫和，無劇烈的放熱過程，因而可用于大量制備：

對于下面的反應(yīng)，用超聲合成α-氨基乙酰胺[8]，大縮短反應(yīng)時(shí)間，提高了產(chǎn)品回收率：

（五）開環(huán)反應(yīng)

玻沃反應(yīng)、縮合反應(yīng)、偶聯(lián)反應(yīng)，還有一些重要的人名反應(yīng)，在超聲波的作用下，都有不同程度的好效果。當(dāng)然，超聲波有時(shí)會使科學(xué)家們感到困惑，對于揮發(fā)性溶劑，超聲分解就要困難得多。

二、超聲波在化工中的應(yīng)用

（一）固液萃取強(qiáng)化

近年來，食品或塑料等固體樣品中微量成分的超聲萃取已經(jīng)成為分析化學(xué)中的一種常規(guī)手段。超聲空化可以改善那些以植物根莖為原料的萃取過程.超聲萃取也被用于醫(yī)藥生產(chǎn)行業(yè)，例如螺旋藻和黃連素的超聲萃取。超聲波可進(jìn)黃連素的提取，又不改變黃連素的結(jié)構(gòu)。秦?zé)樀纫砸掖驾腿〗S色素為例研究了超聲場對固-液體的浸取速率和提取率的影響。

（二）吸附與脫附強(qiáng)化

在物理吸附和脫附過程中，溶質(zhì)在多孔材料內(nèi)部以及溶液主體與吸附表面之間的濃差擴(kuò)散構(gòu)成了傳質(zhì)過程的主要阻力。因此，減小傳質(zhì)邊界層厚度，增加孔內(nèi)的蠕動，可以提高總傳質(zhì)效率和速率，超聲波在這些方面具有傳統(tǒng)的攪拌混合等機(jī)械方法所無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

（三）結(jié)晶過程

對于過飽和溶液，超聲波能夠刺激新相的形成，增加成核速率，提高分散程度，干擾晶體的長大，控制顆粒的形貌，因此它可以作為一種控制結(jié)晶過程的重要手段。結(jié)果表明，在聲場作用下結(jié)晶成核過程可以在低過飽和度下實(shí)現(xiàn)，所得晶核較其它方法均勻、完整、光潔，晶粒尺寸分布范圍較窄。

三、結(jié)束語

聲化學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，其作用機(jī)制主要是超聲空化產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)。超聲波對化工過程的強(qiáng)化機(jī)理尚需深入地研究，且必須針對化工單元過程的實(shí)際特征，正確地把握聲能與物質(zhì)間獨(dú)特的相互作用形式，從化學(xué)工程的角度分析超聲場的附加作用，這樣才能對深入研究提出比較有效的建議。目前聲化學(xué)的研究正處于蓬勃發(fā)展的階段，從過程強(qiáng)化的角度來講，超聲波技術(shù)可以推廣應(yīng)用于過程速率受界面效應(yīng)控制的任何過程與體系，因此將超聲波與傳統(tǒng)技術(shù)相耦合必將為傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)帶來新的活力。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kenneth S Suslick.The chemistry of ultrasound.The Year book of Science the Future[M].Chicago：Encyclopaedia Britannica，1994.138.

[2]Thompson L H，Doraiswamy L K.Sonochemistry：science and engineering Industrial Engineering chemistry Research[J].1999，38（4）：1 215.

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[4]孫海州，李基森.超聲波作用下烯醉硅醚環(huán)丙化反應(yīng)的研究[J].有機(jī)化學(xué)，1998，（18）：550 555.