近20年來,超聲波加速化學反應已經被大量實驗所證明,并廣泛的應用于化工、石油、冶金、煤炭、電子、醫藥、建材、輕工等實驗室領域。采用超聲波方式進行化學反應,與傳統方法相比較具有操作簡單,化學反應條件溫和,反應時間縮短,反應產率提高,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,開辟了新的化學反應方式。

超聲波加速化學反應的基本原理

到目前為止,對超聲波加速化學反應的原因仍然沒有定論,但普遍被接受的一般有以下幾點:

1)空化作用??赡苁羌铀倩瘜W反應的關鍵所在, 即在液體介質中微泡的形成和破裂及伴隨能量的釋放??栈饔盟a生的瞬間內爆有強烈的振動波,產生短暫的高能環境(據計算在毫微秒的時間間隔內可達2000-3000℃和幾百個大氣壓)。利用超聲波高頻振動及空化的壓力、高溫效應,加速化學反應的進行,促使兩種液體,兩種固體,或液-固,液-氣界面之間,發生分子的相互滲透,打開化學鍵, 形成新的物質屬性。同時也可通過聲的吸收, 介質和容器的共振性質引起的二級效應,如乳化作用、宏觀的加熱效應等來進一步加速化學反應的進行。

2)空化泡爆裂時從溶劑或反應試劑產生的活性物質,如離子和游離基,如果離子和自由基存在競爭,則有可能產生不同的產物。

3)超聲波對化學溶劑本身結構的破壞。超聲波效應單一或共同作用的結果,使得反應體系的化學反應速度得到大大的增強。

4)在空化泡周期性振蕩或崩裂過程中,會產生短暫的局部高溫,高壓,加熱和冷卻的速度率大于1010Ks,并產生強電場,從而引發許多力學,熱學,化學,生物等效應,加速化學反應。

超聲波加速化學反應的應用領域

1)在電化學反應中的應用。主要有超聲波電分析化學,超聲波電化學發光分析,超聲波電化學合成,超聲波電鍍等。超聲波與電化學反應的結合具有許多潛在的優點,這些優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;加速液相質量傳遞;加速化學反應速率;增強電化學發光;改變電合成反應的產率等。

2)化學在催化反應中的應用。超聲波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別。超聲波空化作用時間短,釋放出高能量.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。同時,氣泡崩潰時產生的高壓,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,表面組成都有極為重要的作用??傊?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)在水處理過程的應用。超聲波技術應用于難降解有毒有機污染物時,主要是當超聲波照射水體環境時,其高能量的輸出將產生渦漩氣泡,而氣泡內部的高溫高壓狀態,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CO2和H2O.大量的事實表明,聲化學處理方法在治理廢水中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,快速進行化學反應,甚至在沒有催化劑的條件下也能發生反應。有機物經超聲處理后的分解產物與高溫焚燒處理類似。

4)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。聲空化所引發的特殊的物理,化學環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,超聲波霧化分解法,金屬有機物超聲波分解法,化學沉淀法和聲電化學法等。

可以看出,超聲波加速化學反應的應用研究已經十分廣泛,對各種類型的化學反應幾乎都有不同程度的促進作用,但也并非所有的研究都是正結果。如在下面的化學反應中,用甲苯作溶劑超聲波對其沒有什么促進作用,如用水作溶劑時有輕微的副作用(收率從19%降低到13%)。同時超聲波也不是對所有的化學反應都會有作用的。目前超聲波的應用還缺乏理論指導,盡管如此,超聲波加速化學反應的作用還是顯而易見的。我們有理由相信,在不久的將來,無論是在理論上還是在應用上,超聲波方法都會得到蓬勃的發展,成為加速化學反應研究中的一種重要手段。