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超声波样品处理技术在化学反应等领域的应用

北京星越生物

2013/03/04

超声波对目标化学样品处理，主要利用超声空化现象。空化泡崩溃产生局部的高温、高压和强烈的冲击波及射流，为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种新的非常特殊的物理化学环境，它是一门新兴的声学与化学边缘交叉学科。大量实验证明超声波可广泛应用于各种反应，包括：
(1)合成化学方面，特别是超声波催化在有机合成中应用研究发展很快，主要研究对象是多相反应，特别是有机金属。超声波使表面活化，有可能代替相转移催化剂(PTC)反应。包括金属表面参与的反应(如加速催化反应)、粉末状固体颗粒参与的反应、乳化反应、均相反应。
(2)高聚物化学方面，通过超声波破碎仪进行样品处理，如聚合反应、高分子降解反应。
(3)电化学方面，将超声波破碎仪直接引入电镀槽，由于空化作用，增加了沉积速率，提高电流密度。
(4)分析化学。超声波催化已成为许多有机金属化合物的常规合成技术。如在格氏试剂的合成中，传统方法需使用经严格干燥的乙醚，且需加入少量碘作诱导剂。而在超声辐射下，该反应可用普通试剂级乙醚而无需干燥，反应的诱导期也缩短到几秒。这一发现对格氏试剂的工业化生产具有重要意义。将超声波辐射用于均相和非均相催化反应能不断剥除催化剂表面吸附的反应物，暴露出新的催化面，从而有效地保持了催化剂的活性，例如，美国Moulton利用超声使豆油的催化加氢加快了100多倍；用镍粉作催化剂的烯烃加氢反应经超声辐射后，反应速度可加快十多万倍，这一发现将对石油化工产生重大影响。目前在电镀中使用超声波，实际上是超声在电化学中应用的一个例子，将超声波辐射用于电化学过程，可保持电极的清洁、使电极表面脱气、同时还能改善传质，这些优点使得电化学过程更为有效，可以改进镀层的附着性、硬度和光洁度等，并使电镀可在较低的电流密度下完成，电镀速度明显提高。近年来，在固态核磁共振技术中超声辐射已被用来使谱线变窄，这一技术被称为声致变窄(SIN)，它比磁角自旋MAS技术更方便实用。例如，用20kHz的超声辐射悬浮于四氯化碳中的硫酸铝，其Al四极共振光谱的半峰宽为170Hz，而用MAS技术所得的同一谱线的半峰宽则为660Hz。超声波脱气，在气相色谱中用超声脱气改进固定相涂布的均匀性已成为常规操作。影响超声化学反应的参数很多，主要包括工作频率、强度、功率、辐射时间、波形、反应介质温度、大气压强等。例如在合成化学中超声频率一般选在几十kHz，在聚合化学中超声频率一般在1MHz以下，但声强一般大于5W/cm
2。
还可应用于化工领域的许多方面。如超声波破碎应用于膜分离中,有明显加速传质和去浓差极化作用，可以提高膜分离的分离效率；应用于污水处理，可以有效的将其中的有机物质分离出来，并能将废水中的有害物质分解；在发酵过程中，超声波能够促使细胞中的生物酶很快释放到细胞外，从而较大程度的提高发酵液的总体酶活性，相应提高了底物的转化率；用于热敏物质的干燥不必升温就可以将水从固体中除去，加快干燥速度和降低固体中残留水含量；用于制备微泡、焊接等等。
*8 结论*
目前超声波技术在化工领域中的应用还处于初期阶段，而且各种应用发展并不平衡，如超声波清洗等，其发展规模越来越大，而其他一些功率超声技术，如超声波加工、超声波提取等，几十年规模变化不大，许多作用规律还有待于进一步探索与总结。因为一种新的超声技术实验时期(包括中试和现场实验)可能投入、风险都比较大，所以不同领域的应用需要相关企业共同参与开发研究，甚至需要政府的投入和支持，只有这样才能及时将高效节能的超声技术和方案付诸实际工程，加速产业化。由于超声波的引入给化学化工领域注入了新的活力，产生了许多普通方法不能产生的效果，设备简单，无二次污染，所以发展前景是十分可观的。

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