Ультразвуку в современной химии принадлежит одно из
важных мест. Мы уже говорили о том, что вода под воздействием
ультразвука как бы вскипает, молекулы начинают двигаться значительно
быстрее. Ученые использовали эту удивительную способность ультразвука
для ускорения различных производственных процессов. Любопытное
сравнение: сила звука пушечного выстрела орудия равна приблизительно
0,01 ватта на квадратный сантиметр. А с помощью ультразвуковых
колебаний, которые к тому же легко фокусировать, можно повысить давление
в жидкости до десятков и даже сотен тысяч ватт на квадратный сантиметр
поверхности.
Исследования показали, что при ультразвуковом облучении частицы вещества
приобретают такую активность, которая приводит к цепной реакции. Это
очень важное научное достижение, открывающее широкую перспективу
практического применения. На его основе уже начало формироваться новое
направление в химии - ультразвуковая химия.
Йодистый калий - бесцветное вещество, по виду его трудно отличить от
обычной поваренной соли. Если через раствор йодистого калия пропустить
мощный ультразвук, то он слегка пожелтеет. Что же произошло? Под
действием ультразвука молекула йодистого калия, представляющая
соединение одного атома йода с одним атомом калия, разрушилась,
выделился йод, который и окрасил раствор в желтый цвет.
Изучая химические превращения, происходящие под воздействием
ультразвука, ученые установили, что ультразвук может не только ускорять
окисление различных химических соединений, но в некоторых случаях
оказывать прямо противоположное действие, то есть восстанавливать. Так,
например, ультразвуком можно восстановить железо из его окислов и солей.
Каким же образом ультразвук воздействует на химические реакции?
Разрежения, возникающие в мощном ультразвуковом поле, как мы уже
говорили, могут быть настолько велики, что жидкость не выдерживает и
разрывается, образуя множество микроскопических пузырьков, то есть
возникает уже известная нам кавитация. Внутри пузырьков, помимо паров
воды и воздуха, находятся также мельчайшие капельки воды, которые
отрываются от ее поверхности в момент разрыва.
Установлено, что стенки кавитационного пузырька и капельки, находящиеся
внутри него, заряжены разноименным электричеством. При сжатии пузырьков
их размеры резко уменьшаются и заряды оказываются расположенными на
пузырьках очень малых размеров. В результате этого электрическое
напряжение сильно возрастает. Между стенками кавитационных пузырьков и
капельками, находящимися внутри них, происходят электрические разряды,
которые и являются главной причиной химического действия ультразвука. Но
не только это. При захлопывании кавитационных пузырьков, как мы знаем,
возникает огромное давление, сопровождающееся повышением температуры.
Большое давление и температура также способствуют химическим
превращениям.
Научные исследования и практические опыты показали, что применение
ультразвуковых устройств позволяет значительно интенсифицировать такие
химико-технологические процессы, как электроосаждение, полимеризация,
деполимеризация, окисление, восстановление, диспергирование,
эмульгирование, коагуляция аэрозолей, гомогенизация, пропитка,
растворение, распыление, сушка, горение, дубление и т. д.
Под воздействием ультразвука значительно улучшается и ускоряется
осаждение металлов и сплавов в гальванических и других электролитических
процессах; осаждаемый металл приобретает мелкокристаллическую структуру,
уменьшается пористость покрытия. На электрохимических предприятиях
используются специальные агрегаты и установки (ВУГ-1, ВУГ-3, ВУГ-4,
ВУГ-5 и др.), предназначенные для ускорения гальванических процессов
меднения, латунирования, цинкования, кадми-рования, лужения и
серебрения. Установки могут быть использованы в гальванических цехах
машиностроительных и приборостроительных заводов, в часовой и ювелирной
промышленности, а также на заводах легкой и пищевой промышленности.
Автоматические линии для нанесения гальванических и химических покрытий
с помощью ультразвука позво- ! ляют вести эти операции в строгом
соответствии с технологией, повысить качество и, конечно, создать более
комфортные условия для рабочих.
Известно, что некоторые жидкости или очень трудно] или совсем невозможно
смешать, поэтому их так и называют несмешивающимися. К ним относятся
вода и жир, вода и эфирные масла, вода и ртуть и многие другие. Но
известно также, что в таких смесях, эмульсиях, нужда бывает
великая. Барьер несмешиваемости помогает преодолеть ультразвук благодаря
его способности вызывать кавитационный эффект. Так получают эмульсии,
которые применяются для охлаждения режущих инструментов при
металлообработке, высококачественные краски, лаки, шпаклевочные
материалы и т. д. Многие химические процессы связаны с реакциями,
протекающими между различными жидкостями. Эти реакции намного ускоряются
под действием ультразвуковых колебаний. С помощью ультразвука можно
также быстро растворить твердые тела в жидкостях, однако интенсивность
ультразвуковых колебаний при этом должна быть значительно большей, чем
при смешивании жидкостей.
Для промышленных целей в настоящее время создан ряд ультразвуковых
аппаратов, принятых к серийному производству. Два, три таких аппарата,
расположенных в небольшом помещении, способны заменить оборудование,
которое занимает целый цех. Среди них ультразвуковой гидродинамический
смеситель-эмульгатор УГС-10, ультразвуковые диспергаторы УДГ-К, УДГ-П, ]
УДГ-С, а также гидродинамические ультразвуковые устройства УГУ-П, УГУ-Р,
УГУ-В.
Ультразвук стал незаменимым при ускорении таких химико-технологических
процессов, как полимеризация.
Полимеризация - химическая реакция соединения многих одинаковых молекул
какого-нибудь ненасыщенного соединения в одну укрупненную молекулу.
Полимеризация имеет огромное техническое значение, с ее помощью получают
синтетический каучук, пластмассы, искусственное волокно и т. д. На долю
веществ, синтезируемых методом полимеризации, приходится почти 75
процентов от их общего мирового производства. Степень полимеризации
зависит от частоты ультразвуковых колебаний и значительно ускоряется при
облучении сравнительно низкими частотами.
Деполимеризация также ускоряется под действием ультразвука. Хорошо
деполимеризуются в растворах полистирол, каучук, белки,
нитроцеллюлоза... Результаты ультразвуковой деполимеризации зависят от
продолжительности ультразвукового облучения и его интенсивности, а также
от концентрации раствора полимера. Не меньшее значение в ускорении
процесса деполимеризации имеют кавитация, внешнее давление, термическое
действие ультразвука, частота акустических колебаний и другие факторы.
Практика показала, что с ролью ускорителей технологических процессов
хорошо справляются аппараты УПХА-PI, УПХА-Р8, УПХА-Ш8. Один из них, а
именно унифицированный ультразвуковой колонный аппарат УПХА-Р8, обладает
широким диапазоном. Он интенсифицирует полимеризацию, окисление,
восстановление, поликонденсацию. Ему можно поручать сверхтонкое
измельчение красителей, пигментов и других материалов.
Для коагуляции аэрозолей и ускорения процессов сушки служит установка
ПУАС. Применение установки позволяет улавливать из газов мелкодисперсные
жидкие и твердые частицы, а в сушилках - значительно сократить унос
высушиваемого материала, повысить скорость сушки и снизить ее
температуру. Низкотемпературная сушка с ультразвуковой сиреной ускоряет,
например, испарение растворителя при склеивании деталей из полимеров,
придавая конструкции необходимую^ прочность. Установка может применяться
в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, фармацевтической, легкой
промышленности.
Распыление жидкостей и расплавов. Здесь хорошо зарекомендовало себя
ультразвуковое распылительное устройство РУЗ. Оно может быть
использовано в химической, нефтеперерабатывающей, фармацевтической,
металлургической и многих других отраслях промышленности с целью
интенсификации процессов в распылительных сушилках, очистительных
установках, а также получения металлического порошка путем распыления
расплавленных металлов. Распылительное устройство не! имеет вращающихся
и трущихся деталей и узлов, что! обеспечивает высокую надежность в
работе и позволяет, не останавливая процесса, регулировать интенсивность
распыления.
Синтетические волокна успешно конкурируют с натуральными и по прочности
и по экономичности. Но если хлопок, лен, шерсть легко окрашиваются и
долго сохраняют цвет, то синтетические волокна трудно поддаются окраске
и значительно быстрее тускнеют. Сотрудники Украинского
научно-исследовательского института! стекольной и фарфоро-фаянсовой
промышленности предложили синтетические волокна обрабатывать
керамическими красителями. Результаты превзошли все ожидания.
Керамическая краска вместе с капроновой крошкой, в среде азота
расплавляется при определенной температуре. Потом эту массу вытягивают в
нитку, но уже цветную. Повысить интенсивность окраски волокон
керамическими красителями помог ультразвук. Он дал возможность достичь
нужного измельчения пигментных; зерен, получить высокодисперсные краски,
способные равномерно распределиться по капроновой массе.
В Институте химической кинетики и горения разработан способ, повышающий
эффективность сжигания окисленных углей. Воспламенение и горение таких
углей стали вести в ультразвуковом поле. Ультразвук усиливает
эффективность сгорания до 20 раз, что дает огромную экономическую
выгоду. Используя этот же принцип, можно добиться и более эффективного
сжигания жидких топлив - путем создания ультразвуковых форсунок.
Сотрудники Днепропетровского инженерно-строительного института создали
ультразвуковую установку, которая успешно прошла испытания на
Запорожском автоматизированном бетонорастворном заводе. Эта установка I
намного ускоряет процесс и производство бетона и позволяет экономить до
15 процентов цемента.
В Каунасском политехническом институте сконструирована ультразвуковая
сирена. Вначале ее предполагали применить для ускорения сушки
фотобумаги. Однако при испытаниях выяснилось, что для этой цели ее
использовать нельзя, так как она разрушает слой фотоэмульсии. Но ведь в
холодной сушке нуждается не только фотобумага, но и ткани, волокна,
кожа, меха и другие материалы. В Акустическом институте Академии паук
СССР провели исследования по ультразвуковой ушке материалов, сходных по
структуре с тканями, из которых шьют белье. Оказалось, что
ультразвуковые колебания действительно способствуют бурному испарению
влаги.
"Звук, ультразвук, инфразвук" автор: И.Г. Хорбченко, Издательство
"Знание" Москва 1986 год.
