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声化学

利用机械波加速化学反应、提高化学产率的一门新兴的交叉学科

所谓声化学主要是指利用机械波加速化学反应，提高化学产率的一门新兴的交叉学科。声化学反应不是来自机械波与物质分子的直接相互作用，因为在液体中常用的机械波波长为10cm--0.015cm,远远大于分子尺度。声化学反应主要源于机械波空化----液体中空泡的形成、生长、收缩、直至崩溃，机器引发的物理、化学变化。

简介
1986年4月8-11日，第一届国际化学学术讨论会在英国Warwick大学召开，它标志着一门新的交叉学科-------声化学（sonochemistry）的诞生。
研究在机械波作用下引起的化学反应或化学反应过程的改变的化学分支学科。又称机械波化学。用于化学反应的机械波波长通常为6.9～17毫米，产生机械波的装置称作机械波发生器，核心部件是压电晶体或磁致伸缩元件。
实质
声化学效应的实质是空化效应，包括气核的出现、微泡的长大和微泡的爆裂3步 。在机械波作用下 ，流体产生急剧的运动，由于机械波的变化，使溶剂受到压缩和稀疏作用，在机械波的稀疏相区，气泡泡膨胀长大，并为周围的液体蒸气或气体充满。在压缩相区，气穴很快塌陷、破裂，产生大量微泡 ，它们又可以作为新的气核。当前认为，机械波对化学反应的影响，其主要原因就是这些微泡在长大以致突然破裂时能产生很强的冲击波。据估算，在微泡爆裂时，可以在局部空间内产生高达兆帕的压力 ，中心温度可达 3000～5000K ，对机械波场作用的解释，尚未进入分子水平，而是停留在对分子群体的机械作用机制的水平上。例如，对固体表面的气蚀与洁净作用；不混溶液体的乳化作用；微泡爆裂时，冲击波在微空间导致的高温高压对传质和传能的影响。
基本特点
机械波化学反应可按介质划分为两大类：①水相中的声化学。在机械波作用下，水分解为氢氧自由基和氢原子，由此可诱发出一系列化学反应 。有机卤化物 ，如CH2Cl2 、CHCl3及CCl4在水介质中接受机械波作用，使碳氢键断裂，生成自由基。对蛋白质、酶等生物分子的声化学研究表明，机械波致氧化还原作用是导致很多简单产物的主要机制，例如：②非水液相中的声化学。在该领域的研究工作尚处在起步阶段。研究主要集中在以下几个方面：均相合成反应；金属表面上的有机反应；相转移反应；固液两相界面反应；聚合及高分子解聚反应。
特性
空化作用—当机械波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈运动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，导致液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质溶解，加速化学反应。这种由机械波作用在液体中所引起的各种效应称为机械波的空化作用。
机械波应用于化学反应能提高化学反应速率、缩短反应时间、提高反应选择性，而且能激发在没有机械波存在时不能发生的化学反应。由于机械波化学具有独特的反应特性，目前受到广泛关注，是合成化学等极为重要且十分活跃的研究领域之一。
机械波化学目前已广泛应用于化学中的每一个领域，如: 有机合成化学、纳米材料制备、生物化学、分析化学、高分子化学、高分子材料、表面加工、生物技术及环境保护等方面。
基础理论
机械波在介质中的传播过程中存在着一个正负压强的交变周期。在正压相位时,机械波对介质分子挤压, 增大了液体介质原来的密度;而在负压相位时, 介质的密度则减小。
机械波化学应具有加速化学反应、降低反应条件、缩短反应诱导时间和能进行有些传统方法难以进行的化学反应等特点。
化学效应
机械波在传播过程中与媒质相互作用，相位和幅度发生变化，可以使媒质的状态、组成、结构、功能和性质等发生变化。这类变化称之为机械波效应。机械波与媒质的相互作用可分为机械力学机制和空化机制。 在一个由机械波促进的化学反应体系中，以上的几种机制，或单独或协同的对反应起着催化作用:
1. 机械力学机制：当吸收系数较小，机械波的作用时间很短时，机械波效应的产生并不伴随有明显的其他效应。这时，机械波效应可归结为机械力学机制，即机械波效应来源于表征机械波场力学量的贡献。机械波也是一种机械能量的传播形式，波动过程中的力学量如原点位移、速度、加速度及强度等参数可以表述机械波效应。
2. 空化机制：机械波化学效应的主要机制之一是机械波空化(包括气泡的形成、生长和崩裂等过程)。其现象包括两个方面，即强机械波在液体中产生气泡和气泡在强机械波作用下的特殊运动。
机械波由一系列疏密相间的纵波构成，并通过液体介质向四周传播。当能量足够高时，在疏松的半周期内，液相分子间的吸引力被打破，形成空化核。空化核的寿命约0.1μs，它在爆炸的瞬间可以产生大约 4000-6000 K 和100MPa的局部高温高压环境，并产生速度约110m/s具有强烈冲击力的微射流，这种现象称为机械波空化。 机械波化学反应主要源于机械波空化机制，空化机制是机械波化学反应的主动力。这些条件足以使有机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧 (aqueous combustion)、高温分解(pyrolysis) 或自由基反应等。
热力学
对机械波化学有两种不同的解释：
一种是机械波致发热导致化学反应发生（热学理论）
另一种是机械波电效应致促使化学的进行（电学理论）。目前前者与实验比较一致，后者存在冲突和矛盾。
在机械波场作用下，溶液中产生空化气泡。空化气泡在机械波作用下压缩而产生热量，尤其是空化气泡溃陷时产生数千度的高温，由于溃陷速度极快，热量传递速度与之相比要慢的多，因此气泡的溃陷和蒸汽的压缩在气泡的体积内几乎是绝热进行，在此状态下，溶液中也形成一个瞬时的定域热点，在这个区域存在的热量，使溶液中的物质加热成分子，有的分子被热解而生成原子团，这些原子团因受热使分子键断裂和产生重排。
水溶液中进行的机械波化学反应的速率都有不同程度的提高。按照绝对速度理论，反应频率因素与分子的振动运动有关，因此空化作用大的区域压力梯度加快了反应分子的振动速度使反应速度提高。
总之，机械波化学反应速度的提高，是机械波作用产生空化现象的结果。而空化气泡的运动和溃陷，使体系内的各个部分（气泡内处的溶液）则产生了热力与流体力学的重新分布（其受以下因素制约）。
机械波本身的强度、波长、强度及波型决定了空化气泡的形成，形变和溃陷的过程和结果，是反应的原动力。反应体系的溶剂、溶于体系中的气体和反应物本身的物理性质和化学性子是声化学反应速度提高的内在因素。
机械波化学设备
利用功率机械波的空化现象加速和控制化学反应，提高反应率和引发新的化学反应的现象，称机械波化学。声化学可应用于几乎所有的化学反应，如萃取（提取）与分离、合成与降解、生物柴油生产、污水处理、细胞粉碎、分散和凝聚、提取生物纳米等等。
强大的机械波化学处理设备基于我公司特有的全波段大功率压电机械波换能器与第三代数字机械波发生器支持24小时连续发波，我们处理设备有2KW/3KW/6KW适合高压、高温、防爆等各种工况条件，此套机械波国内外任何一家公司无法超越的。
产品结构：
机械波化学设备有机械波发生器、大功率机械波换能器、机械波工具头。
机械波发生器：第三带数字电路闭合回路机械波发生器，利用DSP芯片及D/A转换器,采用直接数字波长合成技术,设计实现了一个波长、相位可控的正弦信号发生器。由数字化系统对其波长设定、追踪补偿、幅度设定、放大匹配输出、信号检测分析来控制其输出功率、能量。
大功率机械波换能器：专利技术ZL 2012 1 00856766.5（机械波全波换能器）支持连续大功率发波。
机械波工具头：根据机械波的电学、力学性能和有限元软件模拟预测真实状态，这是保障我们提供优质机械波产品的重要条件，钛合金是机械波行业公认的最佳优质材料它提供了卓越的抗拉强度和韧性是一个很好的选择。
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