166574 (Ультразвук в химической технологии), страница 2

Дегазация расплавов. При воздействии ультразвука на расплав значительно увеличивается интенсивность процесса образования пузырьков растворённого газа, и в результате, его содержание может быть снижено в двое и более, даже если ультразвуковая обработка кратковременна. Возникновение газовых пузырьков в расплаве сопровождается флотацией рассеивающихся твёрдых неметаллических включений, что увеличивает плотность литья и текучесть расплава, позволяя проникать в самые маленькие выемки литейной формы. Кроме дегазации, наблюдается значительное уменьшение зерна, что приводит к дополнительному улучшению физико-механических свойств отливки. Обработка расплава обычно производится непосредственно перед разливкой и может осуществляться как в стационарном объёме печи или раздаточного ковша с помощью погружных излучателей с рабочим инструментом из тугоплавких материалов, так и путём «озвучивания» металла в протоке посредством специального лотка или при помощи многослойных экранных фильтров из стеклоткани которые обеспечивают, кроме дегазации ультразвуком, фильтрование расплава. Технология применима для легкоплавких металлов малой плотности и их сплавов.

Интенсификация гальванических и химических процессов. Под воздействием ультразвука в процессах (меднения, никелирования, хромирования, кадмирования, цинкования, серебрения и т.д.) снижается водородная поляризация и облегчается разряд ионов, т.о. обеспечивается повышение катодной плотности тока, ускоряется отложение покрытий. Фактически ультразвук увеличивает активную площадь катода в 3 раза. Покрытие получается равномернее и толще в несколько раз, улучшается его адгезия к подложке. Технология реализуется с помощью погружных ультразвуковых излучателей с фронтальным типом излучения. Приведённый график иллюстрирует резкое повышение скорости осаждения покрытия под воздействием ультразвука (кривая 1) по сравнению с традиционными установками (кривая 2).

Сегодня катализаторы – самый распространенный элемент химических технологий. Но мало кто знает, что сходных, причем специфических эффектов можно добиться с помощью мощных ультразвуковых колебаний. Кроме того, ультразвук способен интенсифицировать многие физические и физико-химические процессы, на которые катализаторы вообще не влияют. Конструктивно соответствующие установки выполняются в виде стационарных объёмов (например ультразвуковые ванны), либо в виде систем с погружными излучателями.

Приготовление эмульсий и суспензий. Под воздействием ультразвука на смесь взаимно нерастворимых жидкостей происходит переход одной жидкости в дисперсное состояние в среде другой – эмульгирование (ультразвуковое диспергирование жидкости в жидкости). Стойкость эмульсии, полученной ультразвуком, значительно превышает стойкость систем полученных другим путём. Возможно получение устойчивых взвесей и порошков в жидкости - суспензий. Технология реализуется с помощью ультразвуковых ванн или ультразвуковых установок с погружными излучателями, при больших объёмах производства используются проточные установки.

Ультразвуковая пропитка. Основана на звукокапиллярном эффекте. При этом, пропитанная жидкость как бы «вгоняется» в капилляры и время пропитки сокращается в десятки раз. Этот способ используют для пропитки электротехнических изделий: обмоток трансформаторов, роторов, статоров, катушек и др., а также для герметизации литых пористых деталей. В результате время пропитки сокращается в несколько раз, и в ряде случаев достаточно одноразовой пропитки вместо многократной.

Ультразвуковое экстрагирование. Основным технологическим процессом извлечения биологически активных веществ является экстракция. Под воздействием ультразвуковых колебаний наблюдается не только ускорение процесса во времени, но и увеличение, по сравнению с другими способами экстрагирования, выхода биологически активных веществ.

Сварка полимеров и металлов. Наиболее перспективная технология соединения полимерных материалов – сварка при помощи ультразвука. Ультразвук позволяет: производить сварку фасонных изделий из жестких пластмасс на большом удалении от места ввода ультразвука (до 200-250 мм); производить сварку многослойной конструкции из мягких пластмасс и армированных тканей из искусственных материалов; производить сварку полимеров, которые не свариваются или плохо свариваются другими способами сварки; производить прецизионную закладку металлических деталей в пластмассу; производить сварку полимеров по загрязненным поверхностям, не требуя их предварительной очистки и обезжиривания.

Основным преимуществом ультразвуковой сварки металлов является узкая направленность теплового воздействия и высокая повторяемость результатов, что особенно важно при крупносерийном и поточном производстве. Кроме того, ультразвуковое воздействие исключает значительное тепловое и световое излучение при сварке, отсутствуют расплавленные массы металла. Ультразвук позволяет сваривать однородные и разнородные металлы различной толщины. Технология наиболее широко распространена в электронной промышленности.

Прошивка отверстий и размерная обработка хрупких материалов. Технология позволяет осуществить прошивку отверстий и углублений различной конфигурации и размеров в изделиях изделий из камня, стекла, фарфора, керамики, ферритов и других хрупких материалах с помощью абразивного порошка и инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой.

Обработка призабойных зон скважин. Эффект от воздействия ультразвука на призабойную зону скважины состоит в следующем: разрушаются отложения солей на стенках пор, что увеличивает проницаемость пласта, происходит акустическая дегазация и устраняются газовые пробки в капиллярах, разрушается тормозящий электростатический слой, снижается поверхностное натяжение жидкости в капиллярах, снижается вязкость жидкости. Комплект оборудования состоящий из ультразвукового генератора и излучателя-снаряда специальной конструкции, размещается на геофизическом автомобиле с бухтой каротажного кабеля длиной до 5 км (например КТ 7-70-180).

Области применения ультразвука

Технологические процессы:

переработка минерального сырья, обогащение и процессы гидрометаллургии руд металлов и т.д.

Нефтяная и газовая промышленность:

рекуперация нефтяных скважин, экстракция вязкой нефти, процессы разделения в системе песок – тяжелая нефть, повышение жидкотекучести тяжелых нефтепродуктов и т.д.

Металлургия и машиностроение:

рафинирование металлических расплавов, измельчение структуры слитка / отливки, обработка металлической поверхности для ее упрочнения и снятия внутренних напряжений, очистка внешних поверхностей и внутренних полостей деталей машин и т.д.

Химическая и биохимическая технологии:

процессы экстракции, сорбции, фильтрации, сушки, эмульгирования, получения суспензий, смешения, диспергирования, растворения, флотации, дегазации, испарения, коагуляции, коалесценции, процессы полимеризации и деполимеризации, получение наноматериалов и т.д.

Энергетика:

сжигание жидкого и твердого топлива, приготовление топливных эмульсий, производство биотоплива и т.д.

Сельское хозяйство, пищевая и легкая промышленность:

процессы прорастания семян и роста растений, приготовлении пищевых добавок, кондитерской технологии, приготовлении алкогольных и безалкогольных напитков и т.д.

Коммунальное хозяйство:

рекуперация водных скважин, подготовка питьевой воды, снятие отложений с внутренних стенок теплообменных аппаратов и т.д.

Защита окружающей среды:

очистка сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, тяжелыми металлами, стойкими органическими соединениями, очистка загрязнённых почв, очистка промышленных газовых потоков и т.д.

Переработка вторичного сырья:

девулканизация резины, очистка металлургической окалины от масляных загрязнений и т.д.

Высокая адаптивность к существующим технологиям, высокая гибкость и эффективность, возможность применения ультразвука в широком диапазоне интенсивности и частоты позволяет применять ультразвуковые технологии как в качестве основных, так и в качестве вспомогательных, позволяющих резко интенсифицировать технологический процесс и существенно повысить его качественные характеристики.

Технология получения, при помощи ультразвукового эмульгатора, высокоустойчивых эмульсий, не расслаивающихся в течение длительного времени (до 6 месяцев) на базе дизельного топлива с добавлением от 10 до 20% дистиллированной воды.

Ультразвуковое диспергирование. Применение ультразвукового излучателя специальной конструкции позволяет получать мелкодисперсный аэрозоль из жидкости. Этот процесс используется в целях равномерного орошения какого-либо объекта или для производства порошков в медицинской и химической промышленности.

С помощью ультразвука осуществляется помол (диспергирование) порошков различных оксидов металлов (Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2, Fe2O3 & Fe3O4). Диспергирование осуществляется в ультразвуковых реакторах на базе кольцевых магнитострикционных излучателей (КМС). Отличительной особенностью этого метода получения нанопорошков является высокая гомогенность полученного порошка с заранее заданными размерами частиц, а также высокая чистота порошка по сравнению с другими методами (механическими, взрыва проволоки и т.д), неизбежно дающими паразитные примеси.

Заключение

Использование мощного ультразвука в технологических процессах получения и обработки материалов и веществ позволяет

- снизить себестоимость процесса или продукта,

- получать новые продукты или повысить качество существующих,

- интенсифицировать традиционные технологические процессы или стимулировать реализацию новых,

- способствовать улучшению экологической ситуации за счёт снижения агрессивности технологических жидкостей.

Список литературы

1. Маргулис M.А., Основы звукохимии, M., 1984; Звукохимические реакции и сонолюминесценция, M. 1986;,

2.Ultrasound. Its chemical, physical and biological effects, ed. by K. S. Suslik, N. Y., 1988; Mason T. Y., Lo rimer Ph. J., Sonochemistty: theory, application and uses of ultraso und in chemistry,N. Y., 1988;

3.Margu Hs M. A., .Sonochemistry and cavitation, L., 1999.

4.Сайт ЗАО РЭЛТЕК www.reltec.biz