超聲技術的應用第1頁/共48頁2023/4/302超聲波概念什么是聲波？聲波是物體機械振動狀態（或能量）的傳播形式。什么是超聲波？超聲波是指振動頻率大于20KHz以上的,其每秒的振動次數（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。第2頁/共48頁2023/4/303前言超聲化學(sonochemistry)是聲學與化學相互交叉滲透而發展起來的一門新興邊緣學科,是聲學與化學的前沿學科之一.超聲化學主要是利用超聲波加速化學反應,提高化學產率的一門學科.利用超聲能夠加速和控制化學反應,提高反應產率,改變反應歷程和改善反應條件以及引發新的化學反應等.第3頁/共48頁2023/4/304超聲化學(Sonochemistry)的定義利用功率超聲的空化現象加速和控制化學反應，提高反應率和引發新的化學反應80年代興起的邊緣交叉學科，具有加速化學反應、降低反應條件、縮短反應誘導時間和能進行有些傳統方法難以進行的化學反應等特點。是聲能量與物質間的一種獨特的相互作用第4頁/共48頁2023/4/305超聲化學的理論基礎超聲波在介質中的傳播過程中存在著一個正負壓強的交變周期。在正壓相位時,超聲波對介質分子擠壓,增大了液體介質原來的密度;而在負壓相位時,介質的密度則減小。當用足夠大振幅的超聲波作用于液體介質時,在負壓區內介質分子間的平均距離會超過使液體介質保持不變的臨界分子距離,液體介質就會發生斷裂,形成微泡,微泡進一步長大成為空化氣泡。在緊接著的壓縮過程中,這些空化氣泡被壓縮,其體積縮小,有的甚至完全消失。當脫出共振相位時,空化氣泡就不再穩定了,這時空化氣泡內的壓強已不能支撐其自身的大小,即開始潰陷或消失,這一過程稱為空化作用,或孔蝕作用。由于空化作用所引起的反應條件的變化，導致了化學反應的熱力學變化，使化學反應的速度和產率得以提高。第5頁/共48頁2023/4/306超聲化學發展簡史1986年4月8～11日,第一屆國際聲化學學術討論會在英國Warwick大學召開,它標志著這門新興的學科的誕生.下面對超聲化學發展歷史作簡要的回顧1895年,Thormycroft和Barnaby觀察到潛水艇螺旋槳凹陷被侵蝕時發表了第一個關于空化的報告.

第6頁/共48頁2023/4/307超聲化學發展簡史1927年,Loomis首次報道超聲在化學和生物方面加快反應速率的效應.1934年,發現超聲能加大電解水的速率.1944年,Harvery等引入了校正擴散的概念,即微氣泡的成長是由于氣泡振動過程中跨過界面非等量的傳質引起的.1950年,Noltingk和Neppiras對模擬空化氣泡第一次用計算機進行了計算.第7頁/共48頁2023/4/308超聲化學發展簡史1964年,Flynn提出了"瞬態空化"和"穩態空化"的術語.1980年,Neppiras首次在聲空化的綜述中使用了超聲化學(sonochemistry)的術語.1982年,Milino等人用自旋捕獲和電子自旋共振譜(ESR)驗證了在水超聲裂解中形成氫自由基和羥基自由基.1994年第一個學術刊物《Ultrasonicssonochemistry》出版.第8頁/共48頁2023/4/309超聲化學的作用機理

功率超聲作用機理1、機械作用超聲波是機械能量的傳播形式，與波動過程有關，會產生線性效變的振動作用2、空化作用超聲波在液體媒質中傳播時，當聲強達到一定期強度時，形成局部點的高溫高壓，空化泡崩。3、熱作用超聲波在媒質中傳播，其振動能量不斷被媒質吸收轉變為熱能而使自身溫度升高第9頁/共48頁2023/4/3010超聲化學的作用機理

超聲化學作用機理超聲催化一、是高溫高壓條件有利于反應物裂解，形成更為活潑的物種二、是沖擊波和微射流對固體表面有吸解和清洗作用三、是沖擊波可破壞反應物結構，分散反應物系。四、是超聲空化提高金屬化學反應活性。第10頁/共48頁2023/4/3011超聲化學的作用機理超聲降解。超聲處理可以降解大分子，尤其是處理高分子量聚合物的降解效果更顯著。超聲降解源于超聲的機械效應、空化效應和熱效應。第11頁/共48頁2023/4/3012超聲化學的主要應用研究超聲在電化學研究中的應用

超聲在電化學中的應用主要有超聲電分析化學,超聲電化學發光分析,超聲電化學合成,超聲電鍍等.

超聲與電化學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;加快反應速率;增強電化學發光;改變電合成反應的產率等.第12頁/共48頁2023/4/3013超聲化學的主要應用研究超聲化學在催化化學中的應用超聲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.

第13頁/共48頁2023/4/3014超聲在納米材料制備中的應用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,超聲霧化分解法、金屬有機物超聲分解法、化學沉淀法和聲電化學法等.第14頁/共48頁2023/4/3015超聲在水處理中的應用

超聲化學提供了一種新的非常特殊的物理化學環境，在水處理中應用廣泛。抑藻除藻技術

處理水中難降解有機物處理污泥

飲用水消毒第15頁/共48頁2023/4/3016超聲化學抑藻除藻技術左：太湖藍藻右：滇池藍藻第16頁/共48頁2023/4/3017超聲除藻的工作原理超聲運動特殊頻率的超聲波所產生的震蕩波，作用于水藻的外壁并使之破裂、死亡，以達到消滅水藻平衡水環境生態的目的。超聲波除藻技術主要是利用機械以及空化效應來產生藻提破碎、細胞滅或、生長抑制等作用。第17頁/共48頁2023/4/3018克藻星（比利時凱林菲爾公司）第18頁/共48頁2023/4/3019◆Aquasonic“克藻星”

NT4.1

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電壓：220V50/60Hz

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耗電量：50W

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傳感器和開關盒都抗紫外線輻射

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電纜長：17m

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能夠處理池塘的輻射范圍是：半徑120m角度:180度

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適用范圍：Aquasonic“克藻星”

NT4.1是目前應用最為廣泛的一個產品，適用于露天開放性水域；魚蝦養殖場；水庫；工業循環水冷卻塔；農業噴灌系統；房地產行業高檔樓宇，政府機構大樓前的景觀水建設；以及高爾夫球場景觀水治理，具有立竿見影的獨特功效。第19頁/共48頁2023/4/3020第20頁/共48頁2023/4/3021?電壓：220V,?

耗電量：50W,?

傳感器和開關盒都抗紫外線輻射?

電纜長：17m?

能夠處理池塘的輻射范圍是：半徑150m角度360度?

適用于：露天開放性水域；魚蝦養殖場；水庫；工循環水冷卻塔；農業噴灌系統；房地產行業高檔樓宇，政府機構大樓前的景觀水建設；以及高爾夫球場景觀水治理，具有立竿見影的獨特功效。第21頁/共48頁2023/4/3022第22頁/共48頁2023/4/3023第23頁/共48頁2023/4/3024第24頁/共48頁2023/4/3025陶然亭公園第25頁/共48頁2023/4/3026廣州雕塑公園第26頁/共48頁2023/4/3027釣魚臺國賓館第27頁/共48頁2023/4/3028工業冷卻塔第28頁/共48頁2023/4/3029海南養殖基地第29頁/共48頁2023/4/3030超聲化學處理水中難降解有機物超聲波對有機污染水體的降解作用,主要源于其聲空化效應。第30頁/共48頁2023/4/3031聲空化聲空化是一個極其復雜的物理現象,它是指是液體中的微小泡核在聲波作用下被激活,表現為泡核的振蕩、生長、收縮乃至崩潰等一系列動力學過程。該過程是集中聲場能量,并迅速釋放的絕熱過程。第31頁/共48頁2023/4/3032超聲化學降解水中有機物的原理超聲降解水體中有機污染物是物理-化學降解過程,主要是由于超聲空化效應而引起的物理和化學變化液體的超聲空化過程是集中聲場能量并迅速釋放的過程在空化氣泡崩潰的瞬間在其周圍極小空間范圍內產生高溫高壓,溫度可高達1900～5200K,壓力超過50MPa,進入空化氣泡中的水蒸氣在高溫高壓下發生如下分裂及鏈式反應第32頁/共48頁2023/4/3033分裂及鏈式反應第33頁/共48頁2023/4/3034typicalsonochemicalapparatusUltrasoundcaneasilybeintroducedintoachemicalreactioninwhichthereisgoodcontroloftemperatureandambientatmosphere.第34頁/共48頁2023/4/3035反應器1.槽式超聲波反應器槽式聲化反應器包括兩類一類是超聲清洗槽式一類是高頻式聲化反應器。超聲清洗槽式反應器是由一個不銹鋼的水槽和若干個固定在水槽底部的超聲波換能器所組成。裝有反應器的裝置放入清洗槽內接受超聲輻射，該反應器所用頻率為幾十千赫茲，清洗槽內聲強較小，一般不超過5W/cm2,該反應器降解有機物的效果較差。第35頁/共48頁2023/4/3036

高頻槽式聲化反應器是由一個浴槽和一個固定在浴槽底部的超聲換能器組成，反應液可以直接放到浴槽中直接接受超聲輻射，改反應器頻率一般為幾百千赫茲，換能器多為壓電陶瓷體且輻射端面積大，目前實驗室采用超聲處理有機物的時候多采用這個反應器。第36頁/共48頁2023/4/3037第37頁/共48頁2023/4/30382.探頭式聲化反應器探頭式聲化反應器是將發射聲波的探頭直接放到反應液中，該反應器的頻率在20~100kHz之間，此類反應器可以將超聲能量有效的傳遞到反應液中，因探頭直徑較小（一般為10~30mm),在超聲輻射斷面上可獲得較大的聲強（可達數百W/cm2),反應器存在探頭較小，容易被腐蝕的缺陷。該反應器是實驗室最常用的儀器。第38頁/共48頁2023/4/30393.平行板式聲化反應器為了提高超聲反應器的聲強和能量效率，美國Lewis公司開發了平行板式聲化反應器(parallal-platenearfieldacousticalprocessorNAP)該系統有一個矩形組成，矩形空間分為上下平行的兩塊金屬板，相距幾厘米，板上裝有磁致伸縮換能器，分別有兩個不同的發射源提供，產生頻率分別為16KHz和20KHz的超聲，被處理的液體從矩形一端流入，一端流出，當流體流經上下兩塊金屬板構成的區域時，即收到超聲波的輻射，矩形空間內的超聲聲強是單一金屬板發射的聲強的兩倍以上，這樣該矩形空間就形成了超聲混響場。該反應器具有高聲強、處理能力大，聲波衰減小等特點，可用于工業生產。第39頁/共48頁2023/4/3040第40頁/共48頁2023/4/3041超聲化學處理難降解有機物的研究超聲一臭氧技術超聲一光降解技術超聲一過氧化氫技術超聲一芬頓技術超聲一氧化銅技術第41頁/共48頁2023/4/3042

超聲一臭氧技術超聲/臭氧(US/O3)聯用技術是研究最多及最早的技術之一超聲波,則可使臭氧充分分散與溶解,提高臭氧氧化能力,節約電能,減少臭氧的投加量。超聲對O3氧化能力具有良好的強化作用，這種強化作用不只是兩者簡單的加和，而是發生質的飛躍。US/O3的協同效應主要由于超聲的空化機械效應增加了O3的傳質和分解過程，從而提高了直接反應速率和中間產物的HO·的氧化過程。

第42頁/共48頁2023/4/3043超聲一過氧化氫技術在超聲氧化過程中，超聲起到反應物與催化劑的雙重作用。作為反應物,超聲可使有機分子降解：作為催化劑,超聲使H2O2分解生成有效的氧化自由基,如HO·和HOO·,從而導致有機物發生一系列的氧化降解反應。

H2O2在反應中,既是HO·的來源,又是HO·的清除劑,因此H2O2的量必須保持最佳值。第43頁/共48頁2023/4/3044超聲化學技術處理污泥污泥超聲破解是利用超聲波在液相中產生空化作用(機械效應、熱效應、聲化學效應等)破解污泥絮凝體、菌膠團和細胞體,釋放胞外聚合物,溶出細胞質。超聲波破解污泥的主要作用機理是機械效應和聲化學效應超聲頻率、超聲強度、聲能密度等參數對污泥超聲破解效果起重要作用第44頁/共48頁2023/4/3045新加坡烏魯班丹污水處理廠正在測試的一項超聲化學方法處理污泥：電流通過轉換器變成高強度的超聲波，超聲波傳入廢水污泥，產生數以百萬計的微小氣泡，氣泡爆開時會撕破細菌的細胞壁，廢