Sonochemia. Kawitacja. p(t) = p o + p s sin(2 f t) Oscylacje ciśnienia - - powstawanie naprężeń rozciągających w ośrodku

Transkrypt

1 Kawitacja 1 Oscylacje ciśnienia - - powstawanie naprężeń rozciągających w ośrodku p(t) = p o + p s sin(2 f t) Cisnienie / atm Dla wody, 320 khz, 3 W/cm 2 p zmienia się od 2 do 4 atm Czas Kawitacja - - naruszenie ciągłości fazy ciekłej, powstanie pęcherzyków fazy gazowej cząsteczki rozpuszczalnika cząsteczki rozpuszczonych gazów

2 Zarodki kawitacji 2 W typowych warunkach naprężenia rozciagające są rzędu kilku atmosfer. To za mało, by pokonać siły kohezji cieczy. Postuluje się powstawanie pęcherzyków kawitacyjnych w oparciu o zarodki kawitacji: 1) Cząstki ciał stałych 2) Mikropęcherzyki gazów rozpuszczonych w cieczy Uwalnianie pęcherzyków gazu z powierzchni fazy stałej Moc ultradźwięków potrzebna do wywołania kawitacji w cieczy A - odgazowanej B - nasyconej gazem

3 Drgania pęcherzyków gazu 3 Co dzieje się z pęcherzykiem gazu w polu ultradźwięków? 1) Wypłynięcie na powierzchnię cieczy 2) Wielokrotne oscylacje (stable bubbles, stable cavitation) 3) Pojedyncza oscylacja (transient bubble, transient cavitation) Wielokrotne oscylacje

4 Drgania pęcherzyków gazu 4 Zanik oscylacji wielokrotnych Liczba oscylacji w zależności od początkowych rozmiarów pęcherzyka gazu

5 Sonochemia - mechanizmy 5 Efekty towarzyszące oscylacjom pecherzyków, bedące podstawą sonochemii: Adiabatyczne sprężanie prowadzące do chwilowego, lokalnego silnego wzrostu temperatury Rozpad cząsteczek na rodniki Piroliza substratów Powstawanie sił hydrodynamicznych (szybkie przepływy cieczy o zmiennym kierunku i prędkości, siły ścinające) Efekty mechanochemiczne Trzy strefy występowania efektów sonochemicznych: Faza gazowa - tworzenie rodników, piroliza Warstwa graniczna - reakcje rodnikowe, piroliza Ciecz - reakcje rodnikowe, mechanochemia

6 Temperatura kawitacji 6 Temperatury towarzyszące adiabatycznemu sprężaniu pęcherzyków gazu Oszacowanie - na podstawie obliczeń termodynamicznych Pomiary - sonoluminescencja, analiza produktów pirolizy Zmierzono: 5200 K (ciecze org.) 3400 K (woda)

7 Zanik pęcherzyków gazu 7 Nie zawsze symetryczne zapadanie się

8 Efekty fizykochemiczne 8 Dezintegracja, agregacja, mieszanie

9 Parametry 9 Główne czynniki, od których zależy występowanie i intensywność kawitacji, a w konsekwencji przebieg i wydajność reakcji sonochemicznych: Częstotliwość ultradźwięków Moc ultradźwięków Rodzaj i skład ośrodka Rodzaj i stężenie rozpuszczonych gazów Temperatura Ciśnienie zewnętrzne

10 Reaktory 10a Zasadnicze rodzaje reaktorów ultradźwiękowych: Łażnia (myjka) ultradźwiękowa

11 Reaktory 10b Zasadnicze rodzaje reaktorów ultradźwiękowych: Reaktor z zanurzonym prętem (horn, probe system)

12 Reaktory 11 Zasadnicze rodzaje reaktorów ultradźwiękowych: Nowoczesny reaktor z przetwornikiem w dnie naczynia URS 1000 (Allied Signal -Elac Nautik) Jednorodne pole ultradźwięków Duża stabilność mocy Możliwość kontrolowania mocy ultradźwięków i temperatury Praca przy różnych częstotliwościach (70 khz 1.1 MHz)

13 Historia 12 Najważniejsze wydarzenia z historii sonochemii: 1867 Pierwsze obserwacje zjawiska kawitacji (Tomlinson, Gernez) 1880 Odkrycie zjawiska piezoelektrycznego (Piotr Curie) 1883 Pierwszy generator ultradźwięków (Galton) 1895 Pierwsze badania nad kawitacją: śruba okrętowa HMS Daring 1917 Pierwszy termodynamiczny opis zaniku pęcherzyków kawitacyjnych, przewidujący wysokie lokalne temperatury i ciśnienia (Rayleigh), pierwsza echosonda (Langevin) 1927 Pierwszy artykuł o chemicznych efektach działania ultradźwięków (Richards i Loomis, JACS 49, 3086) Odkrycie sonoluminescencji 1933 Pierwsze obserwacje sonochemicznej degradacji polimerów 1943 Pierwszy patent na czyszczenie ultradźwiękami (Niemcy) 1944 Pierwszy patent o emulgacji ultradźwiękowej (Szwajcaria) lata 50 pierwsze systematyczne badania i zastosowania 1950 Teoria hot spot (Noltingk i Neppiras) 1953 Pierwszy artykuł przeglądowy o sonochemii (Barnartt, Quart. Rev. 7, 84) 1964 Pierwsza monografia o sonochemii (El Piner) od końca lat 70 renesans badań sonochemicznych 1986 Pierwsza międzynarodowa konferencja sonochemiczna 1990 Powstanie European Society of Sonochemistry

14 Historia 12b

15 Historia 12 Najważniejsze wydarzenia z historii sonochemii: 1867 Pierwsze obserwacje zjawiska kawitacji (Tomlinson, Gernez) 1880 Odkrycie zjawiska piezoelektrycznego (Piotr Curie) 1883 Pierwszy generator ultradźwięków (Galton) 1895 Pierwsze badania nad kawitacją: śruba okrętowa HMS Daring 1917 Pierwszy termodynamiczny opis zaniku pęcherzyków kawitacyjnych, przewidujący wysokie lokalne temperatury i ciśnienia (Rayleigh), pierwsza echosonda (Langevin) 1927 Pierwszy artykuł o chemicznych efektach działania ultradźwięków (Richards i Loomis, JACS 49, 3086) Odkrycie sonoluminescencji 1933 Pierwsze obserwacje sonochemicznej degradacji polimerów 1943 Pierwszy patent na czyszczenie ultradźwiękami (Niemcy) 1944 Pierwszy patent o emulgacji ultradźwiękowej (Szwajcaria) lata 50 pierwsze systematyczne badania i zastosowania 1950 Teoria hot spot (Noltingk i Neppiras) 1953 Pierwszy artykuł przeglądowy o sonochemii (Barnartt, Quart. Rev. 7, 84) 1964 Pierwsza monografia o sonochemii (El Piner) od końca lat 70 renesans badań sonochemicznych 1986 Pierwsza międzynarodowa konferencja sonochemiczna 1990 Powstanie European Society of Sonochemistry

16 Historia 12a M. Minnaert (1933); On Musical Air-Bubbles and the Sounds of Running Water, Phil. Mag. 16,

17 Historia 12 Najważniejsze wydarzenia z historii sonochemii: 1867 Pierwsze obserwacje zjawiska kawitacji (Tomlinson, Gernez) 1880 Odkrycie zjawiska piezoelektrycznego (Piotr Curie) 1883 Pierwszy generator ultradźwięków (Galton) 1895 Pierwsze badania nad kawitacją: śruba okrętowa HMS Daring 1917 Pierwszy termodynamiczny opis zaniku pęcherzyków kawitacyjnych, przewidujący wysokie lokalne temperatury i ciśnienia (Rayleigh), pierwsza echosonda (Langevin) 1927 Pierwszy artykuł o chemicznych efektach działania ultradźwięków (Richards i Loomis, JACS 49, 3086) Odkrycie sonoluminescencji 1933 Pierwsze obserwacje sonochemicznej degradacji polimerów 1943 Pierwszy patent na czyszczenie ultradźwiękami (Niemcy) 1944 Pierwszy patent o emulgacji ultradźwiękowej (Szwajcaria) lata 50 pierwsze systematyczne badania i zastosowania 1950 Teoria hot spot (Noltingk i Neppiras) 1953 Pierwszy artykuł przeglądowy o sonochemii (Barnartt, Quart. Rev. 7, 84) 1964 Pierwsza monografia o sonochemii (El Piner) od końca lat 70 renesans badań sonochemicznych 1986 Pierwsza międzynarodowa konferencja sonochemiczna 1990 Powstanie European Society of Sonochemistry