Химические процессы в кавитационных пузырьках
Периодическая система / Методы активации химических процессов / Химические процессы в кавитационных пузырьках

В акустическом поле при наличии кавитации протекает ряд химических процессов. Их протеканию способствуют высокие давления, развивающиеся в микрообъеме кавитационного пузырька.

При постоянном содержании газа в пузырьке и давлении окружающей жидкости минимальный радиус кавитационного пузырька определяется по формуле:

Давление в пузырьке в этом случае выразится так:

где P - давление газа в пузырьке при максимальном радиусе, P0 – гидростатическое давление, g=СP/Cv.

При адиабатическом характере захлопывания пузырька температура в нем составляет:

Tmax=T0[((g-1)P0)/P]3(g-1),

где T0 – температура жидкости.

При Rmin=0.1Rmax; P0=105 Па; γ=3/4; и Т0=3000С давление газа в пузырьке при максимальном радиусе составит P=3.3×103 Па. Подставив эти значения в уравнения (1) и (2), получим, что при захлопывании кавитационного пузырька давление достигает Pmax=3×107 Па, а температура Тmax=3000 К. Столь высокие температуры, развивающиеся в маленькой газонаполненной полости, создают условия для появления в ней электрических зарядов, люминесценции, богатых энергией диссоциированных и ионизированных молекул, а также атомов и свободных радикалов.

В кавитационную полость могут проникать пары воды, растворенные газы, а также вещества с высокой упругостью пара, т.е. вещества, которые в отличие от неорганических солей обладает способностью к испарению, и не могут проникать ионы или молекулы нелетучих растворенных веществ. Выделяющейся в процессе схлопывания пузырька энергии достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул Н2О, газов и веществ с высокой упругостью пара внутри кавитационной полости.

Любой из присутствующих газов является активным компонентом, участвуя в передаче энергии возбуждения, перезарядке и других процессах. Действие ультразвука на вещества, проникающие в полость, является непосредственным, прямым.

При схлопывании кавитационного пузырька в раствор переходят радикалы H×, OH×, ионы и электроны малой энергии, образовавшиеся в газовой фазе при расщеплении молекул Н2О и веществ с высокой упругостью пара, продукты их взаимодействия и частичной рекомбинации, а также, метастабильные молекулы Н2О*.

Эти активные частицы после, переходя в раствор, сольватируются и реагируют с растворенными веществами. Здесь осуществляется так называемое косвенное действие акустических колебаний.

При отсутствии в растворе веществ с высокой упругостью насыщенного пара, способных проникать в кавитационный пузырек, внутри него независимо от природы растворенных веществ находятся лишь два компонента: пары воды и растворенный газ.

Поэтому воздействие ультразвуковых колебаний на водные растворы сводится, в конечном счете, к единственному процессу - расщеплению молекул воды в кавитационных пузырьках.

В связи с этим звукохимический КПД для различных звукохимических реакций оказывается величиной, зависящей только от природы растворенного газа.

Большинство химических реакций в растворе инициировалось звуковыми волнами разной частоты. Многие исследователи не обнаружили в пределах ошибки эксперимента влияние частоты на эффективность звукохимических реакций.

Вместе с тем известно, что при очень высоких частотах (выше 3 МГц) некоторые реакции осуществить не удается, так как в этих условиях затрудняется возникновение кавитации. С другой стороны для осуществления звукохимических реакций необходимо достижение пороговой мощности, при которой возникает кавитация.

Смотрите также

Металлы и сплавы, применяемые в полиграфии
Металлы хорошо проводят тепло и электрический ток, т. е. они теплопроводны и электропроводны. Самую высокую электропроводность имеют серебро Ag, медь Си, алюминий Al, золото Au и железо Fe. ...

Прогнозирование критического давления. Основные методы прогнозирования
...

Методы определения концентрации растворённого кислорода в воде
Контроль содержания кислорода – чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли народного хозяйства, включая чёрную и цветную металлургию, химическую п ...