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

Теория образования оксидов азота при горении
Условия образования оксидов при горении до сих пор не разработаны в достаточной мере и требуют глубокой проработки весьма сложной химической кинетики процесса в сочетании с детальным изучен ...

Химия воды и микробиология
...

Строение и свойства вещества
Цель за­ня­тия: изу­чить свой­ства ве­ществ в твёр­дом со­стоя­нии, рассмотреть типы кристаллических решёток, сущность явления проводимости. ...