Вести из лабораторий

В лаборатории ультразвуковой техники и технологии Института общей и неорганической химии РАН разработаны методы интенсификации различных технологических процессов с помощью ультразвука и сконструировано необходимое для этого промышленное оборудование

Cегодня катализаторы - едва ли не самый распространенный элемент химических технологий. Но мало кто знает, что сходных, причем специфических эффектов можно добиться с помощью мощных ультразвуковых колебаний - с частотой 20 - 60 кГц и плотностью потока энергии порядка 0,1 Вт/см². Кроме того, ультразвук способен интенсифицировать многие физические и физико-химические процессы, на которые катализаторы вообще не влияют.

История практического применения ультразвука такова. В конце прошлого века судостроители заметили, что, если скорость вращения корабельных винтов превысит определенный предел, их лопасти быстро изъязвляются. Как выяснилось, причина этого явления - кавитация, то есть возникновение в жидкости микропузырьков, в которых при быстром схлопывании за доли миллисекунды температура повышается до тысяч градусов, а давление - до сотен атмосфер. Когда такие пузырьки схлопывались близ поверхности винта, они ее повреждали.

Позже, после создания генераторов ультразвука, в которых использовались эффекты электро- и магнитострикции, обнаружили, что кавитацию вызывают волны разрежения и сжатия. Долгое время казалось, что это явление интересно лишь с чисто научной точки зрения. Однако в последние годы выяснилось, что высокая температура и большое давление, возникающее в кавитационных пузырьках, способны инициировать многие необычные процессы. Например, в воде при облучении ультразвуком образуется перекись водорода и молекулярный водород; в такой среде многие органические вещества разлагаются, а неорганические соединения испытывают окислительно-восстановительные превращения. Облучение ультразвуком углеводородов нефти при комнатной температуре вызывает реакции, обычно происходящие лишь при высокотемпературном крекинге. Ультразвук способен ускорять и взаимодействия различных реагентов, для чего можно использовать простые технологические установки, принципиальная схема которых изображена на рис.1

Весьма перспективно применение ультразвука в металлургии - например, в установках для непрерывной разливки жидкого металла (рис. 2). Обычно получающийся слиток металла имеет крупнозернистую структуру (рис. 3а), но если во время кристаллизации его обработать ультразвуком, то слиток приобретает мелкозернистую структуру (рис.36), а значит, его механические свойства становятся лучше. Более того, ультразвук способствует более полному удалению газов, содержащихся в расплаве, что также улучшает качество металла.

Ультразвук позволяет снижать внутренние напряжения в сварных швах, интенсифицировать нефтедобычу, улучшать тонкую очистку металлических поверхностей и нанесение на них различных покрытий из расплавов и растворов. Ультразвук можно с успехом применять для подготовки питьевой воды и очистки сточных вод; он вызывает реакции полимеризации и деполимеризации. Особенно эффективен ультразвук для приготовления различных композитов и эмульсий - например, кремов и майонезов. Некоторые данные указывают также на то, что ультразвук ускоряет проращивание семян и рост растений.

Подготовил  В.Батраков