Изучение сонохимических процессов в водной среде

Оглавление
Введение 5
Глава I. Литературный обзор 7
1 Основные понятия в сонохимии 7
1.1 История развития звукохимии 7
1.2 Предмет звукохимии 7
1.3 Звуковая кавитация 8
1.4 Экспериментальные методы звукохимии 9
1.5 Параметры звуковой кавитации 10
1.6 Химические и физико-химические эффекты звуковой кавитации 12
1.6.1 Сонолюминисценция 13
1.6.2 Диспергирование твердых частиц 17
1.6.3 Эмульгирование 18
1.6.4 Сонолиз воды 19
2 Теоретические основы сонохимических процессов 20
2.1 Инициация сонохимических реакций 20
2.2 Химические процессы в кавитационных пузырьках 21
2.3 Классификация сонохимических реакций 23
2.4 Влияние различных факторов на протекание звукохимических
реакций 27
2.4.1 Частота звуковых колебаний 27
2.4.2 Интенсивность акустических колебаний 27
2.4.3 Внешнее давление 28
2.4.4 Температура 29
2.4.5 Растворенные газы 29
2.5 Энергетика сонохимических реакций и физико-химических
процессов, вызываемых кавитацией 29
2.5 Проблемы, связанные с изучением звукохимии 34
2.7 Получение акустических колебаний 34
Глава II. Методическая часть 37
2 Методика эксперимента 37
2.1 Лабораторная установка для получения ультразвукового поля
с различными характеристиками 39
2.2 Кондуктометрический метод определения удельной
электропроводности 39
2.3 Основные приемы фотометрических измерений.
Метод градуировочного графика 40
2.4 Определение pH 41
2.5 Оценка интенсивности ультразвука 41
Глава III. Экспериментальная часть 43
3 Выполнение работы 43
3.1 Оценка интенсивности ультразвука 43
3.2 Изменение удельной электропроводности воды при
воздействии звуковой кавитации 46
3.3 Изменение растворимости солей в воде при воздействии
звуковой кавитации 48
Глава IV. Безопасность жизнедеятельности 54
1 Экологическое обоснование темы работы 54
2 Свойства применяемых реактивов и препаратов 54
3 Потенциальные опасности при выполнении экспериментальной
части работы 56
4 Мероприятия по безопасному проведению работы 58
5 Меры безопасности при работе с вредными веществами 60
6 Техника безопасности при работе с кислотами, щелочами
и другими едкими веществами 61
7 Меры безопасности при работе с электрооборудованием 63
8 Меры безопасности при работе с нагревательными приборами 64
9 Меры безопасности при работе со стеклянной посудой 64
10 Меры безопасности при работе с ультразвуком 65
11 Первая доврачебная помощь 66
12 Правила пожарной безопасности 67
Глава V. Экономическая часть 69
1 Экономическое обоснование 69
2 Расчёт затрат на проведение научно-исследовательской работы
2.1 Лабораторные расходы 69
2.2 Энергетические затраты 74
2.3Расчет затрат на оборудование 75
2.4 Затраты на оплату эксперимента 76
Заключение 80
Литература 83
Приложение 1 87
Приложение 2 90

К работе в химических лабораториях допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности.
В химических лабораториях нельзя работать при плохом самочувствии, в болезненном состоянии, а также при сильней усталости. К работе с химическими веществами нельзя приступать при наличии незащищенных царапин или ссадин на руках, тем более при экземе или воспалительных процессах кожи.
Любые работы в химической лаборатории надо выполнять тщательно, аккуратно, без спешки. На рабочем месте должны находиться только необходимые для выполнения конкретной работы реактивы, приборы и оборудование. Беспорядок на рабочем месте недопустим.
К выполнению любой работы можно приступать только тогда, когда все ее этапы понятны и не вызывают никаких сомнений. Если возникают какие-либо неясности, следует до начала работы обратиться к руководителю. Операции, связанные с повышенной опасностью, необходимо проводить только под непосредственным наблюдением руководителя или опытного работника.
...

Введение
Сонохимические процессы – это процессы, инициируемые действием звуковой энергии. Для протекания таких процессов в жидкой среде необходимо воздействие акустических волн достаточной мощности. При этом происходит образование и рост парогазовых пузырьков (каверн) в жидкости, которые колеблются, пульсируют и схлопываются. Если кавитация вызвана звуковыми колебаниями в жидкости, то ее называет звуковой. Помимо звуковой существует еще и гидродинамическая кавитация. Она инициируется быстрыми потоками жидкости.
К основным химическим и физико-химическим эффектам, возникающих в жидкости под действием кавитации относятся сонолюминесценция, диспергирование твердых тел, эмульгирование и инициирование сонохимических реакций. Благодаря этому звуковая кавитация находит свое применение в пищевой промышленности для эмульгирования воды и растительного масла, в сонохимическом и соноэлектрохимическом синтезе наноразмерных материалов.
...

1.1 История развития звукохимии
Зарождение и развитие звукохимии было подготовлено обширными исследованиями по акустике и химической кинетике.
В 1927 году Ричардс и Лумис обнаружили, что под воздействием ультразвука в водном растворе выделяется молекулярный йод [1, с. 7.].
Это открытие стало отправной точкой для экспериментальных поисков новых звукохимических реакций.
В 1933 году Бойте показал, что при действии ультразвука на воду, в которой растворен азот, образуются азотистая кислота и аммиак.
Маргулисом, Сокольской и Эльпинером (1964 год) были осуществлены звукохимические реакции стереоизомеризации малеиновой кислоты и ее эфиров в фумаровую, которые идут по цепному механизму [1, с. 7].
Изначально все вопросы, которые включает в себя современная звукохимия относились к одному из разделов акустики. Со временем данный раздел настолько разросся, что стал самостоятельной областью науки, из которого, в свою очередь, выделились молекулярная акустика и квантовая акустика.
...

1.3 Звуковая кавитация
При схлопывании кавитационных пузырьков достигаются высокие давления и температуры. Было установлено, что в материале вблизи схлопывающегося пузырька температура повышается на 500 - 800  С [30, c. 18] (имеются данные, что внутри каверн давление может достигать 108 Па, а температура 104 К) [2]. Образование и движение такого рода пузырьков принято называть кавитацией – нарушением сплошности жидкости [1, с. 6].
Звуковая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковой волны низкой плотности в высокую плотность энергии [3, 25]. Благодаря концентрации энергии в очень малых объемах акустическая кавитация может вызывать сильнодействующие физические эффекты [25]
В основе работы экспериментальной установки (глава 2.1.1) лежит явление прямой магнитострикции. Прямой магнитострикционный эффект – изменение размеров ферромагнетика при изменении окружающего магнитного поля [4, с. 11].

Рис.
...

1.4 Экспериментальные методы звукохимии
Методы исследования кавитации можно разделить на прямые и косвенные [15]. К прямым методам относятся:
1) визуальные – фото-, кино- и видеосъемка кавитационных образований;
2) акустические – измерение давления в ударной волне, излучаемой одним или совокупностью кавитационных пузырьков при пульсациях и схлопывании.
...

1.5 Параметры звуковой кавитации
Кавитация может быть охарактеризована тремя основными параметрами: интенсивностью, порогом начала кавитации и стационарностью [5, с. 150].
Под интенсивностью кавитации понимают усредненную по объему величину интенсивности (мощности) сферических ударных волн, которые генерируются в жидкой среде при «схлопывании» кавитационных пузырьков. Чем больше мощность образующихся ударных волн, тем интенсивнее кавитация.
Интенсивность колебаний I (количество энергии, проходящее в единицу времени через единицу площади) можно оценить, используя соотношение (1).
I = (1)
где τ – время, ζ – переменная интегрирования, Р – амплитуда звукового давления, ρ – плотность среды, с – скорость распространения звука, ξ – амплитуда акустических колебаний,ω = 2πf – угловая частота колебаний.
...

1.6 Химические и физико-химические эффекты звуковой кавитации
Как уже упоминалось ранее, основным химическим и физико-химическим явлениям, возникающих в жидкости под действием кавитации относятся сонолюминесценция, диспергирование твердых тел, эмульгирование и возникновение сонохимических реакций. Все эти явления активно изучаются и используются на практике.

1.6.1 Сонолюминесценция
Сонолюминесценция – слабое свечение жидкости под действием акустических колебаний. Это явление открыто в 1934 году Фринцелем и Шультесом. В результате многочисленных экспериментов было показано, что сонолюминесценция возникает в жидкости лишь при создании кавитации. Наибольшая интенсивность сонолюминесценции наблюдается при звуковой кавитации в глицерине (см. приложение 1). Эмиссия света под действием ультразвука, осуществляется внутри газонаполненных кавитационных пузырьков [10].
...

1.6.2 Диспергирование твердых частиц
Кавитация генерирует ударные волны, создающие высокое давление, которое достаточно для механического разрушения близлежащих твердых поверхностей. В измельчении твердых частиц определенный вклад вносит так же их соударение друг с другом и трение о жидкость, так как под действием ультразвуковой волны они приобретают весьма значительное ускорение, начиная двигаться в жидкости с высокой скоростью [12]. Это лежит в основе сонохимического и соноэлектрохимического методов синтеза наноразмерных материалов [6] Этот эффект увеличивает растворимость не растворимых, малорастворимых и растворимых веществ в жидкостях во много раз.
Растворимость вещества – его качественная и количественная способность образовывать раствор при смешивании с другим веществом (растворителем). Растворимость вещества зависит от его природы и агрегатного состояния до растворения, а также от природы растворителя, температуры приготовления раствора и от способа растворения.
...

1.6.3 Эмульгирование
Эмульгирование разнородных жидкостей связано с разрывом их сплошности, что приводит к их перемешиванию. Причем происходит единовременное образование как прямой, так и обратной эмульсии. В соответствии с одной из теорий, которая описывает этот процесс, кавитационная полость в одной из жидкостей вблизи раздела фаз в стадии захлопывания увлекает и отрывает капельки от общей массы другой жидкости [28, c. 393].
Применение ультразвука позволяет в перспективе получать достаточно устойчивые системы без применения эмульгаторов, что важно как с экономической, так и с экологической точек зрения. При кавитации несмешивающихся жидкостей образуются слабоконцентрированные эмульсии, что является одной из причин их высокой устойчивости (см. приложение 1).
...

1.6.4 Сонолиз воды
При схлопывании кавитационных пузырьков даже в чистой, дегазированной воде, происходит образование внутри пузырьков и в их окрестности свободных водородных Н* и гидроксильных ОН* радикалов. Эти радикалы рекомбинируют, диффундируют в объем и вступают в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя радикальные и окислительно-восстановительные (если продуктом рекомбинации радикалов является пероксид водорода) химические процессы [13 c. 30]. Кавитация также способствует дегазации жидкости. В процессе кавитации на стенках сосуда появляется большое количество пузырьков, которые представляют собой газ, выделившийся из жидкости (см. приложение 1).
Под действием кавитации также происходит необратимая денатурация белков в следствие накопления в воде продуктов сонолиза (см. приложение 1).
Все эти эффекты имеют важное теоретическое и прикладное значение, интенсивно изучаются и широко используются в науке и технике.
...

2.1 Инициация сонохимических реакций
Модель физико-химических процессов, происходящих в кавитационном пузырьке и прилегающем к нему объеме жидкости, представляют в следующем виде [14]. В кавитационную полость могут проникать пары воды, растворенные газы, а также вещества с высокой упругостью пара, и не могут проникать ионы или молекулы нелетучих растворенных веществ. Выделяющейся в процессе схлопывания пузырька энергии достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул воды, газов и веществ с высокой упругостью пара внутри кавитационной полости. На этой стадии любой из присутствующих газов является активным компонентом, участвуя в передаче энергии возбуждения, перезарядке и других процессах.
...

1) Маргулис, М. А. Основы звукохимии [Текст]: химические реакции в акустических полях / М. А. Маргулис. – М.: Высшая школа, 1984. – 272 с.
2) Кнэпп, Р. Кавитация [Текст] / Р. Кнэпп, Дж. Дейли, Ф. Хэммит. – М.: Мир, 1974. – 678 с.
3) Физика акустической кавитации в жидкостях [Текст] / Под ред. У. Мезона. – М.: Мир, 1967. – С. 7–138. – (Физическая акустика: в 2 т.; т. 2, ч. Б).
4) Майер, В. В. Простые опыты с ультразвуком [Текст] / В. В. Майер. – М.: Наука, 1987. – 160 с.
5). Баранчиков, А. Е. Сонохимический синтез неорганических материалов / А. Е. Баранчиков, В. К. Иванов, Ю. Д. Третьяков // Успехи химии, 2007. – № 2. – С. 147–168.
6) Mason, T. J. Advances in Sonochemistry [Текст] / T. J. Mason, J. Berlan. – JAI Press, 1996. – Vol. 4. – P. 1.
7) Koda, S. [Текст] / Koda, S. [и др.] // Ultrasonics Sonochemistry, 2003. – Vol. 10.– P. 149.
8) Мэйсон, Т. Химия и ультразвук [Текст] / Т. Мэйсон, Дж. Линдли, Р. Дэвидсон. – М.: Мир, 1993. – 192 с.
9) Margulis, M. A. Sonochemistry and Cavitation [Текст] / M. A. Margulis. – Luxembourg: Gordon and Breach, 1995. – 543 p.
10) Маргулис, М. А. Сонолюминесценция [Текст] / М. А. Маргулис // Успехи физических наук, 2000. – Т. 170, № 3. – С. 263–287.
11) Маргулис, М. А. Звукохимические реакции и сонолюминисценция [Текст] / М. А. Маргулис. – М.: Химия, 1986. – 288 с.
12) Рыжонков, Д. И. Наноматериалы [Текст]: учебное пособие / Д. И. Рыжонков, В. В. Лёвина, Э. Л. Дзидзигури. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – С. 34–35.
13) Акопян, В. Б. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами [Текст] / В. Б. Акопян, Ю. А. Ершов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. – 224 с.
14) Маргулис, М. А. Основы звукохимии (химические реакции в аку-стических полях) [Текст]: Учеб. пособие для хим. и хим.-технол. спец. вузов / М. А. Маргулис. – М.: Высшая школа, 1984. – 272 с.
15) Промтов, М. А. Кавитация [Текст] / М. А. Промтов // Вестник ТГТУ, 1995. – Т. 1, № 3–4. – С. 311–315.
16) Розенберг, Л. Д. Физические основы ультразвуковой технологии [Текст] / Л. Д. Розенберг. – М.: Наука, 1970. – 686 с.
17) Маргулис, М. А. Изучение энергетики и механизма звукохимиче-ских реакций [Текст] / М. А. Маргулис // Журнал физической химии, 1976. – Т. 50, № 9. – С. 2267–2274.
18) Розенберг, Л. Д. Мощные ультразвуковые поля [Текст] / Л. Д. Ро-зенберг. – М.: Наука, 1968. – 272 с.
19) Бабиков, О. И. Ультразвук и его применение в промышленности [Текст] / О. И. Бабиков. – М.: Наука, 1958. – 260 с.
20) Новитский, Б. Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах [Текст] / Б. Г. Новитский. – М.: Химия, 1983. – 191 с.
21) Сабашный, Д. В. Применение высокочастотной звуковой кавитации для синтеза наноразмерных материалов [Текст] / Д. В. Сабашный, Е. Н. Резник, Д. Н. Данилов // Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии : материалы XI международной научной конференции (Ставрополь, 22-27 апреля 2012 г.). – Ставрополь : СевКавГТУ, 2012. – С. 306–307.
22) Мясникова, Ю. В. Влияние способов кавитационной обработки на характеристики микрогетерогенных систем [Текст] / Ю. В. Мясникова [и др.] // Материалы Всероссийской молодежной научно-практической конференции молодежи "Экология родного края: проблемы и пути их решения", Киров, 2010. – С. 212–214.
23) Shestakov, S. Sonochemical Technologies in Food Industry [Текст] / S. Shestakov, O. Krasulya // Technical Acoustics, 2010. – № 10; URL: www.ejta.org/en/shestakov1.
24) Бакланов, А. Н. Сонолюминесцентная спектроскопия как новый источник аналитического сигнала [Текст] / А. Н. Бакланов, Ф. А. Чмиленко // КОНСОНАНС-2005. Тези доповiдей акустичного симпозiума (Київ, 27–29 вересня 2005 р.), 2005. – С. 5–6.
25) Леонов, Г. В. Информационное моделирование кавитационных процессов, инициированных ультразвуковыми осцилляторами [Текст] / Г. В. Леонов, Е. И. Савина // International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2006, Новосибирск: НГТУ, 2006; URL: u sonic.ru/downloads/edm06/modeling_rus.pdf.
26) Майер, В. В. Магнитострикционные излучатели для лекционных демонстраций по ультраакустике [Текст] / В. В. Майер, В. Э.-Г. Хохловкин // Успехи физических наук, 1973. – Т. 111, вып. 3.
27) Ультразвук : Маленькая энциклопедия [Текст] / гл. ред. И. П. Голямина. – М. : Советская энциклопедия, 1979. – 400 с.
28) Волосатов, В. А. Работа на ультразвуковых установках [Текст]: учебник для подготов. рабочих на пр-ве / В. А. Волосатов. – 2е изд., испр. доп. – М.: Высшая школа, 1984. – 192 с.
29) Токсикологическая химия : Учебник для вузов [Текст] / Под ред. Т. В. Плетеневой. – М. : ГЭОТАР-Медиа, 2005. – С. 323.
30) Крамаренко, В. Ф. Токсикологическая химия [Текст] / В. Ф. Крамаренко. – Выща шк. Головное изд-во, 1989. – С. 159, 143.
31) Васильев, В. П. Аналитическая химия книга. В 2 кн. Кн. 2. Физико-химические методы анализа [Текст]: Учеб. для студентов вузов / В. П. Васильев. – 2е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, 2002. – 384 с.
32) Гайдукова, Б. М. Техника и технология лабораторных работ [Текст] / Б. М. Гайдукова, С. В. Харитонов. – М.: Академия, 2006. – 128 с.
33) Крищенко, В. П. Техника лабораторных работ [Текст] / В. П. Крищенко. – М.: ВО «Агропромиздат», 1987. – 287 c.
34) Воскресенский, П. И. Техника лабораторных работ [Текст] / П. И. Воскресенский. – 9е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1969. – 718 с.