cząsteczki rozpuszczonych gazów Sonochemia Kawitacja WSTĘP DO SONOCHEMII 1 Oscylacje ciśnienia - - powstawanie naprężeń rozciągających w ośrodku p(t) = po + ps sin(2 f t) Dla wody, 320 kHz, 3 W/cm2 p zmienia się od –2 do 4 atm Kawitacja - - naruszenie ciągłości fazy ciekłej, powstanie pęcherzyków fazy gazowej cząsteczki rozpuszczalnika cząsteczki rozpuszczonych gazów

Zarodki kawitacji Sonochemia 2 WSTĘP DO SONOCHEMII 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

Drgania pęcherzyków gazu Sonochemia Drgania pęcherzyków gazu WSTĘP DO SONOCHEMII 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

Drgania pęcherzyków gazu Sonochemia Drgania pęcherzyków gazu WSTĘP DO SONOCHEMII 4 Zanik oscylacji wielokrotnych Liczba oscylacji w zależności od początkowych rozmiarów pęcherzyka gazu

Sonochemia - mechanizmy WSTĘP DO SONOCHEMII 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

Temperatura kawitacji Sonochemia Temperatura kawitacji WSTĘP DO SONOCHEMII 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)

Zanik pęcherzyków gazu Sonochemia Zanik pęcherzyków gazu WSTĘP DO SONOCHEMII 7 Nie zawsze symetryczne „zapadanie się”

Efekty fizykochemiczne Sonochemia Efekty fizykochemiczne WSTĘP DO SONOCHEMII 8 Dezintegracja, agregacja, mieszanie

Parametry Sonochemia 9 Częstotliwość ultradźwięków Moc ultradźwięków WSTĘP DO SONOCHEMII 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

Reaktory Sonochemia 10 Zasadnicze rodzaje reaktorów ultradźwiękowych: WSTĘP DO SONOCHEMII 10 Zasadnicze rodzaje reaktorów ultradźwiękowych: Łażnia (myjka) ultradźwiękowa Reaktor z zanurzonym prętem (horn, probe system)

Reaktory Sonochemia 11 Zasadnicze rodzaje reaktorów ultradźwiękowych: WSTĘP DO SONOCHEMII 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)

Historia Sonochemia 12 Najważniejsze wydarzenia z historii sonochemii: WSTĘP DO SONOCHEMII 12 Najważniejsze wydarzenia z historii sonochemii: 1867 Pierwsze obserwacje zjawiska kawitacji (Tomlinson, Gernez) 1880 Odkrycie zjawiska piezoelektrycznego 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) 1927 Pierwszy artykuł o chemicznych efektach działania ultradźwięków (Richards i Loomis, JACS 49, 3086) 1933-35 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