9 Билет

А) Образование звукохимических процессов открыто более 60 лет назад, однако до сих пор нет единого мнения о природе первичного акта звукохимического процесса. Однако, основные факторы, влияющие на скорость таких реакций, установлены точно [19,20] :

1. Интенсивность УЗ энергии, приходящей на единицу площади излучателя в озвучиваемой среде.

2. Все реакции начинаются с определенного порога интенсивности УЗ колебаний и этот порог всегда совпадает с началом кавитации.

3. При превышении определенного порога интенсивности скорость реакций резко убывает.

4. На низких частотах кавитация начинается при меньших интенсивностях и, соответственно, реакции протекают при меньших интенсивностях.

5. Скорость химической реакции (Рисунок 3.3) ω0 определяется скоростью образования и расходования радикалов R.

формула

где Fr - начальный выход радикалов , ηxa - химическая активность КПД, Е - звуковая энергия, поглощенная в объеме V за время τ, Nа - число Авогадро,

δ2 - частный дифференциал второго порядка от Е по V, частный дифференциал от Е (по V и δ).

В качестве примера, на рисунке 3.3 приведена зависимость скорости образования йода из йодида калия от интенсивности УЗ при озвучивании в течение 20 минут.

Зависимость скорости реакций от интенсивности

Рисунок 3.3 – Зависимость скорости реакций от интенсивности

Из практики известно, что схлопывание одного кавитационного пузырька приводит к образованию от 10000 до 100000 пар радикалов [20].

Это много больше, чем образуется при ионизирующих излучениях или при фотолизе.

6. Влияние УЗ колебаний различных частот на скорость реакций.

Сегодня однозначно установлено, что возникновение кавитации в любом диапазоне частот приводит к возникновению химических эффектов.

Рассмотрим еще одно важное явление, возникающее в звукохимии - так называемый эффект защиты.

Б)

10 Билет

А) Показано, что ультразвуком из сырья растительного происхождения в диапазоне частот 19 кГц – 1 МГц возможно извлекать практически все известные соединения, продуцируемые растениями. Кинетика ультразвуковой экстракции биологически активных веществ зависит от принадлежности к определенной химической группе, а степень извлечения растет в ряду: масла, алкалоиды, фуранохромы, флавоноиды, сапонины, гликозиды [16]. При использовании ультразвука наблюдается не только значительное ускорение процесса, но и увеличение по сравнению с другими способами экстрагирования выхода продукта. Преимущества ультразвуковой экстракции по сравнению с другими способами:

-минимальное применение ручного труда;

-сокращение времени технологических процессов.

Однако недостатком этого метода является то, что ультразвуковое воздействие, используемое для обработки растительного сырья является, очень мощным и достаточно длительным. Проведение процесса в этих условиях вызывает мощный разогрев раствора, и, следовательно, разрушение некоторых классов БАВ [2].

Можно выделить несколько основных параметров, которые собственно и делают процесс ультразвукового экстрагирования более эффективным по сравнению с традиционными методами экстракции. К числу факторов, способствующих интенсификации, относятся:

-увеличение скорости обтекания;

-ускорение пропитки твердого тела жидкостью;

-увеличение коэффициента внутренней диффузии;

-кавитационный эффект, влияющий на структуру пористых тел и приводящий к появлению микротрещин;

-свойства звуковых и ультразвуковых колебаний предотвращать экстракцию пористых частиц твердыми инертными примесями [17].

Под действием ультразвуковых колебаний происходит более быстрое и активное разрушение внутриклеточных тканей растительного сырья, что приводит к интенсификации процесса экстракции и дает возможность увеличить содержание биологически активных соединений в растворе.

Б) Основное направление в применении УЗ колебаний при реализации процессов химической технологии – воздействие на жидкие и жидкодисперсные среды в режиме «развитой» кавитации. Для практического применения создана серия аппаратов различной мощности (200; 400; 600; 1000 Вт), которые представлены на рисунке 3.9 [5]. Назначение аппаратов этой серии различно. Это приготовление экстрактов из растительного сырья, приготовление кремов, мазей, других лекарственных препаратов в домашних условиях. Это интенсификация процессов в жидких и жидкодисперсных средах (экстракция, растворение, очистка и др. процессы), возможность установки в технологические линии. Это интенсификация процессов методом полного погружения колебательной системы. Это кавитационная обработка различных жидких сред в промышленных масштабах.

В комплектацию входят электронный генератор и ультразвуковая пьезоэлектрическая колебательная система в металлическом корпусе с принудительным или естественным воздушным охлаждением. Электронный генератор выполнен на современной элементной базе, имеет микропроцессорное управление, плавный регулятор выходной мощности, таймер, систему АПЧ, многорежимный цифровой индикатор отображаемых параметров [31]. Ультразвуковая колебательная система построена на пьезоэлектрических кольцевых элементах и изготовлена из титанового сплава ВТ5. Используемые инженерные решения защищены патентом РФ № 2141386 [32]. Рабочая частота составляет 22±1,65 кГц. Технические характеристики аппаратов приведены в таблице 3.2

Таблица 3.2 – Основные технические характеристики аппаратов
Модель	УЗТА- 0,15/22-О	УЗТА-0,2/22- ОМ,0,4/22- ОМ,0,63/22- ОМ	УЗТА- 0,8/22-ОМ, 1/22-ОМ	УЗТА- 1/22-ОПг	УЗАП- 2,5/22 -ОП	УЗТ-3/22-О
Мощность, ВА	150	200, 400, 630	800, 1000	1000	2500	3000
Диаметр инструмента, мм	20	22, 30, 32	35, 45	45	35х3	-

Все аппараты имеют время непрерывной работы не менее 8 часов. Для кавитационной обработки жидких и жидкодисперсных сред (жидкие металлы, расплавы солей, масла, припои и т.п.) при высокой температуре и под высоким давлением (до 1МПа) создан аппарат, показанный на рисунке 3.10.

Ультразвуковая пьезоэлектрическая колебательная система комплектуется промежуточным узлом водяного охлаждения. Технические характеристики представлены в таблице 3.3. Рабочая частота составляет 22±1,65 кГц.

Таблица 3.3 – Основные технические характеристики аппарата
Потребляемая мощность, ВА	800
Максимальная температура среды, ºC	600
Максимальное давление внутри технологического объема, МПа	1
Система охлаждения: бустера пьезопреобразователя	водяная принудительная воздушная принудительная

Для интенсификации процессов, происходящих на границе раздела твердое тело – жидкость в контактном режиме (пропитка дерева и других пористых материалов защитными и декоративными веществами, поверхностная очистка, склеивание листовых материалов и тканей, нанесение смазок и покрытий для снижения трения, повышение нежности мясных изделий, кавитационная обработка жидких сред), создан аппарат [31] , показанный на рисунке 3.11.

В аппарате реализованы технические решения по патенту РФ № 2281134. Характеристики представлены в таблице 3.4. Рабочая частота 44±3,3 кГц Для проточной обработки молока и других жидкостей с целью увеличения срока хранения и питательной ценности, для непрерывной обработки жидких сред (растворение, эмульгирование, стерилизация, экстрагирование) и для воздействия ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности в открытых природных и технологических объемах, каналах, трубопроводах, нефтяных скважинах создана серия технологических аппаратов, показанная на рисунке 3.12.

Таблица 3.4 – Основные технические характеристики
Мощность, ВА	250
Масса колебательной системы, кг	1,5
Время непрерывной работы, ч	2

Основные технические характеристики серии ультразвуковых аппаратов приведены в таблице 3.5 [31].

Таблица 3.5 – Основные технические характеристики
Модель	УЗАП-0,2/22- ОП	УЗАП- 0,4/22- ОП	УЗАП- 2,5/22-ОП	УЗАП- 3/22-ОПг	УЗАП-3/22-ОП
Мощность, ВА	200	400	2500	3000	3000
Производительность, л/мин	до 5	до 10	до 100	до 100	до 100

Время непрерывной работы всех аппаратов составляет не менее 8 часов.