Исследование основных кинетических закономерностей химического ультразвука в водных системах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

ВВЕДШИЕ.4

Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.9

1.1. Возникновение кавитации.9

1.2. Эффекты, вызываемые кавитацией . 14

1.3. Кинетика и механизм звукохимических реакций. . . . . . 19

1.3.1. Гипотезы возникновения химических реакций и свечения в ультразвуковом поле.19

1.3.2. Об элементарных процессах в поле ультразвуковых волн . 25

1.3.3. Кинетика звукохимических реакций. 29

1.3.4. Энергетические выходы звукохимических реакций.39

1.4. Биологическое действие ультразвука . . . 42-47 Выводы.47

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.49

2.1. Описание экспериментальной установки . . 49

2.2. Определение поглощенной акустической мощности . ••••••• 51

2.3. Аналитические методики ••••••••• 53

Глава 3. ИЗУЧЕНИЕ ЭЩРГЕТИКИ И МЕХАНИЗМА ЗВУКОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИИВ АТМОСФЕРЕ АЗОТА.68

3.1. Определение скорости рекомбинации атомов азота.68

3.2. Сонолиз воды и водных растворов карбоновых кислот в атмосфере азота .75

3.3. Сонолиз сульфатов железа и церия в атмосфере азота.84

3.4. Определение начальных химико-акустических выходов в атмосфере азота.90

Глава 4. ВДОЛЫ ОСНОВНЫХ ПРОЕКТОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВОДУ.99

4.1. Соотношение выходов молекулярного водорода и перекиси водорода в различных водных системах .99

4.I.I. Образование молекулярного водорода при сонолизе воды в атмосфере кислорода •••••••••»•• I0I-I

4.1.2. Выходы основных продуктов сонолиза воды в атмосфере смеси I08-II

4.1.3. Определение выхода перекиси водорода при "озвучивании1* воды в атмосфере водорода.II3-II

4.2. Сонолиз растворов монохлоруксусной кислоты в атмосфере аргона . II7-I

Глава 5. О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА. В ХИМИИ

МОРСКОЙ ВОШ . 129

5.1. Влияние ультразвукового облучения на состояние радионуклида марганца-54 в системе морская вода - фитопланктон. . 129

5.2. Кинетика и механизм ультразвукового разрушения клеток водорослей. • . . ♦ 133

5.3. Влияние ультразвукового облучения на состояние железа-59 в системе морская вода - клетки водоросли . ♦ . 139

5.4. Влияние интенсивности ультразвука на разрушение клеток. 147

ВЫВОЛН. 156

Актуальность проблемы* Химическое действие ультразвука связано с акустической кавитацией - сложным комплексом разнообразных физико-химических явлений, сопровождающих нелинейные пульсации пузырьков, которые возникают в жидкости при воздействии на нее переменного давления» Выяснение механизма концентрирования низкой средней энергии акустических колебаний в высокую локальную энергию, выделяющуюся внутри кавитационного пузырька; изучение природы энергии, передаваемой молекулам в пузырьке (электрической или тепловой); определение вида первичных частиц, образующихся при расщеплении молекул воды в кавитационном пузырьке; исследование первичных и вторичных элементарных процессов, приводящих к ультразвуковому свечению и звукохимическим реакциям - актуальные задачи, Имеющие существенный научный и практический интерес; Это подтверждается постоянным вниманием, уделяемым указанным проблемам на различных симпозиумах в Советском Союзе и за рубежом, а также тем, что данным вопросам посвящен ряд обзоров и монографий /1-9/.

Цель работы» Настоящая работа посвящена изучению энергетики и механизма звукохимических реакций при сонолизе водных растворов в атмосфере азота; определению состава кавитационных пузырьков в конечной стадии их охлопывания; исследованию возможности образования гидрагированного электрона в ультразвуковом поле; изучению возможности применения ультразвука в химии океана для определения форм нахождения микроэлементов и радионуклидов в морской воде.

Кроме того, в работе исследовался ряд сопутствующих и вытекающих из основной задачи вопросов: влияние интенсивности ультразвука на выход перекиси водорода и молекулярного водорода при сонолизе воды в атмосфере аргона и кислорода; исследование кинетики и механизма разрушения клеток водорослей в ультразвуковом поле и другие.

Научная новизна. Впервые определены энергетические характеристики звукохимических реакций при сонолизе водных растворов в атмосфере азота.

Впервые определен выход молекулярного водорода при сонолизе воды в атмосфере азота и кислорода. Произведена оценка концентрации газа в кавитационном пузырьке при протекании звукохимических реакций. На основании результатов исследования сонолиза моно-хлоруксусной кислоты проанализировано современное состояние вопроса о возникновении гидратированных электронов в ультразвуковом поле. Показано, что разрушение клеток водорослей в ультразвуковом поле при малых интенсивностях объясняется механическим действием пульсирующих пузырьков в докавитационном режиме.

Прекращение жизнедеятельности клеток подчиняется первому кинетическому порядку, а разрушение клеток до более мелких размеров также как и диспергирование неорганической взвеси - кинетическому уравнению нулевого порядка.

Практическая ценность. Полученные результаты позволили предложить пути повышения эффективности звукохимических превращений: действие ультразвуковой кавитации на вещества с высокой упругостью паров и химически-активные газы должно быть более эффективным,чем на пары воды, присутствующие в пузырьке в сравнительно небольшом количестве.

Исследование основных кинетических закономерностей и энергетики образования аминокислот из карбоновых кислот в поле ультразвуковых волн позволяет считать, что в будущем такого типа процессы могут использоваться в химической технологии.

Показана перспективность использования метода измерения амплитуды замедленной флуоресценции для изучения кинетики и механизма разрушения клеток в ультразвуковом поле*

Исследование фиксации азота в водных системах позволяет получить некоторые данные о возможном пути образования аминокислот и биологически важных соединений при возникновении кавитации в океане и оценить роль явлений в процессе зарождения жизни •

Объем работы» Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, трех глав, заключения и библиографии, содержит184 страниц текста, 50 рисунков и 185 наименования библиографии»

- 156 -ВЫВОДЫ

I. Исследован сонолиз ферросульфатной, цериевой и цериево-талли-евой систем в ультразвуковом поле в атмосфере азота. Показано, что непосредственно при сонолизе растворов карбоновых кислот образуются аминокислоты. Определены энергетические выходы аминокислот и других продуктов в ультразвуковом поле в атмосфере азота. Предложена схема, объясняющая соотношение выходов продуктов при сонолизе воды в атмосфере азота. Обнаружено возникновение пост-эффектов при сонолизе ферросульфата.

2. С помощью изотопа I5A/2 определена,скорость рекомбинации атомов азота в кавитационном пузырьке. Определены основные энергетические характеристики при сонолизе водных систем в атмосфере азота: начальные химико-акустические выходы молекул и радикалов, коэффициенты рекомбинации атомов и радикалов, химико-акустический кпд.

3. Определена начальная скорость образования молекулярного водорода при сонолизе воды в атмосфере кислорода, азота, аргона и воздуха. Полученные результаты позволили рассчитать концентрацию газа в "схлопывающемся" кавитационном пузырьке, которая оказалась близкой к плотности кислорода в жидком состоянии. Таким образом, основным компонентом "схлопывающегося'1 кавита-ционного пузырька является растворенный газ, и его концентрация превышает растворимость газа в жидкости на 3 - 5 порядков.

4. Исследован сонолиз монохлоруксусной кислоты. Предложен механизм образования ионов хлора и других продуктов (молекулярного водорода, перекиси водорода, окиси углерода, метана) при сонолизе хлорацетата при различных р Н раствора, С учетом кавитационно--дифйузионной теории предложен механизм резкой интенсификации гидролиза в ультразвуковом поле.

5, Показано, что скорость разрушения клеток водорослей в ультразвуковом поле подчиняется кинетическому уравнению первого порядка, а скорость диспергирования взвесей радионуклидов или "осколков" разрушенных клеток - уравнению нулевого порядка. Показана возможность использования метода измерения амплитуды замедленной флуоресценции для исследования кинетики и механизма ультразвукового разрушения клеток.

6. Обнаружено, что ультразвуковое воздействие способствует переходу радионуклидов из взвешенной в растворенную форму. Предложено использовать ультразвуковое облучение в исследованиях химии океана для изучения форм нахождения микроэлементов и радионуклидов в морской среде.

1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике.-- М.: Издатинлит, 1957,- 726 с.

2. Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие.- М.: Физматгиз, 1963.- 420 с.

3. Эльпинер И.Е. Биофизика ультразвука,- М.: Наука, 1973,- 384 с.

4. Маргулис М.А. Основы звукохимии,- М,: Высшая школа, 1984,- 274 с.

5. Маргулис М.А. Сонолюминесценция и ультразвуковые химические реакции. Акуст.ж., 1969, т.15, № 2, с.153-173.

6. Маргулис М.А. Современные представления о природе звукохимических реакций, Ж.Физ.химии, 1976, т.50, № I, с.1-18.

7. Флин Г. Физика акустической кавитации в жидкостях.- В кн.: Физическая акустика, под ред. Мэзона Б., т.1Б, М.: Мир, 1967, с.7-138.8. %равлев А.И., Акопян В.Б. Ультразвуковое свечение.- М.: Наука, 1977.- 135 с.

8. ТСнэпп Р., Дэйли Дж., Хэммит Ф. Кавитация.- М.: Мир, 1974.- 687 с.

9. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой кавитации.- В кн.: Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Розенберга Л.Д. М.: Наука, 1968, с.169-220.

10. Yilmas E., Hammitt F.G., Keller A. Cavitation inseption threshold in water and nuclei spectra by light scattering technique. J.Acoust.Soc.Am., 1976, v.59,N.2, p.329-338.

11. Lieberman D. Radiation induced cavitation. Phys. Fluids, 1959, v.2, N.4, p.466-468.

12. Sette D., Wanderling F. Nucleation by cosmic rays in ultrasonic cavitation. Phys.Rev., 1962,v.125, N.2, p.409-414.

13. Minnaert M. On musical air-ЪиЪЫез and the sounds of running water. Phil.Mag., 1933, v.16, N.2, p.235-238.

14. Eller A.I., Flynn H.G. Rectified diffusion during nonlinear pulsation of cavitation bubbles. J.Acoust.Soc.Am., 1965, v.37, H.3, p.493-503.

15. Plesset M.S., Hsieh D.Y. Comments on the theory of rectified diffusion. J.Acoust.Soc.Am., 1961, v.33, U.3, p.359--360.

16. Hsieh D.Y., Plesset M.S. Theory of rectified diffusion of mass into gas bubbles. J.Acoust.Soc.Am., 1961, v.33, N.2, p.206-215.

17. Капустина O.A. Дегазация жидкостей.- В кн.: Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред, Вэзенберга Л.Д,, ч Л У. M.s Наука, 1970, с.253-336.

18. Ильичев В,И. 0 влиянии коагуляции зародышей на кавитацион-ную прочность жидкости. Акуст.ж., 1967, т.13, № 2, с.300-- 301.

19. Казанцев В.Ф. Движение газовых пузырьков в жидкости под действием сил Б^жнесса, возникающих в акустическом поле. Докл.АН СССР, 1959, т.129, № I, с.64-67.

20. Агрест Э.М., Кузнецов Г.Н. Дрейф газовых каверн в неоднородном звуковом поле. Акуст.ж., 1972, т.18, № 2, с.168-172.

21. Агрест Э.М., Кузнецов Г.Н. Динамика распределения пузырьков по размерам в акустических полях. Акуст.ж., 1974, т.20, № 3, с. 345-351.

22. Сиротюк М.Г. Об энергетике и динамике кавитационной области. Акуст.ж., 1967, т.13, № 2, с.265-269.

23. Маргулис М.А. О кинетике изменения числа кавитационных пузырьков в ультразвуковом поле. Акуст.ж., 1976, т.22, W 2, с.261-265.

24. Маргулис М.А., Грундель Л.М. Исследование ультразвукового свечения вблизи порога кавитации. I. Возникновение предпо-рогового свечения жидкости в ультразвуковом поле. Ж.Физ. химии, 1981, т.55, № 3, с.687-691.

25. Акуличев В.А. Цульсации кавитационных полостей.- В кн.: Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Розенберга Л.Д. М.: Наука, 1968, с.129-166.

26. Ebeling K.J. Application of high speed holocinematogra-phical methods in cavitation research. In: Cavitation and inhomogeneities in underwater acoustics. Ed. Lauterborn. Berlin, Heidelberg, New York, 1980, p.35-41.

27. Корец В.Л.£ Наугольных К.А., Хоха Ю.В. К оценке акустической эффективности монопольного и дипольного излучения кавитирующей жидкости. Акуст.ж., 1983, т.29, № 5, с.710-712.

28. Агранат Б.А., Башкиров В.И., Китайгородский Ю.И. Ультразвуковая очистка.- В кн.: Физические основы ультразвуковой технологии. М.: Наука, 1970, с.165.

29. Lauterborn W. 9 Intern. Congr. on Acoust. Madrid, 4-9 duly, 1974.

30. Гривнин Ю.А., Зубрилов С.П., Ларин В.А. Влияние физических свойств жидкости на пульсацию и разрушение несферических кавитационных полостей. Ж.Физ.химии, 1980, т.54, № I, с.56-59.

31. Макаров Л.О., ГЪзенберг Л.Д. О механизме ультразвуковой очистки. Акуст.ж., 1957, т.З, № 4, с.37-41.

32. Lauterborn W. Cavitation and coherent optics.- In: Cavitation and inhomogeneities in underwater acoustics.

33. Ed. Lauterborn W. Berlin, Heidelberg, Hew York, 19S0, p.35-41.

34. Беньковский В.Г., Голубничий П.И., Олзоев К.Ф. Об абсолютной светимости и длительности вспышек сонолюминесценции при ультразвуковой кавитации. Акуст.ж., 1974, т.20, № I,с .126-128.

35. Taylor К.J., Jarman P.D. Spectra of sonoluminescence. Austr. J.Phys., 1970, v.23, N. 3, p.319-334.

36. Sehgal C., Sutherland R.G., Verrall R.E. Optical spectra of sonoluminescence from transient and stable cavitation in water, saturated with various gases. J. Phys.Chem., 1980, v.84, N.4, p.388-395.

37. Sehgal C., Steer R.P., Sutherland R.G., Verrall R.E. Sonoluminescence of argon saturated alkali metal salt solutions as a probe of acoustic cavitation. J.Chem.Phys. , v.70, N. 5, p.2242-2248.

38. Negishi K. Phase relation between sonoluminescence and cavitating bubbles. Acoustica, 1960, v.10, N.2, p.124--127.

39. Рэзенберг Л.Д. Кавитационная область.- В кн.: Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Вэзенберга Л.Д. М.: Наука, 1968, с.221-266.

40. Jarman P.D., Taylor K.J. Some physical effects on acoustically induced cavitation in liquid helium and liquid nitrogen. J.Acoust.Soc.Am., 1966, v.39, N.3,p.584.

41. Vaughan P.W., Graham E. , Leeman S. The effect of dissolved gases on dynamics of acoustic emission and sonolumi-nescence from cavitating liquids. Appl.Sci.Res., 1982, v.38, N.1, p.45-52.

42. Yamada M., Hobo Т., Suzuki S. Sonoluminescence for water determination. Chem.Lett., 1983, N.3, p.283-284.

43. Richards W.T., Loomis A.L. The chemical effects of high frequency sound waves. J.Am.Chem.Soc., 1927, v.49, N.12, p.3086-3100.

44. Beute H. tJber den Enflus der Ultrashall-wellen auf chemiche prozesse. Zs.Phys. Chem., 1933, v.A163, N. 3/4, p. 161-168.

45. Маргулис ШтШ 0 механизме химических реакций, возникающих в ультразвуковом поле. Ж.Физ.химии, 1969, т.43, Jfe 8, C.I935-I950.'

46. Boudjouk P., Han В.Н. Organic sonochemistry. Ultrasound promoted coupling of chlorosilanes in the presence of lithium wire. Tetrahedr.Lett,, 1981, v.22, N.39, p. 3813-3818.

47. Suslick K.S., Goodale J.W., Schubert P.P. Sonochemistry and sonocatalysis of iron carbonyls. J.Am.Chem.Soc., 1981, v.103, N. 24, p.7342-7344.42.