用于声化学研究的大功率超声系统的研制

    根据声化学反应的特殊要求,我们研制了用于声化学研究的大功率超声系统,由参数可调节的超声发生器配合不同频率的换能器工作,并用它组合成杯式变幅杆结构声化学反应器。解决了有关声化学设备的一些技术问题,为声化学技术从实验室规模向工业应用过渡做了必要的准备。

    1　引　言

    声化学是指利用超声波加速化学反应,提高化学产率的一门新兴交叉学科。[1,2,3]

    用于声化学实验的声化学反应器是进行声化学研究的重要工具,它由产生超声波的超声系统和反应容器构成。由于声化学反应的特殊性,因此对超声系统提出了更高的技术要求,主要有如下几方面:

    (1)为使空化强烈,反应液中必须能够达到足够的声强。所以要求超声系统能够发出足够高声强的超声波。用于该系统的发生器及换能器均应能输出足够大的功率,并能够连续长时间工作。

    (2)在研究声参数对化学反应的影响时,需要改变不同的声参数(频率、声强等)。这就要求超声发生器能够与各种不同频率(频率范围为10kHz～100kHz)的换能器配合工作,并且能够实现频率自动跟踪,输出功率连续可调。

    (3)不能对反应液体产生污染。

    (4)声化学反应器应能够控制反应温度。

    目前在声化学研究中,大多是采用现成的超声设备组成声化学反应器,其中超声清洗机式反应器和变幅杆浸入式反应器最为常见,此外还有杯式变幅杆结构反应器。超声清洗机反应器是将反应容器直接放入清洗槽中,超声波穿过反应容器底壁而在反应液中发生空化。为此,要求超声波有足够大的强度,才能确保超声波在受到底壁衰减之后仍能在反应液中达到足够的空化强度。但一般清洗机的声强都较低,不能满足要求。此外,清洗槽内的温度难以控制,声变幅杆浸入式反应器,是由超声换能器驱动变幅杆,将其发射端直接浸入反应液中辐射超声波。这种方式可在反应液中获得足够的声强,但探头表面受空化腐蚀会污染反应液体,反应温度也难以控制。杯式变幅杆反应器是上述两种系统的复合。反应器的上部为温度可控的小水槽,变幅杆置于水槽下部,向上辐射超声波。反应容器置于变幅杆上方,超声波透过反应容器底壁作用于反应液,变幅杆不会对应液产生污染。这种结构有效地克服了上述两种反应器的缺点,是一种用于声化学实验的较好的系统。然而,由于水槽的容积有限,反应容器的尺寸将受到限制。可见由现成的超声设备组成的声化学反应器都各有优缺点,因而限制了他们的使用范围。

    根据以上分析,我们设计了一种适应于声化学研究的特点和要求,可在10kHz～100kHz频率范围内工作的大功率超声系统,并用它组成杯式变幅杆声化学反应器,基本上满足实验室中进行声化学研究的需要。下面我们将详细介绍。