Исследование основных кинетических закономерностей химического ультразвука в водных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Диденко, Юрий Трофимович

  • Диденко, Юрий Трофимович
  • кандидат химических науккандидат химических наук
  • 1984, ВладивостокВладивосток
  • Специальность ВАК РФ02.00.04
  • Количество страниц 196
Диденко, Юрий Трофимович. Исследование основных кинетических закономерностей химического ультразвука в водных системах: дис. кандидат химических наук: 02.00.04 - Физическая химия. Владивосток. 1984. 196 с.

Оглавление диссертации кандидат химических наук Диденко, Юрий Трофимович

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

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Физическая химия», 02.00.04 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование основных кинетических закономерностей химического ультразвука в водных системах»

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»

Похожие диссертационные работы по специальности «Физическая химия», 02.00.04 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Диденко, Юрий Трофимович

- 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Диденко, Юрий Трофимович, 1984 год

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.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.