近20年來，超聲波加速化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)被大量實(shí)驗(yàn)所證明，并廣泛的應(yīng)用于化工、石油、冶金、煤炭、電子、醫(yī)藥、建材、輕工等實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域。采用超聲波方式進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，與傳統(tǒng)方法相比較具有操作簡(jiǎn)單，化學(xué)反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)時(shí)間縮短，反應(yīng)產(chǎn)率提高，為在一般條件下很難實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)提供了一種新的非常特殊的物理化學(xué)環(huán)境，開辟了新的化學(xué)反應(yīng)方式。

超聲波加速化學(xué)反應(yīng)的基本原理

到目前為止,對(duì)超聲波加速化學(xué)反應(yīng)的原因仍然沒有定論，但普遍被接受的一般有以下幾點(diǎn)：

1）空化作用。可能是加速化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵所在, 即在液體介質(zhì)中微泡的形成和破裂及伴隨能量的釋放?？栈饔盟a(chǎn)生的瞬間內(nèi)爆有強(qiáng)烈的振動(dòng)波,產(chǎn)生短暫的高能環(huán)境(據(jù)計(jì)算在毫微秒的時(shí)間間隔內(nèi)可達(dá)2000-3000℃和幾百個(gè)大氣壓)。利用超聲波高頻振動(dòng)及空化的壓力、高溫效應(yīng)，加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，促使兩種液體，兩種固體，或液-固，液-氣界面之間，發(fā)生分子的相互滲透，打開化學(xué)鍵, 形成新的物質(zhì)屬性。同時(shí)也可通過聲的吸收, 介質(zhì)和容器的共振性質(zhì)引起的二級(jí)效應(yīng)，如乳化作用、宏觀的加熱效應(yīng)等來進(jìn)一步加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

2）空化泡爆裂時(shí)從溶劑或反應(yīng)試劑產(chǎn)生的活性物質(zhì)，如離子和游離基，如果離子和自由基存在競(jìng)爭(zhēng)，則有可能產(chǎn)生不同的產(chǎn)物。

3）超聲波對(duì)化學(xué)溶劑本身結(jié)構(gòu)的破壞。超聲波效應(yīng)單一或共同作用的結(jié)果,使得反應(yīng)體系的化學(xué)反應(yīng)速度得到大大的增強(qiáng)。

4）在空化泡周期性振蕩或崩裂過程中,會(huì)產(chǎn)生短暫的局部高溫,高壓,加熱和冷卻的速度率大于1010Ks，并產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，從而引發(fā)許多力學(xué),熱學(xué),化學(xué),生物等效應(yīng)，加速化學(xué)反應(yīng)。

超聲波加速化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域

1）在電化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用。主要有超聲波電分析化學(xué),超聲波電化學(xué)發(fā)光分析,超聲波電化學(xué)合成,超聲波電鍍等。超聲波與電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合具有許多潛在的優(yōu)點(diǎn),這些優(yōu)點(diǎn)包括電極表面的清洗和除氣,電極表面的去鈍化,電極表面的侵蝕;加速液相質(zhì)量傳遞;加速化學(xué)反應(yīng)速率;增強(qiáng)電化學(xué)發(fā)光;改變電合成反應(yīng)的產(chǎn)率等。

2）化學(xué)在催化反應(yīng)中的應(yīng)用。超聲波作為一種特殊的能量作用形式,與熱能，光能和離子輻射能有顯著的區(qū)別。超聲波空化作用時(shí)間短,釋放出高能量.例如,在高溫條件下,有利于反應(yīng)物種的裂解和自由基的形成，從而形成了更為活潑的反應(yīng)物種,有利于二次反應(yīng)的進(jìn)行,提高了化學(xué)反應(yīng)的速率。同時(shí),氣泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的高壓,一方面,有利于高壓氣相中的反應(yīng),另一方面,由于高壓存在導(dǎo)致的沖擊波和微射流現(xiàn)象,在固液體系中起到很好的沖擊作用,特別是導(dǎo)致分子間強(qiáng)烈的相互碰撞和聚集,對(duì)固體表面形態(tài),表面組成都有極為重要的作用?？傊?超聲對(duì)于化學(xué)反應(yīng)的影響,并不是直接作用于分子,而是間接地影響化學(xué)反應(yīng),這種作用對(duì)于催化反應(yīng)體系尤為明顯。

3）在水處理過程的應(yīng)用。超聲波技術(shù)應(yīng)用于難降解有毒有機(jī)污染物時(shí)，主要是當(dāng)超聲波照射水體環(huán)境時(shí),其高能量的輸出將產(chǎn)生渦漩氣泡,而氣泡內(nèi)部的高溫高壓狀態(tài),可將水分子分解生成強(qiáng)氧化性的氫氧自由基，這些自由基對(duì)于各種有機(jī)物都有很高的反應(yīng)速率,可將其氧化分解成其它較簡(jiǎn)單的分子,最終生成CO2和H2O.大量的事實(shí)表明,聲化學(xué)處理方法在治理廢水中難生物降解有毒有機(jī)污染物方面卓有成效.對(duì)于有機(jī)相水相的多相反應(yīng)體系,利用超聲波照射時(shí)，被乳化的液體通過交錯(cuò)時(shí)間的接觸面積,快速進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),甚至在沒有催化劑的條件下也能發(fā)生反應(yīng)。有機(jī)物經(jīng)超聲處理后的分解產(chǎn)物與高溫焚燒處理類似。

4）在納米材料制備中的應(yīng)用。近年來,聲化學(xué)方法已成為制備具有特殊性能新材料的一種有用的技術(shù)。聲空化所引發(fā)的特殊的物理,化學(xué)環(huán)境已為科學(xué)家們制備納米材料提供了重要的途徑。用聲化學(xué)分解高沸點(diǎn)溶劑中的揮發(fā)性有機(jī)金屬前體時(shí),可以得到具有高催化性能的各種形式的納米結(jié)構(gòu)材料.在制備方法上主要有,超聲波霧化分解法,金屬有機(jī)物超聲波分解法,化學(xué)沉淀法和聲電化學(xué)法等。

可以看出，超聲波加速化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用研究已經(jīng)十分廣泛,對(duì)各種類型的化學(xué)反應(yīng)幾乎都有不同程度的促進(jìn)作用,但也并非所有的研究都是正結(jié)果。如在下面的化學(xué)反應(yīng)中,用甲苯作溶劑超聲波對(duì)其沒有什么促進(jìn)作用,如用水作溶劑時(shí)有輕微的副作用(收率從19%降低到13%)。同時(shí)超聲波也不是對(duì)所有的化學(xué)反應(yīng)都會(huì)有作用的。目前超聲波的應(yīng)用還缺乏理論指導(dǎo)，盡管如此，超聲波加速化學(xué)反應(yīng)的作用還是顯而易見的。我們有理由相信,在不久的將來,無論是在理論上還是在應(yīng)用上，超聲波方法都會(huì)得到蓬勃的發(fā)展,成為加速化學(xué)反應(yīng)研究中的一種重要手段。