方兴未艾的超声空化技术应用

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1、方兴未艾的超声空化技术应用陈建（江苏省南通师范学校 226006）1、超声空化及其研究历史和现状超声波 与声波一样，是物质介质 中的一种弹性机械波，其频率范围为2 x 10 4 Hz109 Hz ,超声波在物质介质中形成介质粒子的机械振动。当超声波能 量足够高时 ,就会产生超声空化现象:液体中的微气泡在声场作用下发生一系列 动力学过程，压力波的作用使流体中分子的平均距离随着分子的振动而变化，在 超声波纵向传播形成的负压区微气泡产生、生长 ,而在正压区又迅速崩溃、闭合。 理论和实验已证实，空化过程可以把声场能量集中（聚焦）起来，伴随空化泡崩溃 瞬间，在空化泡周围的极小空间内产生异乎寻常的高温O5

2、000K）、高压 （5x107Pa ）、强冲击波和射流等极端物理条件，其能量效应和机械效应会引起 特殊的物理和化学效果。1894 年英国海军发现螺旋桨转动时有大量气泡产生 ,这些气泡又随即在水 的压力作用下收缩内爆 ,致使螺旋桨产生剧烈振动 ,这是历史上首次对于空化现 象物理本质的描述。此后，它成了经久不衰的研究课题。由于超声空化现象极其 复杂，时至今日人们对其还没有完全了解。近十几年来，非线性声学、声化学的飞速发展和实验技术的进步，大规模地 吸引了声学、化学物理、流体力学、等离子体和核物理等许多不同方面的人才参 与研究，人们逐渐认识到超声空化及其相关效应的理论价值和巨大应用潜力。上 世纪 9

3、0 年代初，美国科学家在研究单泡空化声致发光时 ,发现了一系列的新奇 现象。如源于分子、离子或原子发出的蓝光（频率为8 x 1014 Hz）的光子能量本来 只有3.3ev,而产生声致发光的典型声压为latm ,对应于每个原子区域的能量高 达1.08 x ioio ev ,这意味着声致发光包含了大约10 11量级的放大或聚焦过程，而中 子引起同位素裂变释放的能量放大也仅为0.8 x 1010。如果能够弄清它的机制，人 们就有可能找到一种更广泛地使能量高度集中而又可控的方法。 2002年3 月出 版的Sinence杂志发表了美俄科学家联合发现“气泡核聚变”实验的报告,他们 在实验中采用了氘化丙酮液

4、体,通过中子辐照使液体内产生微气核,再用超声辐 照产生空化，空化释放的巨大能量持续了 10-12，并观测到氘聚合成氚并释放出2.5Mev 的中子能。由此，超声空化研究再次成为国际研究热点。2、超声空化的技术应用近年来 ,超声空化机理深入地应用于超声清洗、超声加工、化学反应强化、 污水处理、医疗卫生以及新材料合成等许多方面,并且进一步在生物学、光学、 化学等方面开拓出许许多多的新领域。2.1 超声清洗被誉为现代清洗手段的超声清洗就是基于“空化效应”的基本原理工作的， 它具有优质、省力、高效、不受清洗物表面复杂形状限制和无污染等显著特点。 作为一种物理清洗，它广泛适用于清洗质量要求较高的光学器件、

5、钟表零件、微 型轴承、电真空器件、半导体器件、导弹制导系统、金属零件等。日常生活中， 眼镜、首饰都可以用超声进行无损伤清洗，大型宾馆、饭店用它清洗餐具，不仅 清洗效果好，还具有杀灭病毒的作用，现在利用超声空化作用的超声波洗衣机也 已面市。2.2 医学治疗超声治疗是现代超声医学的主要内容，空化机制与超声治疗有着极其重要的 关系。空化效应形成时会产生声波压力和热效应，故可对细菌，特别是链状细菌 进行打击，达到杀菌消毒的作用。近年发现，一些药物 （如阿霉素 ）和细胞同时 接受超声辐照之后 ,传递药物的药性和治疗功效可以显著增高。超声波还能通过 空化作用引起皮肤角质层脂质结构排列有序性降低，渗透性增加

6、，它与电致孔法 协同作用能影响药物的透皮流量。超声药物雾化吸入疗法则是利用超声的空化作 用,使液体在气相中分散,将药液变成雾状颗粒（气溶胶）,通过吸入直接作用于呼 吸道病灶局部的一种治疗方法。超声空化治癌作用研究是 20世纪90年代新兴起 的技术，在临床治疗癌症方面取得了令人振奋的效果。它将超声波束在人体外施 以聚焦，利用高能超声空化作用使肿瘤组织细胞膜破裂，同时高能超声波释放出 巨大能量迅速转化为热能，使癌变组织在瞬间温度达70C-100C,蛋白热固化而 致癌变组织坏死。而超声空化手术刀则是将几十千赫兹的超声波作用到待切除的 人体组织上，由于超声的空化作用具有明显的选择性,因此大大加快了手术

7、速度 并且减少了术中出血。2.3 环境治理近年来 , 通过超声空化与其它技术联合使用处理污水中的化学污染物 , 尤其 是难降解的有机污染物 ,已获得了许多有价值的研究成果。超声降解水体中有机 污染物是物理化学降解过程 ,液体的超声空化过程是集中声能量并迅速释放 的过程，即液体在超声辐射下产生空化气泡 ,这些空化气泡吸收声能量并在极短 的时间内崩溃释能。空化气泡相当于一个具有极端物化条件和含有高能量的微反 应器，很高的流体剪切力、自由基反应及化学转化、高温高压等将气泡内气体和 液体交界面的介质加热分解并产生诸如O、OH、H和H 2。2等强氧化性 物质，从而引起有机污染物的降解。目前在水中存在的各

8、类污染物中,已尝试用 超声空化降解的有数十种，如甲胺磷农药、造纸黑液及生活污水中有害物质，声 空化还能抑制藻类生长，它有望成为一种新颖的、无二次污染的水处理技术。2.4 化学化工过程近年来对超声波技术在化学化工中的应用与研究十分活跃，这方面主要利用 了超声空化时产生的机械效应和化学效应。利用机械效应的过程包括萃取、吸附、 结晶、乳化与破乳、膜过程、超声阻垢、电化学、非均相化学反应、过滤、悬浮 分离、传热以及超声清洗等。利用化学效应的过程主要包括有机物降解、高分子 化学反应以及其它自由基反应，空化作用为加速化学反应和开启新的反应通道提 供新的空间和条件。例如 ,将超声空化作用于烯烃与氢反应中的镍

9、粉催化剂时 , 可使反应速度提高 100 万倍；在难以活化的多相体系中 , 超声空化可以把有机 或无机化合物添加到无机固体基质的原子层中 ,使添加速度提高200多倍，从而 改善后者的光学或电学性质。2.5 材料的制备、处理超声空化所引发的特殊物理、化学环境为制备具有特殊性能的新型材料及材 料的处理提供了一条重要的途径。近年来，声化学处理已成为制备纳米材料的一 种十分有效的技术。中草药提取中能利用超声波的空化作用加速植物有效成分的 浸出提取，另外超声波的次级效应，如机械振动、乳化、扩散、击碎、化学效应 等也能加速欲提取成分的扩散释放并充分与溶剂混合，利于提取，具有提取时间 短、产率高、无需加热等

10、优点。又如复合材料制备过程中，空化作用能改善复合 材料性能。在纤维/树脂的浸渍过程中，纤维表面由于吸附气体、杂质等而形成 一层表面污层，导致纤维的表面性能降低，纤维/树脂之间的浸润能力下降。如 果采用合适的超声频率，空化过程中气体闭合时产生的强大冲击力可破坏并除去 纤维的表面污层，减小浸润角，改善纤维和树脂间的浸润能力。2.6 美容保健 超声空化在美容保健行业也有广泛应用。如利用超声波在水中产生的空化作 用能迅速清除皮肤死皮、污垢，促进皮肤新陈代谢，从而起到洁肤、按摩、面膜 的美容作用。超声吸脂塑身则是利用超声波在特定条件下对脂肪等含液体丰富的 组织产生“空化效应”，有选择性地将人体局部表皮下多余的脂肪击碎、乳化， 乳化后的脂肪通过隐蔽的皮肤小切口吸出体外，达到既减肥又不影响正常组织的 目的。尽管人们对超声空化的机理尚需深入地研究，但将超声波与传统技术相耦合 必将为传统的技术带来新的活力，超声空化具有广阔的应用前景。