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超声清洗产生的空化作用如何清洗物品上附着的有机物

编辑:卡卡  来源:互联网  更新时间:2019-12-07 13:26:39  点击次数:

  超声清洗产生的空化作用如何清洗物品上附着的有机物

  超声清洗是一种物理清洗方法,其特点是速度快、质量好、效率高且易于实现清洗过程的自动化。对于医疗器械的清洗、消毒而言,在现有各种清洗方法中,超声清洗是较为理想、有效的一种方法。

  超声清洗的主要机制是超声空化以及高强超声波的机械效应、非线性效应。本期微信主要关注空化作用是如何清洗物品上的有机物的。

  空化效应是液体介质中普遍存在的一种自然现象。某一频率声波或超声波作用于液体介质时,液体介质会经历周期性的压缩、膨胀过程。当处于膨胀相时,如果此时声压的幅值小于液体所在温度的饱和蒸汽压,即出现负压,在液体中的薄弱区域会产生所谓“液体断裂”现象,原来溶解在液体中的气体会以气核形式析出,形成空穴。这些空穴(气核)通常称为空化核。空化核在负压作用下,在声波膨胀相内迅速长大,直径为几个微米至数十微米不等;在随后到来的压缩相中,这些空化核在正压的作用下体积急剧减小,继而产生体积变化的周期性震荡(稳态空化),或者声压达到某一阈值(空化阈值)后快速闭合直至崩溃(瞬间空化)。一般称这种现象为声空化。声空化的作用主要表现在下述两个方面

  气泡内部及外部极小的空间区域内

  气泡在闭合、崩溃之前,在气泡内部会产生高温、高压、甚至发光等现象。泡内的高温(5300K以上)、高压(50MPa以上)会使气泡内的水蒸气等物质发生常温下难以发生的物理化学变化,主要包括:发生所谓的“水相燃烧”的热分解反应,空泡内的水蒸气以及在气泡膨胀相内由气泡壁扩散进去的溶质蒸汽都可能被热分解;空化泡产生的高温、高压,可以将含水溶液中的H2O水分子分解为·H和·OH自由基。·OH自由基氧化能力仅次于氟的羟基自由基·OH,由·OH结合成的H2O2(过氧化氢),可以直接氧化水中的有机体,聚合物,发生“自由基氧化反应”;空泡溃灭时产生的高温高压超过了水的临界点,将发生“超临界水氧化反应”。超临界水被认为是氧化有机物的良好介质,可以去除水中的有机污染物,是人们关注的处理有机污染物的方法之一。

  2. 气泡外部

  在气泡外部,由于气泡的剧烈闭合、崩溃,会产生强烈的向外辐射的冲击波,冲击波的速度可以达几个马赫。同时,气泡内部高压的释放、高温急剧降落,可以形成极大的压力和温度梯度。强大的冲击波,作用于气泡周围的液体介质,会使液体的结构发生变化,如发生乳化现象;作用于固体表面的附着物,反复的冲击一方面破坏附着物与固体表面的吸附,另一方面也会引起附着层的疲劳破坏,从而从固体表面脱落;如果附着层中有微小的缝隙存在,空化气泡就可以“钻入”裂缝中发生作用,使附着层被剥离;对于油污等不可溶液体附着层,由于超声空化的乳化作用,清洗液与不可溶附着层在界面处发生O/W型乳化,俗称水包油。污染物随乳状液进入清洗液中,在这类物质的清洗中,甚至不需要使用化学清洗剂也能达到去除油污的效果;作用于脱落下来的污染物和清洗液中的微生物、细菌、大分子团等,可使其粉碎、降解、分散。

  上述分析表明,在不涉及发光现象机制条件下,可以粗略认为:空化过程中气泡内部以化学效应为主,气泡外部以物理效应为主,气泡溃灭后两者联合发生作用。

  单一气泡产生的激波作用距离是“近程”的,由于介质的吸取等因素很快就会耗散掉。但在功率超声产生的声场中,由于存在大量的空化气泡,整体累积作用相当明显。另外,在泡内形成的自由基、过氧化氢等强氧化剂随着气泡的溃灭进入到气泡周围的液体中,对液体中的有机物、聚合体产生氧化作用。


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