超聲技術是20 世紀發展起來的高新技術, 是一種新興的、多學科交叉的邊緣科學, 已引起美國、德國、加拿大、日本和中國等國家科技工作者的廣泛關注。超聲技術的發展給化工、食品、生物、醫藥等學科的研究開拓了新領域, 并從應用上對上述工業産生重大影響。作爲聲學研究領域的重要組成部分, 超聲在現代分離技術中的研究也取得了一定進展。目前認爲超聲波具有3 種基本作用機制 , 即機械力學機制、熱學機制和空化機制。由于超聲波作用的獨特性, 已日益顯示出其在各分離領域的重要性。超聲作用于兩相或多相體系會産生各種效應, 如空化效應、湍動效應、微擾效應、界面效應和聚能效應等, 其中湍動效應使邊界層變薄, 增大傳質速率; 微擾效應強化了微孔擴散; 界面效應增大了傳質表面積; 聚能效應活化了分離物質分子。所有這些效應會引起傳播媒質特有的變化, 因而從整體上促進了分離過程。

         1 超聲波在提取方面的應用目前超聲波在提取方面的應用已日益廣泛, 并且在中藥提取方面已經工業化。我國傳統中藥的提取存在溶劑耗量大、萃取時間長、萃取溫度高、工藝路線長、萃取效率低等缺點, 導緻中藥産品中殘留溶劑含量高、有效成分含量低、質量難以控制、藥效不明顯等主要問題, 産品價格低, 國際市場競争力不強, 極大地制約了我國中藥現代化的進程。而超聲用于中藥的提取則能明顯地減少溶劑耗量、縮短萃取時間, 在較低的溫度下就可實現高的提取率, 而且不會破壞中藥中的有效成分, 可廣泛用于中藥中皂苷、生物堿、黃酮、蒽醌類、有機酸及多糖等成分的提取。超聲波由超聲空化引起的, 由變幅杆端部發出的強超聲波,激活反應容器内液體中的空化氣泡在崩潰時伴随發生沖擊波或射流作用于細胞壁并使其破裂。目前超臨界CO2 萃取由于具有綠色無污染、溶劑殘留量少或沒有、産品有效成分不易失活、産品質量高等優點, 成爲近年來研究的熱點。但同時該技術存在着萃取壓力較高、時間長、萃取率較低、夾帶劑用量大以及能耗高等缺點, 極大地限制了其工業化應用。若将超聲應用于超臨界流體萃取則可以明顯降低萃取系統的壓力和溫度, 減少夾帶劑用量和縮短萃取時間, 而且萃取率也有明顯的提高。Riera E 等[5 ] 對超聲強化超臨界CO2 流體從杏仁顆粒中萃取油脂進行了研究。實驗采用20 kHz、50 W的超聲。結果顯示, 超臨界CO2 中附加超聲與沒有附加超聲相比, 在相同的萃取率下, 杏仁油的萃取時間縮短了30  而在相同的萃取時間内, 萃取率提高了20 。另外在較低的功率條件下,超聲波的換能器可作爲一種高靈敏度的探針顯示超臨界流體的相行爲。目前超聲用于提取方面的研究主要限于單頻率的超聲, 而對兩種或兩種以上的多頻超聲同時輻照強化提取方面的研究很少。這方面的研究是近幾年才投入研究的一個新課題。有實驗顯示雙頻、三頻超聲正交輻照可以使聲化學産額顯著提高,國内由于投入該項研究處于起步階段, 很多方面的研究, 如頻率的選擇、超聲發射位置的布局、功率的搭配等方面尚需進一步深化。作者實驗室正在進行多頻超聲從苦木中提取生物堿的研究, 已取得了可喜的階段性研究成果。

         2 超聲在膜分離技術中的應用膜分離的原理主要是利用選擇性透過膜的兩側存在壓力差、濃度差、電位差進而對組分進行分離或提純。在膜分離過程中, 當膜表面上被溶質或其他截留物質形成濃差極化層時膜的傳遞性能及分離性能将迅速衰減, 大大影響膜分離器的工作效率, 從而縮短其使用壽命。解決濃差極化現象一直是一項極爲重要的課題, 而超聲波能有效降低濃差極化現象, 提高微濾效果, 明顯減少附在膜表面的污物。功率超聲用于改善過濾過程主要表現在3 個方面[8 ] : 會使過細的顆粒發生凝聚, 從而使過濾加快; 向系統提供足夠的振動能量, 使部分粒子保持懸浮, 爲溶劑的分離提供了較多的自由通道; 能夠強化液體通過多孔介質時的擴散作用。功率超聲已被成功地用于工業混合物的真空過濾, 如煤漿過濾。過濾煤漿曾是一件困難而耗時的工作, 當功率超聲用于過濾時, 煤漿中水的質量分數很快從50 減少到25 , 而通常的方法隻能減少到40 。将超聲應用于蛋白質超濾方面可有效提高其分離效率, 且減少了蛋白質在膜上的吸附。超聲作用手段具有效率高, 準确可靠, 操作簡便等特點, 超聲對電滲析分離也能發揮作用。研究報道施加超聲輻射可提高電解質通過膜的能力, 從而提高電滲析效率。T. Kobayashi 等[9 ]研究了不同頻率和聲強的超聲波對聚丙烯腈超濾膜分離右旋糖苷的的膜通透量的影響,實驗結果發現, 在超聲輻照下, 水的通透量不受影響。但對于右旋糖苷溶液, 超聲有助于提高膜的通透量, 頻率不同其影響效果不同, 随着聲強的提高, 膜的通透量也增加。超聲輻照的方向也是影響膜的通透量的一個重要因素, 超聲輻照提高膜通透量是由于增大了通過膜表面附近右旋糖苷濃溶液層的傳質系數。C. Zhu 等[10 ]研究了超聲波強化空氣隙膜蒸餾, 結果表明, 當聲強從0 W/ cm2提高到5 W/ cm2時, 溶劑的通透量提高到初始的2 倍; 溫度的上升對通量有不利影響, 當從40 ℃上升至60 ℃時, 通透量提高率從1195 下降至112  當頻率從15 kHz提高到60 kHz時,通透量提高率從116 下降至0186 。

        3超聲在結晶分離技術中的應用目前人們認爲聲場對溶液結晶的影響主要是空化效應。超聲波的空化作用能促進結晶, 在一些特定情況下, 又可表現爲簡單的聚集, 即爲沉澱。丘泰球等研究了超聲場對蔗糖溶液結晶成核過程的影響。結果表明, 在聲場作用下, 結晶成核過程可在低飽和度下實現, 所得晶核較其他方法均勻、完整和光潔,晶粒尺寸範圍分布較窄。将超聲應用于味精結晶過程的實驗表明, 超聲可減弱分子間作用力, 降低溶液黏度, 所需結晶濃度低, 獲得細小而均勻的晶體, 而且晶體産量高。王偉甯等将超聲波引入堿式氯化鎂的結晶過程, 發現可加速成核速率, 縮短誘導期,顯著提高結晶産量。頻率越高, 結晶時間越短, 設備簡單, 投資較省。在此研究基礎上, 超聲波起晶器已開始付諸工業實施。熔融金屬在固化期間進行超聲處理, 可使晶粒變細, 改善其延伸率和機械強度等物理特性。對碳鋼的超聲處理表明, 它可使晶粒尺度從200μm減小到25μm～ 30μm , 延展性增加30 ～40 , 機械強度提高20 ～30 。在制藥行業中, 爲得到細小而均勻的顆粒, 已将超聲結晶用于生産口服或皮下注射懸浮液藥劑。Midler 申請了一個用超聲輔助結晶制藥的專利, 該專利描述超聲不僅可以促進飽和溶液起晶, 而且可制得細小、均勻的藥物晶體。

         4 超聲在絮凝分離技術中的應用目前, 化工過程中膠體物系的絮凝分離主要有化學法及生物法, 但現有的方法存在不少缺點, 特别是對于食品化工過程。因爲選用生物或化學試劑時要考慮食用安全性問題, 而超聲能顯著地促進膠體物系絮凝分離, 不會使食品産生任何污染。丘泰球等[14 ]曾研究過聲場作用下不同體積分數乙醇對果膠絮凝沉降的效果、聲場與殼聚糖協同對果膠絮凝沉降的效果和聲場對原糖溶液絮凝上浮的效果。研究結果表明, 對于體積分數爲30 或40 的乙醇, 超聲作用并不能促進果膠的絮凝, 而對于乙醇的體積分數爲50 、60 或70 時, 果膠的質量明顯增加, 乙醇的體積分數爲50 時增加最快。另外, 超聲處理後的果膠絮凝物,其含水量都明顯降低, 說明超聲作用對絮凝物有脫水作用。這也從另一方面說明超聲波能促進膠體的絮凝。該實驗認爲聲場能促進膠體物系絮凝分離, 其作用原理可能是超聲空化效應, 該效應使親水膠體水化層減少, 雙電層電位降低, 膠體體系中顆粒間的排斥力減小, 相互吸引力增大, 聚結機會增加。

         5 超聲在吸附與脫附分離中的應用吸附與脫附已廣泛應用于化工、食品及冶金等工業中, 在分離與純化方面發揮着日益重要的作用。吸附與脫附是一對互逆過程, 在超聲空化作用下, 聲場一方面增加了吸附質向吸附劑擴散的速率; 另一方面降低了吸附質與吸附劑間的範德華力。前者具有正效應, 強化吸附; 後者具有負效應, 強化脫附。Rege等[15 ]研究了苯酚從活性炭和聚合樹脂上實現超聲解吸的可行性。在超聲波作用下, 活性炭的脫附速率大大提高, 而且降低溫度, 向液體中鼓入空氣或增加超聲波強度都有利于提高脫附速率。Okada[16 ]發現超聲波對離子交換色譜的保留性能具有顯著影響。Feng等[17 ]發現超聲波能極大地提高樹脂的洗脫速率, 而且除XAD7 長期使用後會有輕微的降解外, 其他樹脂的物化穩定性不受超聲波影響。郭平生等[18 ]對超聲波強化解吸的機理進行了探讨, 認爲超聲強化解吸的主要原因是在超聲場中由于超聲波的“聚能效應”使得吸附相分子比基準态分子獲得更多的能量而導緻吸附平衡等溫線降低。研究結果還表明, 吸附相分子在超聲波場中隻要獲得可與k T (k 表示波爾磁曼常數,T 表示溫度) 比拟或更高的能量, 解吸效果就會明顯,說明強化解吸中超聲波場與溫度場間的協同作用。

 

 

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