1.6.1. Механизм воздействия ультразвука на вещество

Акустическая (звуковая) волна - это упругие механические продольные колебания, распространяющиеся в среде. Она представляет собой переход возмущенного состояния среды с одних частиц на другие [22-26]. Смещения частиц очень малы, и после прохождения волны каждая частица возвращается в исходное положение. Волна же удаляется от места своего возникновения. Скорость ее распространения  составляет сотни и тысячи метров в секунду и зависит от частоты колебаний вибратора () и длины волны, которая определяется упругими свойствами среды. Энергия, переносимая акустической волной (интенсивность волны),  зависит от природы источника, создающего акустические колебания.

Условно весь спектр акустических колебаний можно разделить на следующие области:

- инфразвук (самые длинные волны), 16 Гц;

- слышимый звук, = 16 – 16000 Гц;

- ультразвук, = 16000 – 1010 Гц;

- гиперзвук, > 1010 Гц.

Для интенсификации химических процессов наибольшее применение нашло ультразвуковое воздействие. Длина ультразвуковой волны очень мала, а избыточное давление в ее фронте велико. Интенсивность  ультразвуковой волны от некоторых источников может достигать 100 Вт/см2. Перспективен с технологической точки зрения также инфразвук, так как он слабо поглощается различными средами и поэтому может распространяться на большие расстояния.

При сравнительно небольшой интенсивности акустической волны (менее 0,1 Вт/см2) она оказывает чисто механическое воздействие и редко вызывает значительные химические эффекты. Для возникновения химических и физико-химических эффектов (сонохимических процессов) необходимо действие акустических волн интенсивностью более 1Вт/см2. При этом происходит образование и рост парогазовых пузырьков в жидкости, которые колеблются (осциллируют), пульсируют и схлопываются. Образование и движение такого рода пузырьков принято называть кавитацией – нарушением сплошности жидкости.

Кавитационные процессы могут возникать не только под действием ультразвука, но при обтекании потоком жидкости какого-либо препятствия, при движении твердых тел с высокой скоростью относительно жидкости, при быстром отрыве поршня от жидкости, при передаче жидкости ударных нагрузок и т.д. Эти процессы называют гидродинамической кавитацией. Акустическая кавитация в отличие от гидродинамической характеризуется весьма малыми размерами образующихся пузырьков (10-3-10-4см), характером их движения, устойчивостью и некоторыми другими характеристиками.

Кавитационные пузырьки образуются в зоне сжатия акустической волны. Прочность на разрыв (т.е. предельное отрицательное давление, вызывающее разрыв сплошности с образованием новой стабильной фазы) чистых однородных жидкостей велика и достигает сотен кг/см2. Однако прочность реальных жидкостей в 10-100 раз меньше из-за существующих дефектов, чаще всего микропузырьков растворенного газа. В зоне отрицательного давления акустической волны пузырьки расширяются, заполняясь паром и газом. В зоне сжатия кавитационный пузырек сжимается, а жидкость, устремляясь внутрь, приобретает кинетическую энергию. Движению жидкости противостоит упругость сжимающегося в полости газа. За очень короткое время (10-6 сек) происходит схлопывание кавитационного пузырька. При этом радиус пузырька уменьшается в десятки раз, давление внутри пузырька возрастает до значений 500 – 1000 атм, температура поднимается до 5000-10000 К. В таких условиях появляются мощные электрические микроразряды, которые вызывают ионизацию и диссоциацию молекул жидкости и газа. Таким образом, кавитация является весьма эффективным механизмом концентрирования упругой энергии в малом объеме вещества. Химические реакции в кавитационном пузырьке могут развиваться как под действием высокого давления и температуры, так и благодаря образованию электрических зарядов на стенках пузырька и последующего  электрического пробоя – газового разряда. При этом мгновенный разогрев пограничных с кавитационным пузырьком слоев жидкости сменяется таким же мгновенным охлаждением за счет рассеивания энергии большими объемами движущейся жидкости. Жидкость остается холодной и это способствует повышению селективности реакции.

Кавитация может быть охарактеризована  интенсивностью и порогом начала кавитации, величина которых зависит от  интенсивности и частоты ультразвука, физических свойств среды, степени ее чистоты, температуры, внешнего давления.

Оптимальная интенсивность ультразвука (в водной среде) составляет 10-50 Вт/см2,  частота 20-500 кГц. При меньшей энергии акустических колебаний не возникает кавитация, при больших – у излучающих поверхностей возникает кавитационное облако, препятствующее развитию кавитации в остальном объеме жидкости. В жидких средах с низкой вязкостью и малым значением поверхностного натяжения легче создать акустическую кавитацию с высокой интенсивностью, при этом порог начала кавитации будет низким. Значительному снижению порога начала кавитации  способствует также наличие растворенных газов, а также любых микронеоднородностей или свободных поверхностей, выступающих в качестве зародышей кавитационных пузырьков.  При повышении температуры порог начала кавитации снижается, однако в открытых системах температура должна быть существенно ниже температуры кипения растворителя. Экспериментально показано, что оптимальное внешнее давление для осуществления сонохимических процессов в открытых системах составляет 1 – 5 атм.